化工分离技术的发展

任立鹏1， 侯 侠2

（1.兰州石化公司 污水处理厂，甘肃 兰州730060；2.兰州石化职业技术学院 应用化学工程系，甘肃 兰州730060）

化工分离技术的发展

任立鹏1， 侯 侠2

（1.兰州石化公司 污水处理厂，甘肃 兰州730060；2.兰州石化职业技术学院 应用化学工程系，甘肃 兰州730060）

主要介绍了膜分离技术、超临界萃取技术、新型吸附技术、微波萃取、耦合分离技术的原理、现状及发展趋势。

膜分离技术；超临界萃取技术；新型吸附技术；微波萃取；耦合分离

前 言

化工分离技术是化学工程的一个重要分支,无论是石油炼制、塑料化纤、湿法冶金、同位素分离,还是生物制品的精制、纳米材料的制备、烟道气的脱硫和化肥农药的生产等等都离不开化工分离技术。化工生产中的原料和产物绝大多数都是混合物,需要利用体系中各组分物性的差别或借助于分离剂使混合物得到分离提纯。它往往是获得合格产品、充分利用资源和控制环境污染的关键步骤。

伴随着化工行业的快速发展,分离技术也获得了高速的发展。一方面,对传统分离技术的研究和应用不断进步,分离效率提高,处理能力加大,工程放大问题逐步得到解决,新型分离装置不断出现;另一方面,为了适应技术进步提出了新的分离要求,膜分离技术、超临界萃取技术、吸附技术等现有分离技术的开发、研究和应用已成为分离工程研究的前沿课题。

1 膜分离技术

以膜为分离介质实现混合物的分离是一种新型分离技术。膜是指两相之间的一个不连续的界面,膜可分为气相、液相、固相或它们的组合,通常是固膜（聚合物膜或无机材料膜）和液膜（乳化液膜或支撑液膜）。膜分离过程是利用不同的膜的特定选择渗透性能,在不同的推动力（压力、电场、浓度差等)作用下实现混合物分离的过程。膜分离工程可分为微滤、超滤、反渗析、电渗析、气体渗透、渗透汽化和液膜分离等类型。由于膜分离过程操作条件较为温和,效率高,能耗低,已在高新科技和国民经济各部门得到应用。

根据分子或粒子的大小进行分离的超滤和微滤膜过程,使用对称或非对称固膜,已用于生物、环境等高新技术部门。非对称超滤膜的研制得益于材料科学的发展,常用的非对称超滤膜有纤维类、聚砜类、聚碳酸酯类、聚偏氟乙烯类、交联聚乙烯醇和丙烯腈/氯乙烯共聚物等。在医药工业中超滤用于制剂水的除菌和除热源;在酶和蛋白质大分子生产中,用于产品的分离提取。食品工业是应用膜分离技术最多的行业,乳制品生产中乳品的浓缩、果汁和酒的生产中产品的精制等广泛使用超滤。在环保过程中,如汽车制造业的电泳涂料清洗用水的处理、含油废水的处理、合成纤维生产中含乙烯醇废水的处理,造纸工业中纸浆废水处理均可使用超滤。根据离子在固膜中的迁移速率和渗透压进行分离的反渗透过程,在膜分离领域有着重要地位。常用的反渗透膜是各类纤维素膜、聚酰胺膜和聚砜膜,均已实现商品化。将反渗透技术用于海水和苦咸水淡化,可使其一次达到饮用水的标准。反渗透技术还用于医药和微电子工业中无菌纯水的制造等过程。

根据分压差为推动力进行气体渗透分离膜过程,也已在近20多年中实现了工业化应用。从合成氨弛放气和石油炼厂气中提氢,已得到了较大范围的推广,取得了可观的经济效益。用膜法富氧技术可得到含氧40%的含氧空气。气体渗透分离还用于天然气净化、天然气提氦、甲烷/二氧化碳分离等领域。

