新型化工分离技术论文

新型化工分离技术

陈媛

摘要：综述了新型分离技术——超临界流体萃取和膜分离技术的最新研究进展。介绍了超临界流体萃取技术的工作原理、技术特点、工艺流程及其在某些领域中的应用。介绍膜分离技术的分离机理、特点，国内外膜分离技术的研究进展及其在各个领域的应用现状。另外还介绍了膜蒸馏技术最新研究进展。

关键字：超临界流体萃取；膜分离技术；分离技术

New type of chemical separation technology

Chen Yuan

Abstract：summarize the latest developments of supercritical fluid extraction technology and membrane separation technology.Introduce the working principle, technical characteristics of supercritical fluid extraction technology and its application in some fields.Introduce the separation mechanism , characteristics,the research progress of membrane separation technology,and its present application in various fields.Then introduce the latest research progress of membrane distillation technology.

Key words:supercritical fluid extraction echnology;membrane separation technology;separation technology

1 超临界流体萃取技术

1.1 技术原理

超临界流体的密度和溶剂化能力接近液体，粘度和扩散系数接近气体，在临界点附近流体的物理化学性质随温度和压力的变化极其敏感，超临界流体萃取技术就是利用上述超临界流体的特殊性质, 将其在萃取塔的高压下与待分离的固体或液体混合物接触, 调节系统的操作温度和压力, 萃取出所需组分; 进入分离塔后, 通过等压升温、等温降压或吸附等方法, 降低超临界流体的密度, 使该组分在超临界流体中的溶解度减小而从中分离出来。

[1] 1.2 技术特点

( 1) 萃取分离效率高;

( 2) 可在较低温度下进行, 适用于分离热敏性物料;

( 3) 与传统的分离方法相比, 能耗低;

( 4) 易回收溶剂和溶质;

( 5) 溶剂无毒, 使用于食品加工和医药工业。

1.3 技术工艺流程

超临界流体萃取工艺一般是由超临界流体萃取和分离两部分组成，由于萃取都是在萃取槽中进行的，所以萃取步骤大致都相同，而分离的方法主要包括：(1)依靠压力变化的萃取分离法(等温变压法或绝热法)。在一定温度下，使超临界流体和溶质减压，经膨胀后分离，溶质由分离器下部取出，气体经压缩机返回萃取器循环使用。(2)依靠温度变化的萃取分离法(等压变温法) 经加热、升温使气体和溶质分离，从分离器下部取出萃取物，气体经冷却、压缩后返回萃取器循环使用。(3)用吸附剂进行的萃取分离法(恒温恒压法或吸附法) ，在分

[2,3]离器中经萃取出的溶质被吸附剂吸附，气体经压缩后返回萃取器循环使用。

1.4 超临界流体萃取技术的应用

超临界流体萃取工艺可以不在高温下操作，因此特别适合于热稳定性较差的物质的分离，同时产品中无其他物质残留。超临界流体萃取是一项具有特殊优势的分离技术并特别适用于提取或精制热敏性和易氧化的物质。它可广泛应用于以下主要领域：

1.4.1 医药工业

众所周知, 中草药中含有大量的天然活性物质, 而超临界萃取技术则是提取这些活性物质最好的手段之一, 现在已经能用该技术成功地提取了生物碱、黄酮、生育酚、吗啡等天然活性产物, 另外超临界萃取技术还可以用于抗生素的回收, 医药制品的精制、脱杂质, 维生素和酶的回收等。Reverchon 等用惰性气体如氮气与超临界CO2、含药溶液形成混合物，其中氮气起辅助雾化(assisted atomization)作用，成功制得了粒径在0.5～3μm的四环素、利福平微粒及粒径在0.05～1.6μm的聚甲基丙烯酸树脂(PMMA)与0.1～3.5μm 的左旋聚乳

