新化工分离技术的进展

班级：化工0804 姓名：吕智 学号：08110416

化工分离技术的若干新进展

吕智(吉林化工学院 化工系, 吉林)

摘要：分析了化工分离技术的性质并介绍了超临界萃取、色谱分离以及双水相萃取等新型化工分离技术的原来以及特点，根据现有的技术和对化工分离过程的前景加以讨论。

关键词：新型化工分离技术 超临界萃取 色谱分离 双水相萃取 1. 概述

分离过程可分为机械分离和传质分离两大类。机械分离过程的分离对象是由两相以上的所组成的混合物。其目的是简单地将各相加以分离。化工常用的分离方法为传质分离，其特点是有质量传递现象发生。传统的传质分离如精馏、吸收等都已得到广泛应用。化工分离技术在化工生产中具有极其重要的作用，并具有多样性和复杂性的特点。这里介绍几种新型的化工分离技术，展望未来化工分离过程的机遇与挑战。

2. 新型化工分离技术 2.1超临界萃取技术 2.1.1超临界流体萃取的简介

超临界流体萃取(Supercritical

fluidextraction ，简称SFE) 是用超临界条件下的流体作为萃取剂，由液体或固体中萃取出所需成分(或有害成分) 的一种分离方法。超临界流体

(Supercritical fluid ，简称SCF) 是指操作温度超过临界温度和压力超过监界压力状态的流体。在此状态下的流体，具有接近于液体的密度和类似于液体的溶

解能力，同时还具有类似于气体的高扩散性、低粘度、低表面张力等特性。因此SCF 具有良好的溶剂特性，很多固体或液体物质都能被其溶解。常用的SCF 有二氧化碳、乙烯、乙烷、丙烯、丙烷和氨等．其中以二氧化碳最为常用。由于SCF 在溶解能力、传递能力和溶剂回收等方面具有特殊的优点．而且所用溶剂多为无毒气体．避免了常用有机溶剂的污染问题。

2.1.2．超临界萃取原理

超临界流体萃取分离[1]过程是利用超临界流体的溶解能力与其密度的关系，即利用压力和温度对超临界流体溶解能力的影响而进行的。当气体处于超临界状态时，成为性质介于液体和气体之间的单一相态，具有和液体相近的密度，粘度虽高于气体但明显低于液体，扩散系数为液

体的10～100倍；因此对物料有较好的渗透性和较强的溶解能力，能够将物料中某些成分提取出来。

在超临界状态下．将超临界流体与待分离的物质接触，使其有选择性地依次把极性大小、沸点高低和相对分子质量大小的成分萃取出来。并且超临界流体的密度和介电常数随着密闭体系压力的增加而增加，极性增大，利用程序升压可将不同极性的成分进行分步提取。当然，对应各压力范围所得到的萃取物不可能是单一的，但可以通过控制条件得到最佳比例的混合成分．然后借助减压、升温的方法使超临界流体变成普通气相，被萃取物质则自动完全析出或基本析出，从而达到分离提纯的目的，并将萃取分离两过程合为一体，这就是超临界流体萃取分离

的基本原理。

2.1.3．超临界流体萃取的特点

（1）萃取和分离合二为一。当饱含溶解物的二氧化碳超临界流体流经分离器时，由于压力下降使得CO 2与萃取物迅速成为两相(气液分离) 而立即分开，不存在物料的相变过程，不需回收溶剂，操作方便；不仅萃取效率高，而且能耗较少，节约成本。

（2）压力和温度都可以成为调节萃取过程的参数。临界点附近，温度压力的微小变化．都会引起CO 2密度显著变化，从而引起待萃物的溶解度发生变化。可通过控制温度或压力的方法达到萃取目的。压力固定，改变温度可将物质分离；反之温度固定，降低压力使萃取物分离；因此工艺流程短、耗时少。对环境无污染，萃取流体可循环使用，真正实现生产过程绿色化。

（3）萃取温度低．CO 2的临界温度为31.16℃。临界压力为7.38MPa ，可以有效地防止热敏性成分的氧化和逸散，完整保留生物活性，而且能把高沸点、低挥发度、易热解的物质在其沸点温度以下萃取出来。

