新型分离技术的应用及研究现状

SerialNo.461September.2007

矿 业 快 报

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OFMININGINDUSTRY

总第461期

2007年9月第9期

新型分离技术的应用及研究现状

王中海 罗小苟 刘 亮 张晓晖 黄向阳

(江西理工大学)

摘 要:对分子蒸馏、新型萃取分离、新型生物膜法、膜分离等新型分离技术的应用和研究现状进行了的阐述

关键词:分子蒸馏技术;新型萃取分离技术;新型生物膜法;膜分离技术

中图分类号:TD925.9 文献标识码:A 文章编号:1009-5683(2007)09-0027-04

PresentSituationofApplicationandResearchonNewSeparationTechnologyWangZhonghai LuoXiaogou LiuLiang ZhangXiaohui HuangXiangyang

(JiangxiUniversityofScienceandTechnology)

Abstract:Anexpositionwasmadeonpresentsituationofapplicationandresearchonfournewsepa-rationtechnologies,suchasmoleculedistillationtechnology,newextractionseparationtechnology,newbiologicalmembranemethodandmembraneseparationtechnology.Keywords:Moleculedistillationtechnology;Newextractionseparationtechnology;Newbiologicalmembranemethod;Membraneseparationtechnology 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。下面对分子蒸馏技术、新型萃取分离技术、新型生物膜法、膜分离技术的应用和研究现状进行阐述。

1 分子蒸馏技术

分子蒸馏技术是运用不同物质分子运动自由行程的差别而实现物质的分离,因而能够实现远离沸点下的操作。鉴于其在高真空下运行,且因其特殊的结构型式,因而具备蒸馏压强低、受热时间短、分离程度高等特点,能大大降低高沸点物料的分离成本,极好地保护热敏性物质的品质。该项技术已广泛应用于高纯物质的提取,特别适用于天然物质的提取与分离。

分子蒸馏技术作为一种新型、有效的分离手段,

王中海(1981-),男,汉,山西平遥人,研究生,341000江西省

自20世纪30年代出现以来,得到了世界各国的重视。至20世纪60年代,已成功地应用于从鱼肝油中提取维生素A的工业化生产,至今美、日、德、苏(前)等发达国家相继设计制造出多套工业化分子蒸馏装置。据调查,国外已用于100多个产品品种的生产。

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。

北京化工大学从9O年代初开始对分子蒸馏技术进行开发研究,从小试、中试至工业规模化生产,已先后建立精制鱼油(DHA+EPA提取)、±-亚麻酸、天然维生素E等多个产品的生产厂,产品均已投放市场。并于1998年获国家石化局科技进步一等奖,同时,被国家科技部推荐为/九五重大推广项目0

[1]

。

目前,北京化工大学已应用分子蒸馏技术开发出可工业化应用项目20余项。实践证明,该项技术不但科技含量高,应用范围广,而且是一项工业化应用前景十分广阔的高新技术。2 新型萃取分离技术

赣州市。

总第461期 矿业快报 2007年9月第9期2.1 双水相萃取

双水相萃取技术目前仍不是十分成熟,在其运

[2~4]

用中存在一定的问题,成相聚合物价格昂贵是阻碍该技术应用于工业生产的主要因素。葡聚糖价格很高,用粗品代替精制品又会造成葡聚糖相粘度太高,使分离困难。PEG并不是双水相体系最适合的聚合物,磷酸盐又会带来环境问题,故开发新的聚合物是该技术应用急需解决的问题,Nisson等人

[5]

光谱(FTIR)、电感耦合等离子体质谱仪(ICP-M5)及拉曼光谱仪联用的情况也有报道。SPME正朝着多样化、仪器化、标准化的方向发展。2.5 微波萃取

微波萃取技术(microwave-ass1stedExtractionTechnique)是指使用微波及合适的溶剂在微波反应器中,从各种物质中提取各种化学成分的技术和方法。

与传统的萃取技术、样品制备技术相比较,微波萃取技术具有以下特点:质量高、产量大、对萃取物料具有较高的选择性,反应或萃取快、能耗低、安全、无污染。但到目前为止,其研究处于初期阶段。萃取机理论上还有待于深一步地研究。鉴于微波能对萃取过程中传质传热的促进作用,将其应用于生物成分的提取和浓缩必然会产生很好的效果。同时,如果能在仪器设计上实现突破,使微波萃取像超临界流体萃取那样与检测仪器实现在线联机,则该方法将会得到进一步发展。2.6 超临界萃取

超临界流体萃取(supercriticalfluidextraction,SFE)是新型的提取技术,它以超临界条件下的气体作为萃取剂,从液体或固体中萃取出某些成分并进行分离。

