化工传质与分离
化工传质与分离
题 目 新型分离技术综述
专 业 应用化学（化工分离与检测）
院 部 化学与化学工程学院
学 号 0810420402
姓 名 陈丽娟
任 课 教 师 刘树信
论 文 时 间 2010-06-01
在化工、石油化工、医药工业、生物化工及环境保护等诸多领域中，混合物的分离都占有极重要的地位。传统的分离方法主要有：精馏、萃取、吸附、结晶等。但随着生产技术的发展，所处理的混合物种类日益增多，分离的要求愈来愈多，分离的难度也愈来愈大。为了适应这些要求，除了对常规方法加以改进和加强外，还需不断研究和开发新的方法。下面我们主要介绍几种新型的分离方法。
膜分离技术
1.1 膜分离技术的定义
膜（Membrane）分离是一种新兴的多种学科交叉的高效分离技术。与传统的分离技术相比，具有分离效率高、能耗低（无相变），可实现连续分离，易与其他技术相结合，易于放大，膜性能可调节，无污染等优点。
膜分离技术是指在分子水平上不同粒径分子的混合物在通过半透膜时，实现选择性分离的技术，半透膜又称分离膜或滤膜，膜壁布满小孔，根据孔径大小可以分为：微滤膜（MF）、超滤膜（UF）、纳滤膜（NF）、反渗透膜（RO）等，膜分离都采用错流过滤方式。
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；
(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高级加工。
膜分离技术的原理
膜是具有选择性分离功能的材料。利用膜的选择性分离实现料液的不同组分的分离、纯化、浓缩的过程称作膜分离。它与传统过滤的不同在于，膜可以在分子范围内进行分离，并且这过程是一种物理过程，不需发生相的变化和添加助剂。膜的孔径一般为微米级，依据其孔径的不同（或称为截留分子量），可将膜分为微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜，根据材料的不同，可分为无机膜和有机膜，无机膜主要还只有微滤级别的膜，主要是陶瓷膜和金属膜。有机膜是由高分子材料做成的，如醋酸纤维素、芳香族聚酰胺、聚醚砜、聚氟聚合物等等。
膜分离是指通过特定的膜的渗透作用, 借助于外界能量或化学位差的推动, 对两组分或多组分混合的气体或液体进行分离、 分级、 提纯和富集。
膜分离技术的应用现状
膜分离是在20世纪初出现，20世纪60年代后迅速崛起的一门分离新技术。膜分离技术由于兼有分离、浓缩、纯化和精制的功能，又有高效、节能、环保、分子级过滤及过滤过程简单、易于控制等特征，因此，目前已广泛应用于食品、医药、生物、环保、化工、冶金、能源、石油、水处理、电子、仿生等领域，我国液体膜分离研究始于50 年代, 反渗透研究始于1965 年, 70 年代开始超滤研究。微滤研究在我国起步较晚, 至今还不到20 年。80 年代是我国液体分离膜技术大发展的10 年, 初步完成了从实验室到工业化的过渡, 先后建成了多条卷式、 中空纤维反渗透膜生产线和数十条中空纤维超滤膜生产线, 产品在水处理、 食品工业、 生物工程、 制药行业、 能源工程等方面获得较为广泛的应用。
1.3.1渗透蒸发(PV)
渗透蒸发是在膜的渗透边侧形成真空，以膜的前后两侧的化学位差为推动力伴随着相变，由膜选择吸附及在膜中渗透速率不同而进行分离。主要特点是选择分离系数高，传质速率大，热效率高，操作简单，耗能少，易于实施，不需要加压等。在传统分离手段难以处理的共沸物、沸点相近的物系、同分异构体的分离以及有机溶液中微量水的脱除等领域显示出独特的优势，极其在脱除水中微量有机物、有机物中水的脱除以及有机混合物的分离等方面展现出重要的应用前景。
渗透蒸发是国外近年来发展起来的膜分离技术，用于他离沸点相近或形成共沸的液体混合物 ，同传统的分离方法相比，具有操作简单、能耗小、生产成本低、无三废等优点，节能效果和经济效益十分显著。
1.3.2气体分离(Gs)
