分离技术综述

现代分离技术综述分离技术是研究生产过程中混合物的分离、产物的提取或纯化的一门新型学科，随着社会的发展，对分离技术的要求越来越高，不但希望采用更高效的节能、优产的方法，而且希望所采用的过程与环境友好。正是这种需求，推动了人们对新型分离技术不懈的探索。近十余年来，新型分离技术发展迅速，其应用范围已涉及化工、环保、生化、医药、食品、电子、航天等领域，不少技术已趋成熟。本文对分子蒸馏技术、膜分离技术、超临界萃取技术、新型生物膜技术进行综述。1、分子蒸馏技术1.1分子蒸馏过程技术的基本原理分子蒸馏(moleculardistillation)是指在高真空的条件下，液体分子受热从液面逸出，利用不同分子平均自由程差导致其表面蒸发速率不同，而达到分离的方法[1]。分子分离过程如图1所示，经过预热处理的待分离料液从进料口沿加热板自上而下流入，受热的液体分子从加热板逸出。由于冷凝和蒸发表面的间距一般小于或等于蒸发分子的平均自由程，逸出分子可以不经过分子碰撞而直接到达冷凝面冷凝，最后进入轻组分接收罐。重组分分子由于平均自由程小，不能到达冷凝板，从而顺加热板流入重组分接收罐中，这样就实现了轻重组分的分离[2]。图1分子蒸馏过程1.2分子蒸馏过程理论的研究国内外许多学者在过去几十年里，尝试建立了两种不同方法来研究分子蒸馏过程。一种是蒸发系数法，即把各种阻力对分子蒸馏速率的影响归纳于参数蒸发系数E，但是由于在某种条件下得到的E值并不能用于另一种条件下的分子蒸馏速率的预测，所以采用该方法研究分子蒸馏并无太多的现实意义。另一种方法是数学模型化法，即对分子蒸馏过程各个阶段产生的阻力进行研究，分别建立数学模型并求解，计算出分子蒸馏的速率。ReesGJ[3~4]针对离心式分子分馏器从传质传热机理出发，建立了一维数学分析模型，提出了蒸发面温度、液膜厚度与蒸发速率相关联的有限元方程，从微观方面分析了分子蒸馏过程。M等[5]用高质量流量下膜理论描述了静止式分子蒸馏器液体内部传递过程对液相温度和组成分布的影响，理论和实验结果取得了一致。对于分子蒸馏过程的二维数学模型的研究，目前还具有很大的局限性。主要是因为模型假设条件的一个基本前提是：液膜流动必须为充分发展的稳态层流，因此在高Re数下对模型的求解是非常困难并且无法实现的。B等[6]对降膜式分子蒸馏器建立了相应的二维模型并且模拟计算，与实验数据对比良好。NguyenAD等[7]对刮膜式分子蒸馏器的边界条件进行了一定的简化和假设，忽略液膜内部的温度梯度与径向浓度梯度变化，只考虑了轴向液膜组成的变化，建立了质量衡算方程并求解。实际上迄今为止，由于刮膜分子蒸馏器内液膜传质传热的研究仍然是一个难点。我国分子蒸馏技术的研究起步较晚，50年代末期，国内引进分子蒸馏生产线，用于硬脂酸单甘油酯的生产，但由于软、硬件技术不配套及其他各种原因，许多装置均在搁置。国内有些研究单位进行了实验室装置研究，但未见工业化应用的报道。总之，我国的分离技术有了很大的发展，但总体水平，尤其是工业化水平与发达国家相比，差距较大，急需在生产技术、工业组件、制造、示范装置的建立等方面统一协调，组织攻关，以求短期内我国的分离技术在工业应用上走上一个新台阶。1.3分子蒸馏过程技术的应用与展望分子蒸馏过程技术作为近年来发展起来的一种新型的分离技术，在国内的工业化应用处于刚刚起步阶段。由于分子蒸馏设备为高真空设备，一次性投资大，连续化生产能力低，目前主要应用于高附加值产品的制造与加工。随着分子蒸馏过程技术研究的不断深入和发展，应大力加强各企业单位与高校之间的广泛技术交流与合作，向节能与高效的方向开发设计分子蒸馏设备，深入研究过程机理，揭示其规律性，从理论与实践两方面结合使分子蒸馏过程技术不断完善和发展，推动工业化的应用进程，以便带来更好的社会效益和经济效益。2、膜分离技术2.1膜分离技术的基本原理膜分离技术是一种使用半透膜分离方法[8]，其分离原理是依据物质分子尺度的大小，借助膜的选择渗透作用，在外界能量或化学位差的推动作用下对混合物中双组分或多组分溶质和溶剂进行分离、分级提纯和富集，从而达到分离、提纯和浓缩的目的。