新型分离技术

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1、精选优质文档-倾情为你奉上化工与能源学院科技论文写作课程论文专业班级： 姓 名： 学 号： 指导老师： 写作日期： 2013年6月5日 成 绩： 新型分离技术的应用及研究现状摘要 本文对膜分离技术、色谱分离技术、吸附分离技术、离心分离技术、萃取分离技术等新型分离技术的应用和研究现状进行了阐述Abstract In this discourse , the author introduces the status of the application and research of some new separationtechnology such as membrane separation

2、 technology, chromatography, adsorption separation technology, centrifugal separation, extraction separation technology and so on.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

3、趋成熟.1下面一一进行阐述.1 膜分离技术1.1 分离膜的种类随着科学技术的发展，膜的种类得到发展，按材料性质，可以分为高分子膜、金属膜、无机膜.根据结构可分为均质膜、非对称膜、复合膜、离子交换膜、荷电膜、液膜.按成膜方法不同，分为三类，微孔膜( 即核孔膜) 、控制拉伸膜和海绵状结构膜.1.2 膜分离过程微滤是最早使用的膜分离技术，是在压力差作用下进行的筛孔分离、使不溶物浓缩的过程，主要用于滤除 0 05 10 m 的悬浊物质颗粒.主要应用于截留颗粒物、液体澄清以及除菌.超滤是在压力差作用下进行的筛孔分离过程.纳滤是从水溶液中分离除去中小分子物质的过程( 分子量为 300 500) .其原理是

4、在超滤和反渗透间提供了一种选择性媒介，在浓缩有机溶质的同时，也可脱盐.1.3 国外分离技术的发展及研究进展2早在上世纪 30 年代，硝酸纤维素微滤膜已商品化，近年来开发出聚四氟乙烯为材料的微滤膜新品种，它使用范围非常广，销售额居于各类膜的首位.从上世纪 70 年代，超滤应用于工业领域，现在应用领域非常广泛.上世纪 80 年代，新型含氟离子膜在氯碱工业应用成功.第三代低压反渗透复合膜，性能大幅提高，已在药液浓缩、化工废液、超纯水制造等领域得到广泛应用.1979 年 Monsanto 公司成功研制出 H2/N2分离系统.渗透汽化于 80 年代后期进入工业应用，主要用于醇类等恒沸物脱水，该过程节约能

5、源，不使用挟带剂，使用起来比较经济.此外，用渗透汽化( PV) 分离有机混合物，近年也有中试规模研究的报道.1.4 国内分离技术的发展及研究进展3-4我国膜技术始于上世纪 50 年代末，1966 年聚乙烯异相离子交换膜在上海化工厂正式投产.1967年用膜技术进行海水淡化工作.我国在 70 年代对其它膜技术相继进行研究开发( 电渗析、反渗透、超滤、微滤膜) ，80 年代进入应用推广阶段.中国科学院大连化物所在 1985 年首次研制成功中空纤维N2/H2分离器，现已投入批量生产.我国在 1984 年进行渗透汽化( PV) 研究，1998 年我国在燕山化工建立第一个千吨级苯脱水示范工程 .中国科技部

6、把渗透汽化透水膜、低压复合膜、无机陶瓷膜及天然气脱湿膜等列入“九五”重点科技攻关计划，分别由清华大学、南京化工大学及中科院大连化物所、杭州水处理中心承担，进行重点开发公关.1998 年 10月国家发改委在大连投资兴建国家膜工程中心，技术上以中国科学院大连化物所为依托.1.5 在医药用水制备中的应用 Taylor5和Transen6采用离子交换、反渗透与炭吸附、荷电吸附材料及终端除菌滤器等技术，做成医药用水生产装置，生产无菌注射用水.丁绍敏等7比较了去离子水与超滤水的质量，结果使用超滤生产的输液的澄明度有了明显的提高.2 色谱分离技术2.1 色谱技术简介色谱是从混合物中分离组分的重要方法之一.色

7、谱技术甚至能够分离物化性能差别很小的化合物,当混合物各组成部分的化学或物理性质十分接近,而其它分离技术很难或根本无法应用时,色谱技术愈加显示出其实际有效的优越性.如在消旋体处理等许多方面,所要求的产品纯度标准只有使用色谱技术才能达到.因而在医药、生物和精细化工工业中,发展色谱技术进行大规模纯物质分离提取的重要性日益增加.8下面,通过几个实际中的例子来说明色谱分离技术在实际中的应用.2.2 色谱分离技术在淀粉糖工业中的应用淀粉糖经水解后的产品液中还存在许多其他的单糖、多糖、聚合糖和/或多元醇.在我国,许多厂家没有采用组分分离工艺,或采用的分离工艺只能分离出其中的一个主要组分,在提取出部分产品后由