气体分离膜是近年来发展很快的一项新技术。不同的高分子膜对不同种类的气体分子的透过率和选择性不同，因而可以从气体混合物中选择分离某种气体。如从空气中收集氧，从合成氨尾气中回收氢，从石油裂解的混合气中分离氢、一氧化碳等。
美国洛杉矶加州大学的化学家用一种叫做聚苯胺的能导电的有机材料制作出一种薄膜。这种聚合物能掺入带电的原子，利用掺杂剂的含量来改变薄膜的渗透性。在通过这种薄膜时，氧比氮快，二氧化碳比甲烷快，氢比氮更快，因此用这种薄膜制取的氧气和氮气成本低。它们还可能用于消除汽车和工业排出废气中的污染物。目前，气体分离膜的研究主要集中在富氧膜。作为富氧膜的高分子，要求兼具高透过性和高选择性。若以富氧的空气代替普通空气，将大大提高各种燃烧装置的效率，并可减少公害。国外还在开发一种水下呼吸器，它是一种直接从海水中提取溶解氧的潜水装置。其使用方法是把能运载氧的人的血红素浸在聚胺酯海绵中，当血红素吸收海水中的氧后，通过弱电流使氧放出，以供水中呼吸之用。
2.分子蒸馏技术
2.1 分子蒸馏技术的定义
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。
2.2 分子蒸馏技术的原理
2.2.1 分子运动平均自由程
分子碰撞：分子与分子之间存在着相互作用 力。当两分子离得较远时， 分子之间的作用力表现 为吸引力； 但当两个分子接近到一定程度后。 分子 之间的作用力会改变为排斥力， 并随其接近到一定 程度， 排斥力的作用使两分子分开。 这种由接近而 至排斥分离的过程就是分子的碰撞过程。
分子有效直径： 分子在碰撞过程中两分子质 心的最短距离， 即发生斥离的质心距离。
分子运动自由程： 一个分子相邻两次分子碰撞 之间所走的路程。
分子运动平均自由程 ： 任一分子在运动过程中 都在变化自由程， 而在一定的外界条件下， 不同物 质的分子其自由程各不相同。就某一种分子来说， 在某时间间隔内自由程的平均值称为平均自由程。 由热力学原理可知。 分子运动平均自由程为：λm = ( k /T ) × ( T × d 2 p )
式中：λm—分子运动平均自由程；
d —分子有效直径；
p —分子所处环境压强；
T —分子所处环境温度：
k 一波尔兹曼常数。
2.2.2 分子蒸馏技术基本原理
分子蒸馏技术正是利用了不同种类分子逸出 液面后直线飞行的距离不同这一性质来实现物质分离的。： 液体混合物为了达到分离的目的，首先进行加热，能量足够的分子逸出液面。轻分子的平均自由程大，重分子平均自由程小，若在离液面小于轻分子平均自由程而大于重分子平均自由程处设置一冷凝面，使得轻分子落在冷凝面上被冷凝．而重分子则因达不到冷凝面，返回原来液面，这样就将混合物分离了。
2.3 分子蒸馏技术应用现状
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。
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。分子蒸馏可广泛应用于国民经济的各个方面。特别适用于高沸点和热敏性及易氧化物料的分离。目前可应用分子蒸馏生产的品种多达数百种。今后， 随着现代人们崇尚天然、回归自然潮流的兴起，分子蒸馏技术生产的产品必将有更广阔的市场前 景。现就其应用领域简介如下：石油化工：碳氢化合物的分离。原油的渣油及 其类似物质的分离，表面活性剂的提纯及化工中间 体的精制等，如高碳醇及烷基多苷、乙烯基吡咯烷 酮等的纯化，羊毛酸酯、羊毛醇酯等的制取等。 塑料工业：增塑剂的提纯，高分子物质的脱臭，树脂类物质的精制等。医药工业： 提取合成及天然维生素A、E；制取 氨基酸及葡萄糖衍生物 ；中草药挥发油和提取、精制等。香料工业：处理天然精油、脱臭、脱色、提高纯度．使天然香料的品位大大提高。如桂皮油、 玫瑰油、香根油、香茅油、山苍子油等。食品工业：分离混合油酯，可获纯度达 9 0 ％以 上的单甘油酯。 如硬脂酸单甘油酯、月桂酸单甘油 酯、丙二醇甘油酯等；提取脂肪酸及其衍生物，生产二聚脂肪酸等；从动植物中提取天然产物，如鱼油、米糠油、小麦胚芽油等。
4. 超临界流体技术
4.1 超临界流体技术定义