现已应用的膜过程有反渗透、纳滤、超过滤、微孔过滤、透析电渗析、气体分离、渗透蒸发、控制释放、液膜、膜蒸馏膜反应器等，其中在食品工业中常用的有微滤、超滤和反渗透三种。图2膜分离过程示意图2.2膜分离技术的特点膜分离技术具有如下特点[9]:（1）膜分离技术是一种节能技术，膜分离过程不发生相变化。（2）膜分离过程是在压力驱动下，在常温下进行分离过程，特别适合于对热敏感物质，如酶、果汁、某些药品分离、浓缩、精制等。（3）膜分离技术适用分离范围极广，从微粒级到微生物菌体，甚至离子级等都有其用武之地，其关键在于选择不同的膜类型。（4）膜分离技术由于只是以压力差作为驱动力。因此，该项技术所采用装置简单，操作方便。2.3膜分离技术的应用膜分离技术，作为一种新型的分离技术，既能对废水进行有效的净，高效地去除污染物，又能回收一些有用物质，同时具有节能、无相变、安全性高、生物稳定性好、设备简单、操作方便等特点，因此在生产生活中得到了广泛的应用并显示了广阔的发展前景。2.3.1在化工生产中的应用在合成氨方面，可用于高压机后新鲜气油分离采用超滤，技术除去新鲜气中的油水尘等杂质，大大改善了冷交换器的油污和积炭堵塞现象，进一步优化了操作条件，降低了能耗，有效保护了合成塔触媒。联碱生产过程中经常会产生重碱、食盐、纯碱等有用物质的母液泄漏及生产设备冲洗水外排，既造成了浪费，又对环境造成了污染[10]。徐昌松等[11]采用电渗析技术处理联碱含盐废水，可将含盐质量分数为1%的联碱废水浓缩到10%，而淡液含盐的质量分数0.05%。结果表明采用电渗析技术处理联碱废水是可行的，可实现联碱生产废水零排放。大多数有机溶剂(如醇类、酮类、酯类等)常含有少量水会形成共沸物，用恒沸精馏、萃取精馏等特殊精制工艺脱水，存在工艺复杂、能耗高等问题。使用膜选择分离技术进行脱水就不再受恒沸点制约，容易从有机溶剂混合物中脱除微量水，可大幅度降低分离过程能耗[12]。2.3.2工业有机蒸汽的净化及回收石油、化工、喷涂等行业的生产过程中，每天都在释放出大量的有机蒸汽(VOC)，石油工业的排放气中也含有许多有机化合物，如氯乙烯、苯、多环芳烃等毒性大，而且易燃易爆，但排放气中也含有烃类气体如烯烃等，为了净化有机蒸汽并回收有经济价值的烃类气体，可以采用气体膜分离技术。如采用无机光催化膜用于光催化反应器，除去挥发性有机物质(地下水中的三氯乙烯)，以及应用于微电子产品中超纯水中总有机化学物质的去除，可用于分离石油提炼厂残留氢蒸汽中碳氢化合物，使纯化后的氢气可在高压下循环使用[13]。将疏水性的聚丙烯中空纤维膜涂上超薄的硅橡胶，在100cm2而的小型纤维膜组件可以除去甲醇、苯、丙酮、二氯甲烷等[14]，采用2537cm2。时的中型纤维膜组件可除去制药厂反应器中排出废气中甲醇和苯[15，16]；Majumdar等研究了涂硅橡胶的聚合物膜组件，原料在常压下走管程，被分离的气体从抽真空的管外流出，在原料气中有机物质量分数为14%的情况下，可除去98%(质量分数)的有机物，在有机物含量较低的废气中可达到95%的回收率[17]。2.3.3在中药制药中的应用中药提取液有效成分的含量低，提取常使用大量有机溶剂，存在提取成本高，提取过程复杂，提取率低，污染严重等问题，应用膜分离技术可望有效地解决。近年来随着中药现代化的开展，膜分离技术广泛地应用于中药提取液的提纯和浓缩。沈亮等[18]采用反渗透法提取当归中的阿魏酸，结果表明，反渗透法的提取效果好于传统的醇沉法，且采用超滤法与反渗透法相结合的膜分离技术可得到更好的分离效果。韩光等[19]将微滤技术应用于何首乌水提液的精制，发现何首乌水提液经微滤后由浑浊溶液变为澄清溶液，固体去除率为67.9%，有效成分二苯乙烯苷的含量是水提取液中的2.04倍。3、超临界流体萃取技术3.1超临界萃取技术的基本原理超临界流体萃取是一种以超临界流体代替常规有机溶剂对目标组分进行萃取和分离的新型技术。