SFE技术已走出实验室进入规模化生产阶段,萃取产品种类不断涌现。但大规模应用于工业生产,还需研究SFE的热力学特性和传质规律,建立萃取系统的动态传质模型,以预测并且要进一步探讨萃取机理,开发萃取工艺,特别是探讨溶剂、物料性质对萃取过程及对食品物料大分子以提高萃取率和产品度

[12]

利用改性淀粉代替dextran取得了比较好的结果。2.2 凝胶萃取

凝胶萃取(GelExtraction)是Cussler等在1984年首次提出的分离技术,它利用凝胶在溶剂中溶胀特性和凝胶网络对大分子、微粒等的排斥作用达到溶液浓缩分离的目的。该技术与其它分离方法相比设备简单、能耗低,所用的凝胶再生简单,有着良好的应用前景

[6~8]

。凝胶萃取根据凝胶在发生相变

时,外界条件的不同,可以分为温敏型、酸敏型和电

[9]

敏型。

凝胶萃取,不论其是温敏、酸敏或电敏型,均可能成为取代超滤或蒸发浓缩高分子溶液的新分离技术,尤其是电敏凝胶,具有快速、简便和无污染的特点,很有可能更快的获得工业应用

[10]

,但凝胶本身

的性质由很多种因素确定,但主要的影响因素则是凝胶的离子度和浓度。对凝胶胀缩机理目前有两种不同的解释,其确切的阐述还需要进一步试验研究。2.3 反胶团萃取技术

为使许多高附加值生物工程产品实现大规模产业化生产,急需开发从发酵液或细胞培养液中连续提取目的产物的分离技术,以减少对产品生物活性的影响,并保证产品的纯度。一种新的生化分离技术-反胶团萃取方法,它具有成本低、选择性高、操作方便、放大容易、萃取剂(反胶团相)可循环利用、蛋白质不易变性等优点,在蛋白质混和物的分离、A-淀粉酶的浓缩、细胞内醇的直接提取、蛋白质的复性、从植物中同时提取油和蛋白质等方面有着重要的应用。随着研究的不断深入,相信该分离方法为人类提供生化产品已为时不远了,并较之其他的分离方法有更大的优越性和经济合理性。2.4 固相微萃取

[11]

。目前,应用于工业生产的萃取设备还

未实现规范化,配套性也不尽合理。对此,应以传递

模型为基础,建立设备放大的数学模型,以便工业设计,同时还应降低设备成本、以便利于推广。2.7 液膜萃取

液膜萃取法(1iquidmembranceextraction)是一种以液膜为分离介质、以溶度差为推动力的膜分离操作。

经过30多年的发展,液膜萃取在机理探讨和应用研究方面都有很大的进展。但是液膜萃取过程中的不同相之间可能存在相互渗透,大面积支撑液膜的形成与支撑液体的流失等问题难以解决,到目前为止,液膜稳定性和破乳技术仍然是制约液膜技术工业化的关键因素。因而液膜萃取技术的应用研究大多仍停留在实验室阶段,要达到大规模工业应用

1989年,Belardi与Pawliszyn提出固相微萃取(solidphasemicroextraction,SPME)技术以来,固相萃取作为化学分离和纯化的工具出现了。

近些年来,SPME研究成为一个热点,正在进一步完善,SPME发展与其他仪器,如傅里叶变换红外

王中海 罗小苟等:新型分离技术的应用及研究现状 2007年9月第9期水平还需作大量工作.而且选择好的表面活性剂、提高液膜稳定性、减少液膜的破损也是研究的热点。2.8 膜萃取

膜萃取(Membraneextraction)是膜过程和液-液萃取过程集合形成的一种分离技术,是20世纪80年代初发展起来的。在生物活性物质分离、生物及食品工业、环境保护、石油化工等方面得到广泛的应用。应注意的是,在膜萃取中,由于有机溶剂的作用,常使膜发生溶胀,从而严重影响其传质效率。因此,开发能耐溶胀的膜材料及强化膜的传质是实现

[13]

膜萃取工业化的关键,也是膜萃取研究的热点。3 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,它与好氧层保持一种平衡、稳定关系。好氧层能够保持良好的净化功能,但当缺氧层向厌氧层过渡并逐渐增厚,其增多的代谢产物在向外侧逸出时,必然要穿透好氧层,从而破坏了好氧层生态系的稳定性,使好氧、缺氧、厌氧层之间失去了平衡关系。这样周而复始,生物膜不断衰老脱落更新。因此,必须在其后设置固、液分离设施,使

[14]

