化工分離技術的發展

任立鵬1， 侯 俠2

（1.蘭州石化公司 污水處理廠，甘肅 蘭州730060；2.蘭州石化職業技術學院 應用化學工程系，甘肅 蘭州730060）

化工分離技術的發展

任立鵬1， 侯 俠2

（1.蘭州石化公司 污水處理廠，甘肅 蘭州730060；2.蘭州石化職業技術學院 應用化學工程系，甘肅 蘭州730060）

主要介紹了膜分離技術、超臨界萃取技術、新型吸附技術、微波萃取、耦合分離技術的原理、現狀及發展趨勢。

膜分離技術；超臨界萃取技術；新型吸附技術；微波萃取；耦合分離

前 言

化工分離技術是化學工程的一個重要分支,無論是石油煉制、塑料化纖、濕法冶金、同位素分離,還是生物制品的精制、納米材料的制備、煙道氣的脫硫和化肥農藥的生產等等都離不開化工分離技術。化工生產中的原料和產物絕大多數都是混合物,需要利用體系中各組分物性的差別或借助于分離劑使混合物得到分離提純。它往往是獲得合格產品、充分利用資源和控制環境污染的關鍵步驟。

伴隨著化工行業的快速發展,分離技術也獲得了高速的發展。一方面,對傳統分離技術的研究和應用不斷進步,分離效率提高,處理能力加大,工程放大問題逐步得到解決,新型分離裝置不斷出現;另一方面,為了適應技術進步提出了新的分離要求,膜分離技術、超臨界萃取技術、吸附技術等現有分離技術的開發、研究和應用已成為分離工程研究的前沿課題。

1 膜分離技術

以膜為分離介質實現混合物的分離是一種新型分離技術。膜是指兩相之間的一個不連續的界面,膜可分為氣相、液相、固相或它們的組合,通常是固膜（聚合物膜或無機材料膜）和液膜（乳化液膜或支撐液膜）。膜分離過程是利用不同的膜的特定選擇滲透性能,在不同的推動力（壓力、電場、濃度差等)作用下實現混合物分離的過程。膜分離工程可分為微濾、超濾、反滲析、電滲析、氣體滲透、滲透汽化和液膜分離等類型。由于膜分離過程操作條件較為溫和,效率高,能耗低,已在高新科技和國民經濟各部門得到應用。

根據分子或粒子的大小進行分離的超濾和微濾膜過程,使用對稱或非對稱固膜,已用于生物、環境等高新技術部門。非對稱超濾膜的研制得益于材料科學的發展,常用的非對稱超濾膜有纖維類、聚砜類、聚碳酸酯類、聚偏氟乙烯類、交聯聚乙烯醇和丙烯腈/氯乙烯共聚物等。在醫藥工業中超濾用于制劑水的除菌和除熱源;在酶和蛋白質大分子生產中,用于產品的分離提取。食品工業是應用膜分離技術最多的行業,乳制品生產中乳品的濃縮、果汁和酒的生產中產品的精制等廣泛使用超濾。在環保過程中,如汽車制造業的電泳涂料清洗用水的處理、含油廢水的處理、合成纖維生產中含乙烯醇廢水的處理,造紙工業中紙漿廢水處理均可使用超濾。根據離子在固膜中的遷移速率和滲透壓進行分離的反滲透過程,在膜分離領域有著重要地位。常用的反滲透膜是各類纖維素膜、聚酰胺膜和聚砜膜,均已實現商品化。將反滲透技術用于海水和苦咸水淡化,可使其一次達到飲用水的標準。反滲透技術還用于醫藥和微電子工業中無菌純水的制造等過程。

根據分壓差為推動力進行氣體滲透分離膜過程,也已在近20多年中實現了工業化應用。從合成氨弛放氣和石油煉廠氣中提氫,已得到了較大范圍的推廣,取得了可觀的經濟效益。用膜法富氧技術可得到含氧40%的含氧空氣。氣體滲透分離還用于天然氣凈化、天然氣提氦、甲烷/二氧化碳分離等領域。