其原理是利用流体(溶剂)在临界点附近区域(超临界区)内与待分离混合物中的溶质具有异常相平衡行为和传递性能，且对溶质的溶解能力随压力和温度的改变而在相当宽的范围内变动来实现分离的。由于二氧化碳具有无毒、不易燃易爆、廉价、临界压力低、易于安全地从混合物中分离出来，所以是最常用的超临界流体。有以下优点：萃取效率高、传递速度快、选择性高、提取物较干净、省时、减少有机溶剂及环境污染、适合于挥发油等脂溶性成分的提取分离。3.3超临界流体萃取技术特点（1）由于在临界点附近，流体温度或压力的微小变化会引起溶解能力的极大变化，使萃取后溶剂与溶质容易分离。(2)由于超临界流体具有与液体接近的溶解能力，同时又保持了气体所具有的传递性，有利于高效分离的实现。(3)利用超临界流体可在较低温度下溶解或选择性地提取出相应难挥发的物质，更好地保护热敏性物质。(4)萃取效率高，萃取时间短。可以省却清除溶剂的程序，彻底解决了工艺繁杂、纯度不够且易残留有害物质等问题。(5)萃取剂只需再经压缩便可循环使用，可大大降低成本。(6)超临界流体萃取能耗低，集萃取、蒸馏、分离于一体，工艺简单，操作方便。(7)超临界流体萃取能与多种分析技术，包括气相色谱、高效液相色谱、质谱等联用，省去了传统方法中蒸馏、浓缩溶剂的步骤。避免样品的损失、降解或污染，因而可以实现自动化。3.4超临界流体萃取技术的应用3.4.1医药方面的应用超临界流体（SCF）一个主要优点是它对挥发度极低的物质萃取能力不强，而通过选择适当的压力和温度，对挥发度中等偏低的物质可选择萃取。利用SFE技术从药用植物原紫草、蛇床子和桑白皮中提取有效成分[20]。如利用SFE萃取技术与尿素包合法相结合可从鱼油中提纯出药用价值和营养价值很高的EDA(二十碳五烯酸)和DHA(二十二碳六烯酸)[21]。EDA和DHA对大脑有活化作用，在治疗和防治动脉粥样硬化、老年性痴呆以及抑制肿瘤等方面都有较好的疗效[22]。此外，还有报道利用SFE技术提取生物碱、鸦片、甘油酯、春黄菊油的研究以及从菊花根中获得除虫菊酯等萃取工艺[23-27]。SFE还用于分折药品组分。如分析血浆中的药品及代谢物含量，分析动物组织中所含药剂及药剂残留物，从中毒人体的脂肪组织中分析毒物多氯联苯的含量从食物和土壤中分析农药残留量等。马熙中等用自行设计的SCF装置分析了中药肉苁蓉的化学成分。结果证明，与常规中药研究方法相比，SFE法可更有效地提取复杂中药中的挥发性成分。采用SFE法，萃取过程极为简单，在20MPa压力、50℃条件下仅需几十毫升的CO2流体，1h之内即可完成，得到很好的分离结果。3.4.2在化学工业方面的应用SFE技术在石蜡族、芳香族、环烷族等的同素物分离精制方面取得了很大进展。SFE技术还成功地用于己内酰胺、己二酸、DMT(二甲基色胺)等水溶液的脱水和回收有机物，特别是可分离醇一水共沸混合物。在聚合反应和石蜡异构反应中以SCF为稀释剂也取得了较好效果。用SFE技术可加工处理各种燃料。油渣深加工一直是个难题，采用SFE技术可从油渣中脱除沥青和重金属，迅速分离出纯油。从褐煤加氢产品渣中可获得45％的燃油，这是用其他方法办不到的。SCF还可莘取煤中的石蜡、杂酚、煤焦油等成分。在适宜的SFE条件下可从大量木材加工废料中回收可观的酚类产品作为重要的化工原料。4、新型生物膜法生物接触氧化法、塔式生物滤池、生物转盘以及生物流化床工艺是在经典生物滤池的基础上发展起来的一种新型生物膜法。新型生物膜法就是利用好氧微生物在有充足的氧气和丰富的有机物条件下，迅速繁殖起来，在载体填料介质表面形成由一层多种微生物(主要是细菌)组成的生物膜。生物膜具有很大的表面积，大量吸附废水中呈多种状态的有机物，并具有非常强的氧化能力。当生物膜与废水接触后，水中的有机物被微生物所吸附，并获得迅速地氧化分解，从而使废水得到净化。生物膜表面吸氧充分、好氧层生长活跃，当缺氧、厌氧层还不厚时，它与好