8、于杂糖、醇和/或其他杂质在母液中的畜集而无法继续利用.如能将它们分离纯化可得到各种产品,大大增加产品价值.如用阳离子交换色谱柱法将麦芽糖生产的糖浆分为麦芽糖和麦芽三糖.9如麦芽糖生产中产生的大量含麦芽糖70%,麦芽三糖以上糖分为30%的高麦芽糖浆,便可采用阳离子交换色谱柱法分离成两部分.一部分中麦芽糖含量纯度为97.5%,用于直接生产结晶麦芽糖;另一部分含麦芽三糖65%以上,麦芽糖30%左右,再经处理后可生产麦芽三糖产品.国外使用色谱技术于糖醇分离,已变得非常普遍,几乎为所有公司采用.有些公司甚至专门从我国或其他地方收购纯度低的糖醇产品,通过色谱分离获得高纯度产品高价销售.102.3 蛋白质组

9、学研究中的色谱分离技术目前,用于“海量”蛋白质混合物的高效分离方法主要有二维电泳和高效液相色谱两种方法.其中因分离度高并具有直观图谱而被普遍采用的方法为二维电泳,即2DE方法.112DE与质谱联用技术已经成为蛋白质组学研究中一个较为成熟的技术平台,被广泛应用于蛋白质组学研究的各个方面.但由于该技术伴随其诞生所固有的缺陷,因此近几年对该方法进行了一些改进,如对电泳前生物样品进行预浓缩和预分离、分步提取以及对凝胶的染色过程进行优化,但都未有实质性的进展.为了解决这种方法存在的问题,另一种高效分离方法,12即高效液相色谱方法(HPLC)获得了愈来愈多的应用,特别是各种模式色谱联用组成多维色谱分离技术

10、逐渐被采用,并与质谱联用以克服二维凝胶电泳存在的缺陷.通常与质谱联用的多维色谱分离方法是基于两种或两种以上不同分离机理方法的优化和组合,其峰容量为最后一种模式色谱对前一种(或几种)模式色谱分离所得的所有馏分进一步分离的色谱峰的总和.分离方法的选择除了根据分离对象和目的的不同考虑不同分离方法以及组合方式外,还应考虑质谱鉴定的要求以及最后从蛋白质数据库检索的需要.由于蛋白质组的庞大和复杂,通常需要对其进行预分离以缩小分离范围,再进一步进行高效分离.132.4 展望综上所述,尽管不同色谱分离方法还存在一些不足之处,但它们以引人注目的各种优点,如高分辨率、快速、低成本等,赢得了人们的青睐.色谱分离方法

11、不仅会在实验室得到广为应用,而且在大规模制备色谱领域内也具有极大的潜力.此外,各种色谱分离方法的合理组合技术方法,也是今后研究的重要内容和方向.3 吸附分离技术3.1 吸附与吸附分离技术吸附是一表面现象,在流体(气或液)与固体表面(吸附剂)相接触时,流固之间的分子作用引起流体分子(吸附质)浓缩在表面.对一流体混合物,其中某些组分因流固作用力不同而优先得到浓缩,产生选择吸附,实现分离.吸附分离过程依据流体中待分离组分浓度的高低可分为净化和组分分离,一般以质量浓度10%界限14,小于此值的称为吸附净化.吸附是自发过程,发生吸附时放出热量,它的逆过程(脱附)是吸热的,需要提供热量才能脱除吸附在表面的

12、吸附分子.吸附时放出热量的大小与吸附的类型有关:发生物理吸附时,吸附质吸附剂之间的相互作用较弱,吸附选择性不好,吸附热通常是在吸附质蒸发潜热的23倍范围内,吸附量随温度升高而降低;而发生化学吸附时,吸附质吸附剂之间的相互作用强,吸附选择性好且发生在活性位上,吸附热常大于吸附质蒸发潜热的23倍.在吸附分离技术的实际应用中,吸附剂要重复使用,吸附与脱附是吸附分离过程的必要步骤.吸附剂脱附再生的实现方式主要有两种:提高吸附剂温度和用低吸附质浓度的流体.早期的吸附分离技术主要用于吸附净化方面,随着20世纪50年代合成沸石分子筛的出现,使吸附分离技术得到快速发展,在化工、石化、生化和环保等领域得到广泛应

