新型分离技术在化工生产中的应用

新型分离技术在化工生产中的应用摘要：本文主要介绍了膜分离技术、超临界萃取技术、分子蒸馏技术、耦合分离的技术原理及应用关键词：化工分离、分离工程、膜分离、萃取、吸附分离引言：化工分离技术是化学工程的一个重要分支, 任何化工生产过程都离不开这种技术，原料的精制、中间产物以及产品的分离提纯、废气废水的处理等等，都离不开化工分离技术。化工分离技术应用领域广泛、分离要求多种多样，这就决定了分离技术的多样性。精馏、萃取、吸收、吸附等都是传统的化工分离技术，无论是技术还是应用方面都发展得很成熟。然而，随着基础工业和高科技的发展，分离技术越来越面临着新的挑战：石油、天然气、煤炭等资源的不可再生要求分离过程必须充分得利用资源，降低能耗；迅速发展的生物医药工程对产品纯度、活性等指标的限制对分离技术提出了更高的要求；由环境保护意识的增强提出的各种废弃物排放限制越来越严格也给分离技术带来了难题；此外新材料的开发、食品工业和天然资源综合利用等领域的迅速发展也对分离技术提出了更高的要求。所有这些需求都推动了人们对新型化工分离技术的探索。正文：国内外对分离技术的发展十分重视，但由于应用领域十分广泛，原料、产品和对分离操作的要求多种多样，这就决定了分离技术的多样性。按机理划分，可大致分为五类，即：生成新相以进行分离（如蒸馏、结晶）；加入新相进行分离（如萃取、吸收）；用隔离物进行分离（如膜分离）；用固体试剂进行分离（如吸附、离子交换）和用外力场或梯度进行分离（如离心萃取分离、电泳）等。现在运用较多且有很大发展前景的新型分离技术有超临界流体萃取技术、分子蒸馏技术和膜分离技术。1超临界流体萃取技术及其应用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。超临界流体具有一系列重要的性质：1）超临界流体相当粘稠，其密度接近于液体，具有较大的溶解能力；2）超临界流体的扩散系数比液体大23个数量级，其粘度类似于气体，远小于液体。这对于分离过程的传质极为有利，缩短了相平衡所需时间，大大提高了分离效率，是高效传质的理想介质；3）具有不同寻常的、巨大的压缩性，使得压力的微小变化将会引起流体密度和介电常数的很大变化。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。相对于传统提取分离方法（煎煮、醇沉、蒸发浓缩等）具有以下优点：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。1.1 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，使革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，同时它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。1.2 超临界流体技术之应用1）中药制药中药有效成分、有效部位的提取。利用超临界二氧化碳萃取技术来提取丹参、干姜、木香、姜黄、莪术、牡丹皮等中药中的有效成分，一步即可取得，含量一般可达50%，最高可达90%。中药新药的生产。柴芩菊感冒胶囊、口疮泰软胶囊等都是以多种中药材为组成成分，通过超临界二氧化碳萃取技术萃取而获得。中药的二次开发或浓缩回收。超临界二氧化碳萃取分离改良复方丹参片、心痛宁滴丸的分离技术，使得药品有效率明显提高。2）农产品加工由于超临界流体萃取技术在农产品加工中的应用日益广泛，已开始进行工业化规模的生产。例如：原西德、美国等国的咖啡厂用该技术进行脱咖啡因；澳大利亚等国用该技术萃取啤酒花浸膏；欧洲一些公司也用该技术从植物中萃取香精油等风味物质，从各种动物油中萃取各种脂肪酸，从奶油和鸡蛋中去除胆固醇，从天然产物中萃取药用有效成分等等。迄今为止，超临界二氧化碳萃取技术在农产品加工中的应用及研究主要集中在五大方面：第一，农产品风味成分的萃取，如香辛料、果皮、鲜花中的精油、呈味物质的提取；第二，动植物油的萃取分离，如花生油、菜籽油、棕橱油等的提取；第三，农产品中某些特定成分的萃取，如沙棘中沙棘油、月见草中(一亚麻酸、牛奶中胆固醇、咖啡豆中咖啡碱的提取；第四，农产品脱色脱臭脱苦，如辣椒红色素的提取、羊肉嬗味物质的提取、柑桔汁的脱苦等；第五，农产品灭菌防腐方面的研究。2分子蒸馏技术分子蒸馏是一种特殊的液-液分离技术，在极高真空下操作。它是根据不同物质其分子运动有不同的平均自由程这一物理特性而达到分离的目的，因而能使液体在低于其沸点的温度下将其分离，特别适用于高沸点、热敏性及易氧化物系的分离。由于其具有蒸馏温度低于物料的沸点、蒸馏压强低、受热时间短、分离程度高等特点，因而能大大降低高沸点物料的分离成本，极好地保护了热敏物料的品质。与常规蒸馏相比，具有明显地优点：分离程度比常规蒸馏的高，蒸馏压强极低，蒸发温度低，受热时间短等。