（4）临界CO 2流体常态下是气体，无毒，与萃取成分分离后，完全没有溶剂的残留，有效地避免了传统提取条件下溶剂毒性的残留。同时也防止了提取过程对人体的毒害和对环境的污染。

（5）超临界流体的极性可以改变，一定温度条件下，只要改变压力或加入适宜的夹带刑，即可提取不同极性的物质，可选择范围广。

2.1.4．超临界萃取流程

利用SCF 的溶解能力随温度或压力改变而连续变化的特点，可将SFE 过程大致分为两

类，即等温变压流程和等压变温流程。前者是使萃取相经过等温减压，后者是使萃取相经过等压升(降) 温、结果都能使SCF 失去对溶质的溶解能力，达到分离溶质与回收溶剂的目的。典型的等温降压超临界萃取流程见图1。将二氧化碳气体压缩升温达到溶解能力最大的状态点1(即SCF 状态) ，然后加到萃取器与被萃取物料接触。由于SCF 有很高的扩散系数，故传质过程很快就达

到平衡。此过程维持压力恒定，则温度自然下降，密度必定增加，到状态点2然后萃取物流进人分离器，进行等温减压分离过程，到状态点3，这时SCF 的溶解能力减弱，溶质从萃取相中析出，SCF 再进人压缩机进行升温加压，回到状态点1，这样只需要不断补充少量溶剂，过程就可以周而复始。

图1 超临界萃取流程

①→②T ↓进料萃取，②→③P ↓分离出料，③→①T ↑P ↑溶剂加

2.2 色谱分离技术 2.2.1色谱分离简介

色谱分离技术又称层析分离技术或色层分离技术，是一种分离复杂混合物中各个组分的有效方法。它是利用不同物质在由固定相和流动相构成的体系中具有不同的分配系数，当两相作相对运动时，这些物质随流动相一起运动，并在两相间进行反复多次的分配，从而使各物质达到分离。它是有机化合物分离、分析的重要方法之一。既可用于分离复杂的混合物，又可以用来定性鉴定，尤其适用于少量物质的分离和鉴定。这种技术不仅用于石油、化学化工等部门，而且在药物分析、中草药有效成分的分离分析、药物体内代谢研究、毒物分析及环境保护等方面也是必不可少的工

具。

2.2.2 色谱分离原理

色谱法与溶剂萃取法相似，也是以相分配原理为依据。利用混合物中各组分在某一物质中的吸附、溶解性能的不同或其它亲和作用性能的差异，在混合物的溶液流经该种物质时，通过反复的吸附或分配作用，将各组分分开。流动的混合物溶液称为流动相；固定的物质称为固定相。如果化合物和固定相的作用较弱，那它将在流动相的冲洗下较快地从层析体系中流出来；反之化合物和固定相的作用较强，它将较慢地从层析体系中流出来。根据操作条件的不同，色谱法可分为柱色谱、纸色谱、薄层色谱、气相色谱及高效液相色谱等类型。有机化学实验常用的有薄层色谱、柱色谱和纸色谱。

图二 液相色谱分离流程

2.2.3常用色谱分离分方法 一、凝胶过滤

凝胶过滤又叫分子筛色谱，其原因是凝胶具有网状结构，小分子物质能进入其内部，而大分子物质却被排除在外部。当一混合溶液通过凝胶过滤色谱柱时，溶液中的物质就按不同分子量筛分开了。 二、离子交换色谱

离子交换色谱是在以离子交换剂为固定相，液体为流动相的系统中进行的。离子交换剂是由基质、电荷基团和反离子构成的。离子交换剂与水溶液中离子或离子化合物的反应主要以离子交换方式进行，或借助离子交换剂上电荷基团对溶液中离子或离子化合物的吸附作用进行。 三、吸附色谱

1、 吸附柱色谱

吸附柱色谱是以固体吸附剂为固定相，以有机溶剂或缓冲液为流动相构成柱的一种色谱方法。 2、 薄层色谱

薄层色谱是以涂布于玻板或涤纶片等载体上的基质为固定相，以液体为流动相的一种色谱方法。这种色谱方法是把吸附剂等物质涂布于载体上形成薄层，然后按纸色谱操作进行展层。

3、 聚酰胺薄膜色谱 聚酰胺对极性物质的吸附

作用是由于它能和被分离物之间形成氢键。这种氢键的强弱就决定了被分离物与聚酰胺薄膜之间吸附能力的大小。色谱时，展层剂与被分离物在聚酰胺膜表面竞争形成氢键。因此选择适当的展层剂使分离在聚