[4]酸(PLLA)微粒。

1.4.2 食品工业

由于超临界CO2 萃取技术所得萃取液溶剂残留少, 毒性低, 因此特别适合用于食品工业。在食品工业中的应用一般包括食品中有益成分的提取及有害物质的去除。运用该技术可以对咖啡豆脱咖啡因、烟草脱尼古丁、奶制品脱胆固醇, 从鱼油中提取多不饱和脂肪酸DHA、EPA, 萃取啤酒花中的有效成分, 以及从天然植物中提取食品添加剂如卵磷脂、麦胚油、茶油, 食用香料如八角油、茴香油, 食用色素如辣椒红、番茄红等, 其中对啤酒花有效成分的

[1,5]萃取、咖啡豆红茶脱咖啡因等已实现了工业化和产业化。

1.4.3 精细化工

超临界萃取在精细化工中使用最广泛的当属天然香精香料的提取了, 目前已成功地从许多香花、香料植物中提取出诸如从桂花、茉莉花、菊花、梅花、米兰花、百里香、野百里香、薰衣草、迷迭香中提取花香精, 从薄荷提取香料, 从芹菜籽、芫荽籽、砂仁等原料中提取精油。此外,运用超临界萃取技术还可以对某些化妆品原料如甘油单脂、脂肪酸酯、表面

[6~8]活性剂等进行浓缩、精制。

1.4.4 在环境保护中的应用

由于超临界流体萃取技术具有高效，污染小等优点，可以用来处理工业废水、提取重金属、含氮废水、净化水源、降解废弃塑料等。

除了上面提到的几个方面的应用, 超临界流体萃取技术还在化学工业、材料制备、日化、陶瓷和仪器分析等领域有着重要的应用。

1.5 超临界流体萃取技术发展前景

超临界流体萃取因其独特的物理化学特性,使其在一些重要领域中得到应用，同时结合起来超高压技术，超声波技术，超滤技术，微胶囊技术，静电场，磁场，精馏等技术，将会取得更大的社会经济效益。今后，随着人们对于超临界流体技术认识和研究的进一步深化，这一新兴技术必将得以更广泛和深入的应用，而超临界流体技术本身也必将对人类科技进步和经济发展产生深远的影响。

2 膜分离技术

2.1 技术原理

膜分离技术(membrane separation technology)以具有选择透过性的膜为分离介质,当膜两侧存在某种推动力(如压力差、温度差、浓度差、电位差等)时,物料依据滤膜孔径的大小而通过或被截留,选择性地透过膜,从而达到分离、提纯的目的。现已应用的有反渗透、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、膜蒸馏膜反应器等技术。

2.2技术特点

膜分离技术具有如下特点：

（1）膜分离过程不发生相变化，因此膜分离技术是一种节能技术；

（2）膜分离过程是在压力驱动下，在常温下进行分离，特别适合于对热敏感物质，如酶、果汁、某些药品的分离、浓缩、精制等；

（3）膜分离技术适用分离的范围极广，从微粒级到微生物菌体，甚至离子级都有其用武之地，关键在于选择不同的膜类型；

（4）膜分离技术以压力差作为驱动力，因此采用装置简单，操作方便。

2.3 膜分离技术的研究进展及应用现状

[9]2.3.1 在处理工业废水中的研究与应用

现在许多行业耗水量很高，排放废水污染特别严重。随着工业需水量不断增加和环保法律法规越趋严格，工业废水的回用是势在必行的.膜分离技术处理工业废水主要是通过对废水中污染物的分离而达到废水处理的目的， 使用微滤、超滤、纳滤技术处理油田采出水、造纸工业废水、纺织印染废水、重金属废水、处理高浓度有机废水等，使工业废水处理过程相对简单，且处理过程无二次污染，并且处理后的水还可以回收再利用。

[10]2.3.2 在药物分离中的研究与应用

微滤(MF) 可以用于无菌过滤、细胞收集、去除细菌和病毒；超滤(UF)可以用于去除菌丝、病毒、热源，大分子溶液的分离、浓缩、纯化和回收；纳滤(NF)可以用于药物的纯化、浓缩脱盐和回收；反渗透(RO)可以用于药物的纯化、浓缩和回收，无菌水的制备。