处理过的废水与脱落生物膜分离。4 膜分离技术

上世纪上半叶出现了制造滤膜的企业,但膜分离技术的快速发展和工业应用是在60年代以后。在我国,反渗透、超滤和微滤直到80年代末才逐步完成从实验室到工业化的过渡。其主要用途是苦咸水与海水淡化;纯水生产;废水处理;浓缩溶液。微滤、超滤和反渗透都是以压差为推动力使溶剂(水)通过膜的分离过程。分离的物质不同,应选用方法也不同

[15]

[1]

的不同成分进行分离、提纯、浓缩的先进加工技术。根据膜分离过程的不同特征可分为微滤(MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)、反渗透(RO)、渗透蒸发(PV)、渗

析(D)、电渗析(ED)、电去离子技术(EDI)和气体分离(Gs)等过程,膜分离过程的优势特征:

(1)膜分离过程通常在常温下进行,营养成分损失极少,特别适用于热敏性物质,如果汁和酶等的分离、分级、浓缩、提纯与富集,并可保持产品的色、香、味及营养成分。

(2)膜分离过程多数不发生相变化,不用化学试剂和添加剂,无二次污染,能耗低,并具有冷杀菌优势,且分离效率高。

(3)膜分离过程在密闭的系统中进行,被分离原料无色素分解和褐变反应,所以挥发性成分损失极少,可保持原有的芳香。

(4)膜分离过程可在分子级内进行物质分离,适用于许多特殊溶液体系的分离,具有普通滤材无法取代的卓越性能。

(5)膜分离多以压力作为推动力,故分离装置简单,易连续操作自控,维修方便,膜组件可单独使用也可联合使用,工艺简单,容易实现自动化操作和

[16]

高级加工。

4.2 膜分离技术的作用

目前,膜分离技术已广泛应用于化工、轻工、纺织、冶金、石油等行业。2l世纪的膜分离技术除了将在以上行业起重要作用外,还将在以下三个方面发挥作用

[17,18]

。

(1)节能技术。随着膜分离性能的提高以及流程的改进,膜分离的能耗将会进一步减少。

(2)生物技术。与传统的生物产品分离方法相比,膜分离减化了分离过程,降低了成本,提高了质量,膜分离技术在生物技术中主要用于生物反应器、下游产品处理和作为吸附介质。

(3)环境工程。膜分离技术在环境工程特别是工业废水中能实现闭路循环,在消除污染的同时变废为宝,取得更大的经济效益与社会效益。

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

参 考 文 献:

[1] 冯武文等.一种新型分离技术-分子蒸馏技术[J].化工生产与

[19]

。

。

4.1 膜分离特征

膜分离是利用一张特殊制造的、具有选择透过性能的薄膜,在外力推动下对液相或气相混合物内

总第461期 矿业快报 2007年9月第9期

技术,2000,4(7),6~9.

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然科学版),1998,10:60~61.

(收稿日期2007-05-27)

#信息平台#

招金矿业向复星技术购新疆星塔股权

2007年8月23日,山东招金矿业股份公司(1818.HK)公告宣布,与上海复星技术订立协议,将以1986万元,向复星技术收购新疆星塔95%股权。该公司同时与复星技术母公司上海复星订立协议,以105万元收购新疆星塔余下5%股权。以上交易代价均以内部资源拨付。

交易完成后,新疆星塔将成为招金全资附属公司。新疆星塔从事黄金冶炼、加工及销售。截至

2006年12月底,该公司资产净值2000万元,而负债总额为2985.5万元。业内人士指出,招金矿业目前在新疆没有冶炼厂,而星塔是集勘探、开采和矿石加工以及冶炼为一体的综合黄金企业。

金川集团将开发甘肃省内外铜钨等有色金属矿

甘肃省地矿局日前与金川集团公司在兰州签署了合作协议,双方将选定省内外成矿有利区域,合作勘查开发铁、铜、钨、稀土、铌钽。

甘肃秦祁矿业有限责任公司是省地矿局矿产勘

查开发龙头企业。该公司将与金川集团公司在兰州市成立一家矿产资源勘查开发公司,省地矿局以其全权拥有的10个探矿权及其已有的地质资料和前期研究成果作为合作条件,双方合作勘查区块面积

近300km,涉及铁、铜、钨、稀土及铌钽等5个矿种。金川集团公司提供合作公司勘查阶段的全部费用。

甘肃省副省长石军在签约仪式上指出,甘肃省将大力支持国有矿山企业和国有地勘单位加大合作,有关部门要在矿产资源勘查开发中,坚决贯彻国家关于矿产资源开发利用的有关政策,保护国有矿山企业的利益,为国有矿山企业提供可靠的资源保障,支持国有矿山企业实现可持续发展。

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