酰胺膜表面发生吸附、解吸附、再吸附、再解吸附的连续过程，就能导致分离物质达到分离目的。

四、 亲和色谱

亲和色谱是根据生物大分子和配体之间的特异性亲和力，将某种配体连接在载体上作为固定相，而对能与配体特异性结合的生物大分子进行分离的一种色谱技术。亲和色谱是分离生物大分子最为有效的色谱技术，分辨率很高。 2.3 双水相萃取技术 2.3.1 双水相萃取技术简介

双水相萃取是两种水溶性不同的聚合物或者一种聚合物和无机盐的混合溶液, 在一的浓度下, 体系就会自然分成互不相容的两相。被分离物质进入双水相体系后由于表面性质电荷间

作用和各种作用力(如憎水键、氢键和离子键) 等因素的影响, 在两相间的分配系数K 同, 导致其在上下相的浓度不同, 达到分离目的。现在双水相萃取已被广泛用于蛋白质、酶、核酸、病毒、细胞、细胞器等生物产品的分离和纯化，并逐步向工业化生产迈进，展现了在食品工业、生物学研究和生物工程方面的巨大应用前景，将有力推动生物技术的发展。

2.3.2双水相萃取原理

双水相萃取与水—有机相萃取的原理相似，都是根据物质在两相件的选择性分配，但萃取体系的性质不同。当物质进入双水相体系后，由于表面性质、电荷作用和各种力(如憎水键、氢键和离子键) 的存在和环境因素的影响，使其在上、下相中的浓度不同。分配系数K 等于物质在两相的浓度比，由于各种物质的K 值不同，可利用双水相萃取体系对物质进行分离

2.3.2 双水相萃取特点

ATPE 作为一种新型的分

离技术, 对生物物质、天然产物、抗生素等的提取、纯化表现出以

下优势:

(1)含水量高( 70% -90% ), 在接近生理环境的体系中进行萃取, 不会引起生物活性物质失活或变性;

(2)可以直接从含有菌体的发酵液和培养液中提取所需的蛋白质, 还能不经过破碎直接提取细胞内酶, 省略了破碎或过滤等步骤;

(3)分相时间短, 自然分相时间一般为5 m in -15 m in; (4) 界面张力小( 10- 7 -10- 4mN /m) , 有助于两相之间的质量传递, 界面与试管壁形成的接触角几乎是直角;

(5)不存在有机溶剂残留问题, 高聚物一般是不挥发物质, 对人体无害;

(6)大量杂质可与固体物质一同除去;

(7)易于工艺放大和连续操作, 与

后续提纯工序可直接相连接, 无需进行特殊理;

(8)操作条件温和, 整个操作过程在常温常压下进行; (9)亲和双水相萃取技术可以提高分配系数和萃取的选择性。在实际应用中, 双水相体系中的水溶性高聚物具有难挥发性, 反萃取是必不可少的, 同时由于盐会进入反萃取剂也会给分离工作带来一定的难度。 3. 化工分离技术的前景

化工分离技术是化工过程的重要环节，其技术的革新与发展必然推动化工生产过程的前进，进而推动经济和科技的发展。面临新的挑战，人们对化工分离过程的强化提出了更高目标。越来越多的研究人员认为，化工过程强化的目标不应只停留在使已有设备挤出百分之几的效率，而应致力于使过程工业

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的效率取得大幅度的提高。化工过程强化不能满足于渐进式的变革，而应致力于在设备的体积、能耗、原材料消耗、产业化的周期和环保等方面使过程和工厂的效率取得重大的突破。大量实例表明，化工分离过程强化对过程工业的节能减排发挥了重要作用。

近年来，新分离技术得到了长足的发展，例如膜分离在海水淡化等方面得到成功的应用，制备色谱在制药和生物制品分离方面显示特出的优点，超临界流体萃取具有特效性和无污染的优势，利用表面活性剂的分离技术如反微团等也已成功地用于生产等。化工分离技术必然要朝着易操作、高效率、高纯度、绿色化的方向发展，前景可观。

参考文献

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【2】刘家祺，化工分离过程. 北京：化学工业出版社，2002.04

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