電滲析技術(shù)在產(chǎn)品分離提純中的應(yīng)用

PAGE作者簡(jiǎn)介：宋新生，男，1969年出生，浙江千秋環(huán)保水處理有限公司副總經(jīng)理，高級(jí)工程師。主要從事離子交換膜與電滲析設(shè)備等的開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用研究，承擔(dān)杭州市海洋經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展項(xiàng)目。PAGE4電滲析技術(shù)在產(chǎn)品分離提純中的應(yīng)用宋新生張耀武胡明峰譚文鋒浙江千秋環(huán)保水處理有限公司（浙江臨安）311311摘要：利用電滲析脫鹽這一特性，從某些化工、醫(yī)藥、食品等產(chǎn)品中去除無(wú)機(jī)電解質(zhì)，達(dá)到分離、凈化、提純和精制的目的，以提高產(chǎn)品的品質(zhì)。電滲析膜技術(shù)作為一項(xiàng)高科技手段，以其高效、節(jié)能、無(wú)三廢、占地少等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)不同工藝，必將越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于精細(xì)化學(xué)工業(yè)，染料工業(yè)，冶金工業(yè)，食品工業(yè)，生物工程、醫(yī)藥工業(yè)等領(lǐng)域的特種分離，環(huán)保工程，資源回收，有機(jī)電解，食品脫鹽濃縮等，為產(chǎn)品的分離提純發(fā)揮越來(lái)越大的作用。浙江千秋環(huán)保水處理有限公司研制開(kāi)發(fā)了化工分離膜和電滲析工藝，在市場(chǎng)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用方面取得了很多經(jīng)驗(yàn)。該公司《特種分離膜和膜分離設(shè)備系列產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)》已立項(xiàng)上報(bào)國(guó)家2006年環(huán)境和資源節(jié)約綜合利用備選項(xiàng)目，得到了有關(guān)部門(mén)的大力支持。關(guān)鍵詞：電滲析；分離提純；應(yīng)用一、電滲析原理與過(guò)程電滲析技術(shù)，就是在直流電場(chǎng)的作用下，利用陰、陽(yáng)離子交換膜對(duì)溶液中陰、陽(yáng)離子的選擇透過(guò)性(即陽(yáng)膜只允許陽(yáng)離子通過(guò)，陰膜只允許陰離子通過(guò))，而使溶液中的溶質(zhì)與水分離的一種物理化學(xué)過(guò)程，如圖1。電滲析系統(tǒng)由—系列陰、陽(yáng)膜交替排列于兩電極之間組成許多由膜隔開(kāi)的小水室。當(dāng)原離子交換膜圖1離子交換膜電滲析原理和過(guò)程水進(jìn)入這些小室時(shí)，在直流電場(chǎng)的作用下，溶液中的離子作定向遷移。陽(yáng)離子向陰極遷移，陰離子向陽(yáng)極遷移。但由于離子交換膜具有選擇透過(guò)性，結(jié)果使一些小室離子濃度降低而成為淡水室，與淡水室相鄰的小室則因富集了大量離子而成為濃水室。從淡水室和濃水室分別得到淡水和濃水。原水中的離子得到了分離和濃縮，水便得到了凈化。其原理如圖2所示。圖2在電滲析過(guò)程中，除了上述離子電遷移和電極反應(yīng)兩主要過(guò)程以外，同時(shí)還發(fā)生一系列次要過(guò)程，如下所述。(1)反離子的遷移因?yàn)殡x子交換膜的選擇性不可能達(dá)到100％，所以也有少量與離于交換膜解離離子電荷相反的離子透過(guò)膜，即陰離子透過(guò)陽(yáng)膜，陽(yáng)離子透過(guò)陰膜。當(dāng)膜的選擇性固定后，隨著濃室鹽濃度增加，這種反離子遷移影響加大；(2)電解質(zhì)濃差擴(kuò)散由于膜兩側(cè)溶液濃度不同，在濃度差作用下，電解質(zhì)由濃室向淡析循環(huán)脫鹽后電導(dǎo)率達(dá)到100μs/cm，結(jié)晶后含鹽量在0.2%以下。