13、用,其中变温吸附(TSA)、用于气体组分分离的变压吸附(PSA)和用于液体组分分离的模拟移动床(SMB)分离技术成为应用的主流.3.2 吸附材料15开发吸附分离技术应用的一个关键是吸附剂具有各种微孔结构和表面性质的大比表面固体材料(1501 500m2/g),用于流体混合物中组分的吸附分离.吸附剂主要有活性炭、沸石分子筛、氧化铝、硅胶、高分子吸附剂和离子交换树脂.常用吸附剂的主要特性见表2.硅胶、氧化铝和沸石分子筛都可以用作为吸附干燥剂,但由于各自性质不同,适用的场合也不一样.一般来说,在干燥程度要求不高时,使用硅胶较普遍,因硅胶要求的再生温度较低;分子筛适用于要求深度干燥的场合,但需较高的再

14、生温度,不适用PSA模式,因分子筛与水的相互作用强,仅靠变化流体浓度不能实现再生.如在仪表风等气体的PSA干燥中,适合的吸附剂是氧化铝而不是硅胶,因硅胶的强度稍差,其落粉率不能满足要求.活性炭为非极性材料,对有机物有较强的吸附能力,故一般有机挥发物(VOC)的脱除和回收都使用活性炭作为吸附剂.空气的PSA制氧过程是利用了分子筛吸附剂的吸氮量大于其吸氧量的特性,而空气的PSA制氮过程则利用了N2在炭分子筛上的吸附速率大于O2的几十倍的特性,这正好反映了实现吸附分离的主要依据:利用不同流体在吸附剂上吸附量或吸附速率的差异.吸附剂的性能决定着吸附分离技术的应用,因此吸附剂的开发一直是吸附分离技术的研

15、发重点.针对吸附分离体系的特性,吸附剂的研发有多种方式: (1)改进现有的吸附剂,以提高过程的经济性和效果,如PSA制氧过程采用的吸附剂由CaA、10X到LiNaLSX(LSX代表低硅铝比的八面沸石型分子筛),增加分子筛的局部电场,提高其吸氮容量,而吸附过程则由PSA发展到真空变压吸附(VSA),节省过程的能耗; (2)通过合成新型的吸附剂和吸附分离用的材料,如各种新的分子筛被合成出来,并在吸附分离过程中得到应用; (3)结合现有吸附材料的性质,开发出具有应用新特点的吸附材料和过程,如针对不同的流体干燥场合,利用氧化铝、硅胶和分子筛等常用干燥剂的特性(见图1),来开发满足特定应用领域的各种干燥

16、剂有着广阔的空间; (4)利用吸附剂和吸附质的某些性质,开发有应用针对性的吸附分离技术,这是吸附剂发展的主要方向.3.3 现状分析及展望随着21世纪各种吸附剂的不断出现和改进,吸附理论得到了长足的发展,吸附分离过程成为了具有广泛和重要应用的单元操作.新吸附剂的研制开发与应用是吸附理论与吸附分离技术取得进展的主要推动力,其中实验与理论方法和计算机模拟更紧密地结合对这样的进展会起着关键的作用;而可持续的社会发展需求为吸附理论与吸附分离技术的发展提供了广阔的空间,值得有志者去努力.4离心分离技术4.1 离心技术简介虽然分离技术种类繁多16-19:有机械的、化学的、电分离和热分离等(其中包括离心分离、

17、过滤、超滤、反渗透、结晶和渗析等技术),但离心分离技术与其它技术相比,有下述几个方面的特点:(1)占地面积小;(2)停留时间短;(3)无需助滤剂;(4)系统密封好;(5)放大简单;(6)过程连续;(7)分离效率易于调节;(8)处理量大.故自1836年第一台三足式离心机在德国问世后,迄今分离技术有了很大的发展.各类离心机种类繁多,正在向高参数、系列化、专用机、多功能、新材料及自动化等方面发展,并已广泛用于化工、食品、轻工、医药、军工、造船、环保、生物工程等近三十个工业领域.目前,随着计算机技术的发展,计算机辅助设计(CAD)技术与模块化设计的普遍应用,全球市场竞争愈加激烈、多样化、个性化的客户需

18、求为离心分离机械实施大规模定制奠定了基础,故大规模定制设计(DFMC)已成为设计方面的新动向.4.2 国内技术现状 我国离心分离行业尚属正在发展中,总体水平不高.随着社会进步,人们对环保、能源以及装备对品质的影响有了新的认识.同时,通过国外技术交流和合作以及成套项目的引进、消化与吸收,促进了我国离心分离技术的迅速发展,主要体现在:(1)已基本形成了一个科研、设计和制造的体系.(2)成立了分离领域的学术组织.(3)在基础理论与应用方面进行了研究.(4)目前已能生产三足、上悬、活塞、螺旋、离心力卸料,振动、进动卸料、刮刀及虹吸刮刀、翻袋及旁滤等离心机;分离机则有碟式、室式及管式.上述产品不仅遍及全