[11]2.3.3 在酶制剂工业中的应用

近十多年来，在液体酶制剂的生产中，成功地采用了膜分离技术进行脱水浓缩，取得了良好的效益。应用膜分离技术对酶进行浓缩和精制，操作过程简单，减少了杂菌污染与酶失活的机会，提高了酶的回收率并改善了产品的质量。

除此之外，膜分离技术在食品工业、生化产品的制备和果汁浓缩等方面还有广泛的应用。

2.4 膜蒸馏技术

2.4.1 膜蒸馏技术的基本原理

膜蒸馏（membrane distillation，简称MD）是膜技术与蒸馏过程相结合的分离过程. 膜的一侧与热的待处理溶液直接接触（称为热侧），另一侧直接或间接地与冷的水溶液接触（称为冷侧），热侧溶液中易挥发的组分在膜面处汽化通过膜进入冷侧并被冷凝成液相，其他组

[12]分则被疏水膜阻挡在热侧，从而实现混合物分离或提纯的目的。

2.4.2 膜蒸馏技术的应用

（1）海水、哭盐水脱盐

膜蒸馏最初用来进行海水淡化，但是由于材料的限制，通量太小，没能引起人们的兴趣。

[13]随着材料技术的飞速发展，膜蒸馏技术也有了较大的进步。N.Kjellander 等首先安装了

两套中试设备进行海水淡化实验，其结果表明膜蒸馏装置易于操作且非常稳定，产水电导率一直维持在较低的水平。李玲、张建芳等用减压膜蒸馏处理新疆地区的苦咸水，当苦咸水中溶解性总固体含量在400g /L左右时，截留率能够维持在99.9%。吕晓龙、吴春瑞等采用聚偏氟乙烯中空纤维膜，利用减压膜蒸馏对NaCl 水溶液进行研究，当热侧料液浓度为3.5%时，膜通量达到14.7 kg/( m2·h) ，截留率达到99.9%。将膜蒸馏技术应用于海水、苦咸水淡化的优点非常明显，其过程在常温和常压下进行，结构简单，操作方便。

（2）工业废水的处理

膜蒸馏在废水处理方面应用前景广阔。Zakrzewska 等经研究发现，膜蒸馏在处理低放射性废水方面具有突出优点，能够将放射性废水浓缩至很小的体积，并具有极高的截留率，很容易达到排放标准。Cryta 等采用超滤/膜蒸馏集成处理含油的废水，经超滤得到的渗透液含油小于5 mg/L，再将超滤得到的渗透液经MD 进一步净化，油可以全部除去，另外可将水中99.5％的有机物和99.9％的溶质除去；沈志松等采用减压膜蒸馏处理丙烯腈工业废水，可以达到国家颁布的丙烯腈排放控制要求；Banat 等采用PP 管状膜组件对含亚甲基蓝的废水

[14]作为料液进行了真空膜蒸馏的实验研究，效果良好。

2.4.3 膜蒸馏的应用前景及发展趋势

由以上论述可以看出， 对MD 过程的研究发展十分迅速，在科技日新月异的今天，MD 技术拥有其独到的优势和广阔的发展前景， 主要包括以下几个方面：

1）MD 操作过程的条件十分温和（常压、数十℃），使用自然能源或废热便可以实现操作，在世界能源日益危机的今天具有极强的竞争力。

（2） 能量回收是MD 装置中非常重要的一个环节。热回收率的提高与MD 推动力的降低这一矛盾的解决是该技术实现大规模工业化的关键步骤之一。

（3）膜的价格是MD 过程运行成本的重要影响因素之一。据估计，膜的价格至少要再降低一个数量级，方能使MD 过程的运行成本具有明显的竞争力。

（4）MD 过程与其他膜过程结合使用，发挥各自的优势，是今后膜技术应用的一个重要方向。

（5）为了实现MD 的实际应用，大型膜组件结构的设计和制备以及工艺流程和操作条件

[15]的优化都是十分重要的研究课题。

MD 在当今有机污染物的处理方面发挥了重要作用， 可以预见，MD 技术在废水处理中的潜力巨大。近年来MD 应用研究更为普遍、深入，很多研究工作已经达到示范性生产的规模， 相信MD 离工业化应用的时间不会太遥远。

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