纯净物质要根据温度和压力的不同，呈现出液体、气体、固体等状态变化，如果提高温度和压力，来观察状态的变化，那么会发现，如果达到特定的温度、压力，会出现液体与气体界面消失的现象该点被称为临界点超临界流体指的是处于临界点以上温度和压力区域下的流体，在临界点附近，会出现流体的密度、粘度、溶解度、热容量、介电常数等所有流体的物性发生急剧变化的现象。
4.2 超临界流体技术的原理
超临界流体的基本性质是具有较大的扩散系数、密度和较小的粘度。超临界流体具有接近液体的密度、接近气体的粘度。而扩散系数介于气体、液体之间。比液体大1 0 0倍左右，这意味着超临界流体具有相近与液体的溶解能力和很高的传质速率，萃取时能很快达到萃取平衡的能力。
超临界流体对温度和压力的变化很敏感，而其溶解能力在一定压力范围内与其密度又恰成比例黄系， 所以我们可以通过时温度和压力的调控而改变物质的溶解度。特别是在临界点附近( 0.9
对于超临界流体，当温度接近临界温度T c时．相当于对比温度T r =1～1 .2 ，流体有很太的可压缩性，在对比压力 P t = 0 .7 ～2的范围内，适当增加压力可使流体密度很快增大到接近普通液体的密度，使超临界流体具有类似液体对溶质的溶解能力。且随温度与压力的变化而连续变化密度越大溶解能力越强。
4.3 超临近流体的应用现状
4.3.1 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。
4.3.2 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；
农产品灭菌防腐方面的研究。
5. 新型生物膜法
5.1 生物膜定义及基本性质
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,使处理过的废水与脱落生物膜分离。
5.2 生物膜的应用
生物膜法技术在市政给水处理中的运用
目前我国不少城市饮用水水源为微污染水源，原水受到生活性有机污染，水中总氮、总磷、氨氮、亚硝酸盐氮、生化需氧量、高锰酸钾指数等均有不同程度的超标。对各常规给水处理工艺流程的常规项目测定分析表明，浊度的去除主要是靠常规处理工艺，而对氨氮、亚硝酸盐氮和生化需氧量的去除必须靠生物作用才能获得满意效果。为满足日益提高的出水水质标准，在常规处理工艺上增加生物预处理工艺是无疑是提高水质的最佳选择。
八十年代以来，由于生物预处理工艺因其在处理有机污染物、氨氮、色、嗅、味等方面的特点及其经济上的优势，越来越受到重视并得到较快的发展。这一领域的研究和应用，总体上都处于以去除氨氮、BOD5、CODCr等有机物综合指标为代表的污染质的阶段。
用于市政给水处理中生物预处理工艺主要有：生物过滤反应器、生物滤塔、生物接触氧化反应器、生物转盘反应器、生物流化床以及土地处理系统等。其中以生物过滤反应器中的生物陶粒滤池与生物接触氧化反应器最为常用。前者有一定的机械过滤能力适合处理较低浓度或低温原水，后者则因为填料空隙率大，不易堵塞，适合处理较高浓度的微污染原水。
国内采用生物接触氧化池对滦河以及黄河水处理后表明该法对多项主要水质指标均有良好去除效果，高锰酸钾指数去除率为10-25％，氨氮去除率为40-70％，藻类去除率为15－30％。
在臭氧—生物活性炭吸附工艺这一生物膜法处理工艺中，颗粒活性炭是微生物生长的载体。活性炭表面及微孔形成的微生物膜通过生物降解作用，可进一步降解在活性炭表面及微孔富集的有机物，从而降低了活性炭的吸附饱和度，延长了其使用寿命。70年代中期，德国对臭氧—生物活性炭吸附工艺的研究发现，与单纯的活性炭吸附比较，活性炭的再生周期延长4～6倍。其后，欧洲的许多现代化水厂逐步推广使用了臭氧－生物活性炭吸附对微污染水源的深度净化工艺。
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。
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