膜分离技术具有许多优点,是一种较理想的分离手段,但在应用中还存在一定的问题。在操作过程中,膜面易受污染,形成附着层,使膜的性能降低,降低膜的透水率,形成浓差极化现象。为了减少浓差极化,常采用错流流程,即过滤液主体水平流过膜面,而过滤液是垂直通过膜面。此外,在膜分离技术中容易遇到膜污染问题,即膜的透水量随运行时间延长而下降。因此需采用一定的方法对膜面或膜内的污染物进行清洗,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学清洗剂对膜进行清洗。膜分离虽然原理简单,在生物化工领域广泛应用,但由于生物化工产品种类繁多、性质各异,对膜分离会产生不同的影响,如吸附会使膜孔堵塞等,所以要想很好地利用膜分离技术,必须针对具体过程研究开发各种防止膜性能降低的装置并探讨有效的操作方法。

2 超临界萃取技术

超临界流体萃取（Super Critical Fluid Extraction)的原理是在超临界状态下,将超临界流体与待萃取的物质接触,利用超临界流体（SCF）的高渗透性、高扩散性和高溶解能力,对萃取物中的目标组分进行选择性提取,然后借助减压、升温的方法,使SCF变为普通气体,被萃取物质则基本或完全排出,从而达到分离提纯的目的。超临界流体与萃出物即溶质的分离方法有3种:恒温减压溶质与气体分离;恒压升温溶质与气体分离;吸附分离（在分离器中加入吸附剂吸附不需要的溶质后,萃取物的目标产物与气体分离)。

影响萃取效率的因素除萃取物的特性外,主要决定于超临界流体的温度、压力及改性剂的种类和含量。一般而言,增大压力可提高SCF的浓度,有利于萃取;升高温度可提高溶质的溶解度,有利于溶质的扩散。对于动态萃取,SCF流量的增大,萃取率则提高;对于静态萃取,则萃取率随时间的延长而提高。

超临界流体技术具有许多传统技术所没有的快速、高效、低能耗、污染少等优点,而且超临界流体无毒、不易燃、不污染环境。与传统提取方法相比,超临界流体萃取法最大的优点是可以在近常温的条件下提取分离,有利于热敏性物质和易氧化物质的萃取,而且几乎保留产品中全部有效成分,产物没有有机溶剂残留,产品纯度高,操作简单、节能。因此,在化工、医药、香料食品及能源工业等领域都得到工业化应用。

3 新型吸附技术

新型吸附技术,如模拟移动床、变压吸附、层析、扩张床等新分离方法在研究开发的基础上,将在工业中发挥较大的作用。

3.1 变压吸附

固体吸附剂对不同的气体组分具有一定的吸附选择性且平衡吸附量随组分分压升高而增加,利用此特性进行加压吸附、减压脱附实现混合物的分离。变压吸附一般是常温操作,循环周期短,易于实现自动化。变压吸附在工业生产的应用迅速增长,目前的应用领域有:空气干燥,氢的纯化（可生产纯度高达99.999%的H2）,从含有支链异构体和环烃的混合物中分离正构烷烃,空气分离等。变压吸附已应用于炼钢、有色金属冶炼、材料、医药、环保、惰性气体保护、食品保鲜等各方面。

3.2 层析

在层析分离中,亲固定相的分子在体系中移动较慢,而亲流动相的分子则较快地流出体系,从而实现了不同物质之间的分离。按两相相互作用的原理不同,可以分为吸附层析、离子交换层析、疏水作用层析、亲和层析、固定化金属离子亲和层析、凝胶过滤层析等不同的过程。层析是分离能力很强的技术,在工业上用于一些分离纯化要求很高的过程,如生物活性物质的提取、天然动、植物资源中有效成分的提取、重稀土金属的分离。在生物技术产品的分离提取过程中,层析是一种特别重要的手段。