19、国且远销国外,且技术特性较“九五”期间有所提高.(5)为满足特殊工艺要求(防污染、密闭、防爆等),一些新型离心机亦先后问世.例如,笔者曾研制一种适合于GMP的新型离心机,并获国家专利.还有内旋转子过滤离心机的研制,立式密闭螺旋机及复合机等亦已投产.(6)自控技术与CAD技术的应用.(7)各种相关标准的制订.(8)同国外著名离心机厂商的技术合作.4.3 国外离心分离技术的进展20-26 瑞典Alfa-laval公司,在碟片流道研究中发现,碟片间隙横断面上的速度分布取决于一个无量纲数,而工业离心机的通常在528之间.随着值的增加,碟片的转速增加,薄层减少,可提高雷诺数并缓和涡流.通过对碟片间隔件和

20、分布孔的巧妙设计,进料量可增加20%.此外,还对相分离技术进行了研究.近年来,研究人员为选择最佳方案,采用流场分离法、有限元模拟法、大梯度密度梯级法、反模态分析法等,对离心机的工作性能和关键零件进行研究,为设计优良性能的离心机提供了理论依据.并对带内洗涤的卧螺离心机中堰池深度以及卧螺离心机技术参数之间的关系等进行了最佳化研究.为提高产品的纯度,及满足能源和环保的要求,高参数已成为国外机型的发展特点.由于生物工程需要分离极细的颗粒,如细菌、酶及胰岛素等,故最新碟式机已可处理0.1Lm微粒,且分离因数可达15000.如德国Westfalia公司的CSA160机型和瑞典Alfa-laval公司的BT

21、AX510机型均属此例.随着工艺要求的提高,新机型不断问世.美国Dorr-Oliver公司的BH-46型碟式机,转鼓内径已达1.2 m,转鼓重量为4.5 t,用2个功率为220 kW的电机驱动,最大生产能力为450 m3/h,当量沉降面积已达250,000 m2,为碟式机之最.瑞典Alfa-laval公司用于生物技术的BTUX510型碟式机,具有自动调节的涡流喷嘴.利用喷嘴进料黏度和浓度的关系,可提供恒定的固相浓度,与进料速度和固体含量的变化无关.而具有10000分离因数的卧螺离心机,可从某种程度上弥补管式分离机的不足.BTNX3560-A机型的特点是先进的旋转动态设计:主轴承改为弹性安装,可

22、延长寿命,降低机器噪音与振动.德国Krauss-Maffei公司最新研制的SZ型活塞机,尺寸虽小,却更能有效进行固相分离.还有德国Flottweg公司用于处理难分离物料的双锥体卧螺离心机等.4.4 新材料的应用27-28为了提高分离机械的性能、强度、刚度、耐磨性和抗腐蚀性,一批新型材料不断涌现.如,工程塑料、硬质合金以及性能优良的耐磨耐蚀不锈钢材料.法国曾研制一种用硬质陶瓷制成的转子,英国也曾研制由合成树脂构成的连续纤维复合材料转子.但在碟式机中,由于需要高强度和一定的耐腐性能,双相组织的不锈钢广泛采用.最近,俄国研制成功一种双相钢04X25H5M2(即04Cr25Ni5Mo2),有足够的强度

23、和塑性.德国的Wischnouskii等研制的分离机转鼓新材料,具有强度高、塑性和耐腐蚀性好的特点.为弥补耐蚀和强度之间的矛盾,一些先进的制造商普遍采用了转鼓的自增强技术.4.5 结语 综上所述,新材料和新型离心机正在不断研发出:世界离心机行业正在进一步探索和研究,深信国内将会向国际水平不断努力.5 萃取分离技术5.1 萃取分离技术概括传统的提取物质中有效成分的方法工艺复杂、产品纯度不高, 而且易残留有害物质.萃取分离是一种新型的分离技术, 即在原料液中加入一个与其基本不相混溶的液体做为溶剂, 造成第二相; 利用原料液中各组分在两个液相之间的不同分配关系来分离液体混合物.萃取分离是重要单元操作