膜分離技術具有許多優點,是一種較理想的分離手段,但在應用中還存在一定的問題。在操作過程中,膜面易受污染,形成附著層,使膜的性能降低,降低膜的透水率,形成濃差極化現象。為了減少濃差極化,常采用錯流流程,即過濾液主體水平流過膜面,而過濾液是垂直通過膜面。此外,在膜分離技術中容易遇到膜污染問題,即膜的透水量隨運行時間延長而下降。因此需采用一定的方法對膜面或膜內的污染物進行清洗,以使透水量得到提高。常用的清洗方法是高流速水清洗和用化學清洗劑對膜進行清洗。膜分離雖然原理簡單,在生物化工領域廣泛應用,但由于生物化工產品種類繁多、性質各異,對膜分離會產生不同的影響,如吸附會使膜孔堵塞等,所以要想很好地利用膜分離技術,必須針對具體過程研究開發各種防止膜性能降低的裝置并探討有效的操作方法。

2 超臨界萃取技術

超臨界流體萃取（Super Critical Fluid Extraction)的原理是在超臨界狀態下,將超臨界流體與待萃取的物質接觸,利用超臨界流體（SCF）的高滲透性、高擴散性和高溶解能力,對萃取物中的目標組分進行選擇性提取,然后借助減壓、升溫的方法,使SCF變為普通氣體,被萃取物質則基本或完全排出,從而達到分離提純的目的。超臨界流體與萃出物即溶質的分離方法有3種:恒溫減壓溶質與氣體分離;恒壓升溫溶質與氣體分離;吸附分離（在分離器中加入吸附劑吸附不需要的溶質后,萃取物的目標產物與氣體分離)。

影響萃取效率的因素除萃取物的特性外,主要決定于超臨界流體的溫度、壓力及改性劑的種類和含量。一般而言,增大壓力可提高SCF的濃度,有利于萃取;升高溫度可提高溶質的溶解度,有利于溶質的擴散。對于動態萃取,SCF流量的增大,萃取率則提高;對于靜態萃取,則萃取率隨時間的延長而提高。

超臨界流體技術具有許多傳統技術所沒有的快速、高效、低能耗、污染少等優點,而且超臨界流體無毒、不易燃、不污染環境。與傳統提取方法相比,超臨界流體萃取法最大的優點是可以在近常溫的條件下提取分離,有利于熱敏性物質和易氧化物質的萃取,而且幾乎保留產品中全部有效成分,產物沒有有機溶劑殘留,產品純度高,操作簡單、節能。因此,在化工、醫藥、香料食品及能源工業等領域都得到工業化應用。

3 新型吸附技術

新型吸附技術,如模擬移動床、變壓吸附、層析、擴張床等新分離方法在研究開發的基礎上,將在工業中發揮較大的作用。

3.1 變壓吸附

固體吸附劑對不同的氣體組分具有一定的吸附選擇性且平衡吸附量隨組分分壓升高而增加,利用此特性進行加壓吸附、減壓脫附實現混合物的分離。變壓吸附一般是常溫操作,循環周期短,易于實現自動化。變壓吸附在工業生產的應用迅速增長,目前的應用領域有:空氣干燥,氫的純化（可生產純度高達99.999%的H2）,從含有支鏈異構體和環烴的混合物中分離正構烷烴,空氣分離等。變壓吸附已應用于煉鋼、有色金屬冶煉、材料、醫藥、環保、惰性氣體保護、食品保鮮等各方面。

3.2 層析

在層析分離中,親固定相的分子在體系中移動較慢,而親流動相的分子則較快地流出體系,從而實現了不同物質之間的分離。按兩相相互作用的原理不同,可以分為吸附層析、離子交換層析、疏水作用層析、親和層析、固定化金屬離子親和層析、凝膠過濾層析等不同的過程。層析是分離能力很強的技術,在工業上用于一些分離純化要求很高的過程,如生物活性物質的提取、天然動、植物資源中有效成分的提取、重稀土金屬的分離。在生物技術產品的分離提取過程中,層析是一種特別重要的手段。

3.3 擴張床吸附技術

通常的生物產品的分離純化過程包括發酵液預處理、固液分離、分離、純化、產品加工等步驟,操作復雜、處理時間長,造成提取過程收率低、分離成本高。其中,當料液中顆粒小、料液黏度高時對料液的固液分離是一個很困難的過程,處理不當容易造成生物活性物質的失活。與固定床吸附不同,擴張床在吸附操作時其床層處于膨松的亞流化狀態,同時又保持了較低的返混,因而可以處理含較多顆粒的“臟”料液,如發酵液等,并達到良好的分離效果;在脫附時則反向以固定床方式進行。擴張床吸附將固液分離、吸附分離和濃縮集中成為一個操作過程,簡化了分離工藝,提高了產品回收率,是一項應用前景廣闊的生化分離新技術。目前,擴張床技術已成功地應用于基因過程的人工血清蛋白的分離。

