新型分离技术综述

新型分离技术
摘要
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。

本文主要分别对分子蒸馏、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；新型萃取分离；新型生物膜法；膜分离
世界万物都是由有序自发地走向无序，所有的纯物质都逐渐变成混合物。

分离技术是研究生产过程中混合物的分离、产物的提纯或纯化的一门新型学科，正是这种需求，推动了人们对新型分离技术不懈的探索。

新型分离技术目前受到材料开发、生产成本及其他学科发展的限制，工业化应用程度还不高，但它们已经在某些高新领域显示出良好的分离性能和强劲的发展势头。

目前新型分离技术主要包括：膜分离技术、膜技术-传统技术的改进、传统分离技术的新应用和反应-分离技术的耦合四个方面。

下面对膜分离技术、新型萃取分离技术、新型生物膜法和分子蒸馏技术的应用和研究现状进行阐述。

1.膜分离技术
借助于具有分离性能的膜而实现分离的过程称为膜分离过程。

由于膜分离过程一般没有相变，既节约能耗，又适用于热敏性物料的处理，因而在生物、食品、医药、化工、水处理过程中备受欢迎。

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者气相混合物内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；
(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。

下面主要介绍两种新型膜分离技术渗透蒸发(PV)和气体分离(Gs)。

1.1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。

1.2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.新型萃取分离技术
液液萃取具有悠久的历史和广泛的应用。

但是，液液萃取过程中两相密度差小、连续相黏度大、返混严重，这些对相际传质十分不利。

另外，两相具有一定程度的互溶性，易造成溶剂损失和二次污染，溶剂再生也对过程的经济性和可靠性产生严重的影响。

随着科学技术的高速发展，作为一种“成熟”技术的液液萃取，正与超临界流体萃取、双水相萃取、膜分离等相关技术相互渗透，促进了液液萃取及其相关技术的发展。

2.1 双水相萃取
双水相系统由两种高聚物或者几种高聚物与无机盐水溶液组成，由于高聚物之间或聚合物与盐之间的不相容性，当聚合物或无机盐浓度达到一定值时，就会形成不互溶的两个水相，两相中水分所占比例在85%-95%范围，被萃取物在两个水相之间分配。

双水相系统中两相密度和折射率差别较小，相界面张力小，两相易分散，活性生物物质或细胞不易失活，可在常温、常压下进行，易于连续操作，具有处理量大等优点，备受工业界的关注。

2.2 超临界流体萃取
超临界流体萃取(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。

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。

2.3 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、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。

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,使处理过的废水与脱落生物膜分离。

4.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。

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。