3.3 扩张床吸附技术

通常的生物产品的分离纯化过程包括发酵液预处理、固液分离、分离、纯化、产品加工等步骤,操作复杂、处理时间长,造成提取过程收率低、分离成本高。其中,当料液中颗粒小、料液黏度高时对料液的固液分离是一个很困难的过程,处理不当容易造成生物活性物质的失活。与固定床吸附不同,扩张床在吸附操作时其床层处于膨松的亚流化状态,同时又保持了较低的返混,因而可以处理含较多颗粒的“脏”料液,如发酵液等,并达到良好的分离效果;在脱附时则反向以固定床方式进行。扩张床吸附将固液分离、吸附分离和浓缩集中成为一个操作过程,简化了分离工艺,提高了产品回收率,是一项应用前景广阔的生化分离新技术。目前,扩张床技术已成功地应用于基因过程的人工血清蛋白的分离。

3.4 吸附树脂（Colophony Adsorption)

吸附树脂（Colophony Adsorption）是一种人工合成的具有多孔网状结构和表面活性的材料,是在离子交换剂和其他吸附剂应用基础上发展起来的一类新型树脂。树脂吸附的原理是利用吸附树脂和被吸附分子（吸附质）之间的范德华引力,通过它巨大的比表面而进行物理吸附的。主要通过调节交联度、单体种类和选择适宜的制孔剂等来调节控制树脂的孔容、孔径、孔型、孔径分布、比表面等达到选择性吸附某种物质的目的。吸附树脂可以从水溶液、混合有机溶液或混合气体中选择吸附净化各种有机化合物,具有高效节能、操作工艺简单、经济效益好等优点。树脂吸附技术已应用于制药及天然植物中活性成分如皂甙、黄酮、内脂、生物碱等大分子化合物的提取分离;苯、氯苯、苯酚、苯胺、水杨酸、萘磺酚等苯环结构的有机物的吸附与回收等。

4 微波萃取

微波萃取（Microwave Extraction）的基本原理是微波直接与被分离物作用,微波的激活作用导致样品基体内不同成分的反应差异使被萃取物与基体快速分离,进入溶剂中。微波萃取时,不同的基体所使用的溶剂不同。影响微波萃取的主要因素是萃取溶剂、萃取时间、萃取温度以及试样中水分或湿度。

微波萃取的特点有如下几方面:①选择性。极性较大的分子可获得较多的微波能,因而运动速度较快,利用这一性质可选择性地提取一些极性成分。②快速。被加热的样品往往放在微波透明且为热的不良导体的容器中,所以微波不需要加热容器而直接加热样品,使样品迅速升温。③加热均匀。若微波场是均匀的,样品受热也是均匀的。④高效。微波萃取具有设备简单、使用范围广、萃取效率高、重现性好、节省时间、节省试剂、污染小的优点,在中药和天然香料提取分离中得到应用。

5 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得到了长足的发展,并成功地应用于生产。它们综合了两种分离技术的优点,具有独到之处。催化精馏在MTBE等工艺中的成功应用和反应萃取在己内酰胺工艺中的成功应用充分说明了这类新方法具有简化流程、提高收率和降低消耗的突出优点。耦合分离技术还可以解决许多传统的分离技术难以完成的任务,因而在生物工程、制药和新材料等高新技术领域有着广阔的应用前景。如发酵萃取和电泳萃取在生物制品分离方面得到了成功的应用。采用吸附树脂和有机络合剂的络合吸附具有分离效率高和解析再生容易的特点。电动耦合色谱可高效地分离维生素。CO2超临界萃取和纳米过滤耦合可提取贵重的天然产品等。由于耦合分离技术往往比较复杂,设计放大比较困难,因此也推动了化工数学模型和设计方法的研究。

在新世纪到来之际,分离工程的发展面临着巨大的挑战与机遇,随着科学技术的进步,在从事分离工程研究与开发的科技工作者的努力下,本学科将为化学工业和相关工业的技术进步做出重大的贡献。

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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

任立鹏（1974-），男，博士，主要从事石油化工、物流工程及环境保护的研究与开发。