2.1 分子蒸馏技术的主要特点1）分子蒸馏是在远低于沸点的温度下进行操作的；2）分子蒸馏是在很低的压强下进行操作，一般为10-1Pa数量级(10-3托数量级)，可使物料避免氧化受损；3）物料受热时间短，避免了因受热时间长造成某些组分分解或聚合的可能；4）分子蒸馏的分离程度更高，能分离常规蒸馏不易分开的物质；5）无毒、无害、无污染、无残留，可得到纯净安全的产物；6）可进行多级分子蒸馏，适用于较为复杂的混合物的分离提纯，产率较高；7）特别适合于不同组分分子平均自由程相差较大的混合物的分离；8）更适用与对热敏感、产物附加值高的粘性物料；9）可与超临界流体技术和膜分离技术等配合配套使用。2.2 分子蒸馏技术之应用分子蒸馏技术主要在农产品加工中应用广泛，且工艺日趋成熟。1）天然维生素E的浓缩精制为避免植物油加工过程中维生素E的损失，通常采用直接提取法，即脱胶、脱酸后进行分子蒸馏，制得的浓缩物可以达到药典指标。对油脂脱臭馏出物中的天然维生素E的进行浓缩精制，成品有机农药残留很低，安全f生和氧化稳定性提高，成品附加值很高。2）高碳脂肪醇的精制二十八烷醇等高碳脂肪醇因对人体具有众多生理活性而倍受人瞩目，若应用分子蒸馏精制，可有效地避免溶剂残留，工艺过程简单，操作安全可靠，自动化程度高。3）风味物质的获取分子蒸馏技术尤其适用于易挥发的风味物质。目前已经成功地应用涂膜式分子蒸馏技术和降膜式分子蒸馏技术从果汁、山核桃、奶酪、扇贝及调味大料油等香辛料中分离获取了香气成分，分离出的香气浓缩物还原性好。4）DHA和EPA的富集根据EPA和DHA的沸点高低不同，运用分子蒸馏法分离富集。分离脂肪酸甲酯和乙酯的效果比分离脂肪酸的效果更好。5）食用植物油的提取运用分子蒸馏技术从葵花籽、红花籽、黄豆、花生、麦胚、棕榈、苏籽、鳄梨、可可豆等中提取的食用植物油脂，话性成分含量高，氧化稳定性强，磷含量低，着色度低，无臭味，回收率高，且不存在溶剂萃取法的溶剂分离回收问题。6）胡萝h素的回收红棕榈油中含有0昕的胡萝卜素，将红棕榈油在低温下用甲醇甲酯化后，用三级分子蒸馏回收胡萝卜素，可获得40以上的天然胡萝卜素，且其质量要优于传统方法得到的胡萝卜素。分子蒸馏技术还可应用于其他食品加工过程，如(一3不饱和脂肪酸的浓缩、牛奶内酯的获取、二聚脂肪酸的制取、米糠中有效成分的分离等。3膜分离技术膜分离技术是人们掌握的最节能的物质分离和浓缩技术之一。近二十年来发展极其迅速, 已从单独的海水与苦咸水脱盐、纯水及超纯水的制备、工业用水的回用, 逐步拓展到环保、化工、医药、食品等领域中, 发展前景备受关注。 目前工业化的膜技术主要有微滤、超滤、纳滤、电渗析、膜电解、气体分离等。微滤主要从气相和液相物质中截留微米及亚微米的细小悬浮物、微生物、微粒、细菌等, 以达到净化和浓缩的目的。膜孔径大约0.1m，其分离的实质是利用膜的“筛分”功能，通过颗粒的机械截留、颗粒间的相互作用、颗粒与膜表面的吸附、颗粒间的桥梁作用实现分离。超滤主要用于分离液相物质中诸如蛋白质、核酸聚合物、淀粉等大分子化合物、胶体分散液和乳液等。膜孔径在10-100nm，其分离机理一般认为是压力驱动的筛孔分离过程。纳滤膜能对小分子有机物等与水、无机盐进行分离，实现脱盐与浓缩的同时进行，是一种介于反渗透和超滤之间的压力驱动膜分离过程。膜孔径在1-10nm，纳滤膜的分离机理模型目前的看法有：空间位阻-孔道模型，溶解扩散模型、空间扩散模型、空间电荷模型、固定电荷模型。反渗透广泛应用于医药、电子、化工、食品、海水淡化等诸多行业，产水质量高，运行成本低、无污染、操作方便、运行可靠，是现代工业中水处理的首选技术。反渗透又“高滤”，膜孔径小于1nm，其过滤实质是利用反渗透膜具有选择透过溶剂而截留离子物质的性质，分离过程以静压差为推动力。目前膜分离技术在许多方面得到广泛应用，而且在某些方面应用得还比较成熟。在对产品质量要求不断提高、生产成本要求不断降低的今天，膜技术的优势越来越明显, 其必将取代传统的低效分离技术。但膜分离技术的大量应用毕竟是近几十年开始的，许多方面还不成熟， 还有待进一步深人的研究，目前还存在诸如选择性问题、通量稳定性问题和产值问题。4耦合分离技术将 两种或多种不同的单元操作耦合或结合在一起并用于分离的过程的方法，即为耦合分离技术。近年来诸如催化剂精馏、膜精馏、吸附精馏、反应萃取、络合吸附、反胶团、膜萃取、发酵萃取、化学吸收和电泳萃取等新型耦合分离技术不断发展, 并成功地应用于生产。 总结目前，各新型分离技术日新月异，已逐步走向工业化，并在中药制药、农产品加工、环境治理与保护等多领域的综合技术。由于受工艺技术和仪器发展水平的限制，我国对这些技术的应用研究还只是刚刚起步，要赶上国际先进水平还有待于进一步的努力。参考文献1 费维扬，陈健. 特大型化工分离技术面临的机遇和挑战. 2005年全国塔器及塔内件技术研讨会. 2005. 中国浙江杭州.2 费维扬,王德华,尹晔东. 化工分离技术的若干新进展. 化学工程, 2002(01):63-66+5.3 任立鹏,侯侠. 化工分离技术的