3.4 吸附樹脂（Colophony Adsorption)

吸附樹脂（Colophony Adsorption）是一種人工合成的具有多孔網狀結構和表面活性的材料,是在離子交換劑和其他吸附劑應用基礎上發展起來的一類新型樹脂。樹脂吸附的原理是利用吸附樹脂和被吸附分子（吸附質）之間的范德華引力,通過它巨大的比表面而進行物理吸附的。主要通過調節交聯度、單體種類和選擇適宜的制孔劑等來調節控制樹脂的孔容、孔徑、孔型、孔徑分布、比表面等達到選擇性吸附某種物質的目的。吸附樹脂可以從水溶液、混合有機溶液或混合氣體中選擇吸附凈化各種有機化合物,具有高效節能、操作工藝簡單、經濟效益好等優點。樹脂吸附技術已應用于制藥及天然植物中活性成分如皂甙、黃酮、內脂、生物堿等大分子化合物的提取分離;苯、氯苯、苯酚、苯胺、水楊酸、萘磺酚等苯環結構的有機物的吸附與回收等。

4 微波萃取

微波萃取（Microwave Extraction）的基本原理是微波直接與被分離物作用,微波的激活作用導致樣品基體內不同成分的反應差異使被萃取物與基體快速分離,進入溶劑中。微波萃取時,不同的基體所使用的溶劑不同。影響微波萃取的主要因素是萃取溶劑、萃取時間、萃取溫度以及試樣中水分或濕度。

微波萃取的特點有如下幾方面:①選擇性。極性較大的分子可獲得較多的微波能,因而運動速度較快,利用這一性質可選擇性地提取一些極性成分。②快速。被加熱的樣品往往放在微波透明且為熱的不良導體的容器中,所以微波不需要加熱容器而直接加熱樣品,使樣品迅速升溫。③加熱均勻。若微波場是均勻的,樣品受熱也是均勻的。④高效。微波萃取具有設備簡單、使用范圍廣、萃取效率高、重現性好、節省時間、節省試劑、污染小的優點,在中藥和天然香料提取分離中得到應用。

5 耦合分離技術

近年來,諸如催化劑精餾、膜精餾、吸附精餾、反應萃取、絡合吸附、反膠團、膜萃取、發酵萃取、化學吸收和電泳萃取等新型耦合分離技術得到了長足的發展,并成功地應用于生產。它們綜合了兩種分離技術的優點,具有獨到之處。催化精餾在MTBE等工藝中的成功應用和反應萃取在己內酰胺工藝中的成功應用充分說明了這類新方法具有簡化流程、提高收率和降低消耗的突出優點。耦合分離技術還可以解決許多傳統的分離技術難以完成的任務,因而在生物工程、制藥和新材料等高新技術領域有著廣闊的應用前景。如發酵萃取和電泳萃取在生物制品分離方面得到了成功的應用。采用吸附樹脂和有機絡合劑的絡合吸附具有分離效率高和解析再生容易的特點。電動耦合色譜可高效地分離維生素。CO2超臨界萃取和納米過濾耦合可提取貴重的天然產品等。由于耦合分離技術往往比較復雜,設計放大比較困難,因此也推動了化工數學模型和設計方法的研究。

在新世紀到來之際,分離工程的發展面臨著巨大的挑戰與機遇,隨著科學技術的進步,在從事分離工程研究與開發的科技工作者的努力下,本學科將為化學工業和相關工業的技術進步做出重大的貢獻。

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Development of New Separation Technology

REN Li-peng1and HOU Xia2
(1.Lanzhou Petrochemical Company Wastewater Treatment Plant,Lanzhou 7300602,China;2.Department of Applied Chemical Engineering,Lanzhou Petrochemical College of Vocational Technology,730060，China)

The principle,present status and development trend of some separation technologies are introduced,such as the membrane separation technology,supercritical fluid extraction technology,the new adsorption technology,microwave extraction and coupling separation,etc.

Membrane separation technology;supercritical fluid extraction technology;the new adsorption technology;microwave extraction;coupling separation

T Q028

A

1001-0017（2012）06-0077-03

2012-03-21

任立鵬（1974-），男，博士，主要從事石油化工、物流工程及環境保護的研究與開發。