24、之一, 具有提取率高、产品纯度好、能耗低等优点.这项技术除了用在化工、医药等行业外, 还可用在烟草、香料、食品等方面.随着各种新技术的发展, 萃取分离技术不断改进优化, 新型萃取分离技术不断出现并完善, 这项技术在未来具有广阔的发展前景.以下对溶剂萃取精馏分离技术和超临界流体萃取分离的原理、特点和应用进行阐述.5.2 萃取精馏29-30萃取精馏是通过向精馏系统中加入适当的质量分离剂(MSA)来显著增大相对挥发度很小或者易形成共沸物的混合物组分之间的相对挥发度,使分离易于进行, 从而获得产品的一种特殊精馏技术.最近几年, 世界各国化学工业公司都在尝试如何将萃取精馏技术应用于工业过程改进、解决化学

25、工业中难题, 以提高化工工业效益.溶剂的好坏是萃取精馏成败的关键, 工业生产过程的经济效果如何,与溶剂的选择密切相关.为了适用于工业化生产,溶剂的选择要考虑其选择性、沸点、溶解度、热稳定性和化学稳定性及适宜的物性.此外, 无毒、无腐蚀、来源丰富也是选择溶剂要考虑的因素.选择溶剂的一般方法是先采用性质约束法(试验法、经验筛选法和活度系数法)划定分离混合物系所需溶剂的大致范围, 对于一个被分离物系, 通过这种方法往往可以得到多个适用的溶剂, 然后应用计算机优化方法(计算机辅助分子设计方法、人工神经网络方法)寻求最佳溶剂已成为研究的方向.一般的萃取精馏过程采用塔工艺流程, 设备主要由萃取塔和溶剂回收

26、塔组成.目前,萃取精馏技术的研究重点之一就是进一步提高萃取剂的选择性、改进工艺过程, 减少单元操作和建设成本.萃取精馏塔采用是板式塔型式, 由于浮阀塔板具有高效率、高弹性和高生产能力等优点, 所以目前在国内外是采用最为广泛的塔板之一.5.3 超临界流体萃取技术31-33超临界流体萃取(Supercritical Fluid Extraction,SFE) 是近几年来迅速发展起来的一门新兴的高效分离技术.在化工、食品、香料、工业方面已有工业化应用规模.当气体超过一定的温度压力时, 便进入临界状态, 此时的流体成为超临界流体(如二氧化碳、乙烯、氨、丙烷、水等).目前, 超临界流体应用较多的是二氧化

27、碳,因其临界温度 31.26,临界压力7.2MPa, 临界条件易达到, 并且具有化学性质不活泼、对大部分物质不反应、无色无毒无味、不燃烧、安全性好、价格便宜、纯度高、容易获得等优点, 因此, 在超临界萃取中常用.超临界流体兼有气液两重性的特点, 它既具有气体相当高的渗透能力, 又兼有与液体相近的密度和对物质优良的溶解能力.这种溶解能力能够随着体系参数(温度和压力)而发生变化, 因而可以通过改变体系的温度和压力使被提取物的溶解度发生变化而分离出来,从而达到分离提取的目的.5.4 萃取分离展望萃取溶剂选取方法已经由被动的选取向有目的的合成新化合物转变,由单一溶剂向混合溶剂转变, 筛选的范围更广泛,

28、 筛选的溶剂更合理、准确, 前期试验工作量大大减少.随着近年来萃取剂选取范围扩大, 混合溶剂的选用, 萃取精馏工艺过程及塔板结构的改进, 萃取精馏技术应用于化学工业的场合范围扩大.对于解决现今化工生产中存在的问题或难题, 采取萃取精馏是一种值得优先考虑的技术.萃取分离技术发展至今, 其发展方向已经从常规萃取分离转向解决普通萃取分离过程无法分离的问题, 通过物理或化学的手段改变物系的性质, 使组分得以分离, 或通过特殊技术促进分离过程, 并且要求低能耗、低成本, 向清洁分离发展.在基础研究方面, 研究深度由宏观平均向微观、由整体平均向局部瞬态发展; 研究目标由现象描述向过程机理转移; 研究手段逐

29、步高技术化;研究方法由传统理论向多学科交叉方面开拓.参考文献：1王中海,罗小苟,刘亮,张晓晖,黄向阳. 新型分离技术的应用及研究现状B.矿业快报2007,9(9).2王从厚，吴鸣 国外膜工业发展概况J 膜科学与技术，2002，22( 1) : 65-723郭有智 中国膜工业发展战略研究J 化工新型材料，2002，30( 6) : 4-84黄加乐，董声雄 我国膜技术的应用现状与前景J福建化工，2000( 3) : 3-65Taylor M A Portable intravenous solution preparation ap-paratus and method: US，P 1993-11

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