分离技术

精细分离技术的研究与进展

摘要：从现代化工和新技术发展的需求出发，论述了化工分离技术的重要性，各新型分离技术的原理、应用及发展现状，并对当代化工新型分离技术的发展特点进行了探讨。

关键词：新型分离技术;膜分离;集成过程;应用

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，首先对产品的质量及物质纯度的要求提高也随之提高了;同时煤炭与石油危机所引起的能源危机对资源利用与清洁生产也提出了要求。这就对分离技术的要求越来越高，人们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。一些常规分离技术，如蒸馏、吸收、萃取等不断改进和发展，更使一些特色明显的新型分离技术，如膜分离、泡沫分离、超临界流体萃取以及集成技术等得到重视和发展。文章主要就近几年出现的新型分离工程方法的应用和研究现状进行了阐述。

1膜分离技术

膜分离技术是人们掌握的最节能的物质分离和浓缩技术之一。近二十年来发展极其迅速，已从单独的海水与苦咸水脱盐、纯水及超纯水的制备、工业用水的回用，逐步拓展到环保、化工、医药、食品等领域中，发展前景备受关注。目前工业化的膜技术主要有微滤、超滤、纳滤、电渗析、膜电解、气体分离等。

1.1膜分离技术的机理

微滤:膜孔径大约0.1协m，主要从气相和液相物质中截留微米及亚微米的细小悬浮物、微生物、微粒、细菌等，以达到净化和浓缩的目的。微滤分离的实质是利用膜的“筛分”作用来进行的。即:比膜孔大的颗粒的机械截留、颗粒间相互作用及颗粒与膜表面的吸附、颗粒间的桥架作用这三种方式来实现的。

超滤:膜孔径在10一IO0nm，主要用于分离液相物质中诸如蛋白质、核酸聚合物、淀粉等大分子化合物、胶体分散液和乳液等。超滤过程的分离机理一般认为是压力驱动的筛孔分离过程，但膜表面的化学物质也是影响分离的一个重要因素。

纳滤:膜孔径在1一10nm，是一种介于反渗透和超滤之间的压力驱动膜分离过程，主要用于二价或多价离子及分子量介于200一500之间的‘有机物的脱除。纳滤膜的分离机理模型目前的看法有:空间位阻一孔道模型，溶解扩散模型、空间扩散模型、空间电荷模型、固定电荷模型。与超滤膜相比，纳滤膜有一定的荷电容量;与反渗膜相比，纳滤膜又不是完全无孔的，因此其分离机理在存在共性的同时，也存在差异。

反渗透:膜孔径小为Inm，它仍是一种压力驱动的膜过程，与其他压力驱动的膜过程相比，反渗透是最精细的过程，因此又称“高滤”。它过滤的实质是利用反渗透膜具有选择性透过溶剂而截留离子物质的性质。分离的过程是依靠膜两侧的静压力差为推动力，用以克服溶剂的渗透压，使溶剂通过反渗透膜而实现对液体混合物进行分离。

1.2膜分离的应用研究

微滤的应用范围主要是从气相和液相中截留微粒、细菌以及其他污染物。超滤广泛应用于料液的澄清、大分子有机物的分离纯化、除热源。纳滤膜能对小分子有机物等与水、无机盐进行分离，实现脱盐与浓缩的同时进行。而反渗透是膜分离技术的一个重要组成部分，因具有产水水质高、运行成本低、无污染、操作方便运行可靠等诸多优点，而成为海水和苦咸水淡化，以及纯水制备的最节能、最简便的技术。目前已广泛应用于医药、电子、化工、食品、海水淡化等诸多行业。反渗透技术已成为现代工业中首选的水处理技术。

目前膜分离技术在许多方面得到广泛应用，而且在某些方面应用得还比较成熟。在对产品质量要求不断提高、生产成本要求不断降低的今天，膜技术的优势越来越明显，其必将取

代传统的低效分离技术。但膜分离技术的大量应用毕竟是近几十年开始的，许多方面还不成熟，还有待进一步深人的研究，目前还存在诸如选择性问题、通量稳定性问题和产值问题。2基于传统分离技术的新型分离工程

蒸馏、萃取、吸收、吸附等传统化工分离技术，在工业过程产物的提取、分离、浓缩及纯化方面起到重要作用，但是他们也有局限性。随着相关理论和技术的进步，传统的分离技术也在不断提高与完善。近年来出现了例如超临界萃取、超声萃取、萃取精馏、反应精馏、色谱分离、双水相萃取以及分子蒸馏等基于传统分离技术的新技术。

2.1分离新技术的相关原理

超临界萃取技术（supercritical fluid extraction，SFE）是近二三十年发展起来的一种新型分离技术，它综合了溶剂萃取和蒸馏两种功能的特点。其分离过程的原理是利用超临界流体的溶解能力与其密度的关系。在超临界状态下，将超临界流体与待分离的物质接触，使其有选择性地把极性大小、沸点高低和分子量大小的成分依次萃取出来。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体，被萃取物质则完全或基本析出，从而达到分离提纯的目的，所以超临界流体萃取过程是由萃取和分离过程组合而成的。

双水相萃取（(Aqueous two phase extraetion，ATPE）是基于萃取机理的一种新型分离技术，20世纪60年代由瑞典学者Alberttson首先提出。双水相萃取与水一有机相萃取的原理相似，都是依据物质在两相间的选择性分配。当萃取体系的性质不同时，物质进人双水相体系后，由于表面性质、电荷作用和各种力(如憎水键、氢键和离子键等)的存在和环境因素的影响，使其在上、下相中的浓度不同从而达到分离的目的。

色谱分离技术，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。

分子蒸馏是一种特殊的液一液分离技术，它不同于传统蒸馏依靠沸点差分离原理，而是靠不同物质分子运动平均自由程的差别实现分离。当液体混合物沿加热板流动并被加热，轻、重分子会逸出液面而进人气相，由于轻、重分子的自由程不同，因此，不同物质的分子从液面逸出后移动距离不同。从而达到物质分离的目的。

2.2新型分离技术的应用

超临界萃取是基于萃取机理的一种新型分离技术，具有节能、无污染、省资源，可在温和条件下完成分离操作等优点。近二十年来，被广泛应用于石油、医药、食品、香料中许多特定组分的萃取及分离，如从绿茶中脱除咖啡因[1]，从啤酒花中提取有效成分[2]，从油沙中提取油气[3]，从植物中提取有价值的生物活性物质[4一7]，如药物、胡萝卜素、生物碱、香精香料、调味品及化妆品等;植物和动物油脂的分级和有价值物质的提取、热敏物质的分离[8];含有机物的废水处理等。

双水相萃取技术已广泛应用于生物化学、细胞生物学、生物化工和食品化工等领域，并取得了许多成功的范例，主要是分离蛋白质，病毒，青霉素毒和线病毒的纯化[9]，核酸，DNA、酶的分离[10]等。

吸附色谱法是指混合物随流动相通过吸附剂(固定相)时，由于吸附剂对不同物质具有不同的吸附力而使混合物中各组分分离的方法。此法特别适用于脂溶性成分的分离。被分离的物质与吸附剂、洗脱剂共同构成吸附层析的三要素，彼此紧密相连。常用的极性吸附剂如氧化铝呈碱性，适于分离生物碱等成分[11]。

分子蒸馏技术对于高沸点、热敏及易氧化物料的分离提供了最佳分离方法。可极有效地脱除液体中的物质如有机溶剂、臭味等[12]，这对于采用溶剂萃取后液体的脱溶是非常有效的方法。