首次經(jīng)高科技手段由化學(xué)合成法生產(chǎn)出含量達(dá)98%以上高純度的甜菜堿，產(chǎn)品中無(wú)其它化學(xué)物質(zhì)殘留。四、電滲析技術(shù)在阿斯巴甜料液脫鹽提純中的應(yīng)用阿斯巴甜，學(xué)名天門(mén)冬酰苯丙氨酸甲酯，俗稱(chēng)甜味素?；瘜W(xué)名稱(chēng)α-L-天冬氨酰-L-苯丙氨酸甲酯，分子式C14H18N2O5，分子量294.30。阿斯巴甜是一種新型的氨基酸類(lèi)高甜度甜味劑,是由L-天冬氨酸和L-苯丙氨酸組成的二肽化合物.而沒(méi)有其他人造甜味劑的苦味,化學(xué)味或金屬味。阿斯巴甜能增進(jìn)水果的風(fēng)味降低咖啡的苦味，有效地降低熱量,而且不會(huì)造成牙齒齲壞，具有與蛋白質(zhì)相類(lèi)似的代謝作用。

阿斯巴甜具有風(fēng)味好、甜度高、熱值低、安全可靠等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于碳酸飲料、帶果肉飲料、果醬、果味粉、速溶咖啡、冷凍奶制品、膠凍軟糖、口香糖、蜜餞、色拉調(diào)味劑的制作。阿斯巴甜也可制成粒、片、粉或汁劑，作為蔗糖的替代品直接加到日常甜食中，尤其適宜于糖尿病、肥胖病等忌糖患者服用。我公司與某合資公司技術(shù)合作，采用電滲析技術(shù)，在阿斯巴甜料液脫鹽提純分離工藝方面取得了成功，電滲析器采用的是400mm×1600mm，一級(jí)三段200對(duì)膜，循環(huán)脫鹽。阿斯巴甜料液經(jīng)預(yù)處理后，起始電導(dǎo)率為22000μs/cm，經(jīng)電滲析循環(huán)脫鹽后電導(dǎo)率達(dá)到700μs/cm即符合要求。五、電滲析技術(shù)在甘氨酸料液脫鹽提純中的應(yīng)用氨基酸是含有氨基的有機(jī)酸，構(gòu)成蛋白質(zhì)的基本單位。1820年在蛋白質(zhì)的水解產(chǎn)物中發(fā)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的甘氨酸，在分子中同時(shí)具有酸性和堿性官能團(tuán)，在水溶液中為強(qiáng)電解質(zhì)，在食品加工中甘氨酸可用作食品的防腐劑，延長(zhǎng)其保質(zhì)期；在含酒精飲料和動(dòng)植物食品的加工中，則作為調(diào)味劑、甜味劑、增香劑、營(yíng)養(yǎng)增補(bǔ)劑，此外，在甜醬、醬油、醋、果汁中添加甘氨酸，達(dá)到改善食品的風(fēng)味和增加食品營(yíng)養(yǎng)的目的。在醫(yī)藥方面，甘氨酸可以合成多種藥物，如治療高血壓藥物鹽酸地拉普利、抑制胃潰瘍用碳酸鈣制劑、撲熱息通甘氨酸鹽、單甘氨酸乙酰水楊酸鈣、利血胺注射液、抗巴帕金森氏病藥物L(fēng)-多巴、甲砜霉素等。工業(yè)級(jí)甘氨酸則主要用于大規(guī)模生產(chǎn)除草活性最強(qiáng)的除草劑草甘膦。國(guó)內(nèi)甘氨酸的生產(chǎn)規(guī)模目前約為23kt/a，產(chǎn)品均為工業(yè)級(jí)甘氨酸，用于生產(chǎn)農(nóng)藥草甘膦和植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑增甘膦。根據(jù)甘氨酸的制備工藝和產(chǎn)品的純度可分為食品級(jí)、醫(yī)藥級(jí)、飼料級(jí)和工業(yè)級(jí)四種規(guī)格產(chǎn)品。它是一種廣泛用于農(nóng)藥、醫(yī)藥、食品、飼料和化肥等行業(yè)的精細(xì)化工產(chǎn)品和有機(jī)合成中間體。甘氨酸的分離提純一般采用醇析法，需大量添加甲醇，造成設(shè)備投資劇增，能源消耗高，甘氨酸損失也大。在工業(yè)級(jí)甘氨酸精制高純度的甘氨酸過(guò)程中，也有采用離子交換樹(shù)脂法的，但離子交換樹(shù)脂法需反復(fù)進(jìn)行離子交換洗脫再生，操作麻煩，樹(shù)脂易破碎和消耗。我公司與清華紫光股份公司英力公司技術(shù)合作，采用電滲析技術(shù)，在甘氨酸料液脫鹽提純分離工藝方面取得了突破，電滲析器采用的是400mm×800mm，一級(jí)三段100對(duì)膜，循環(huán)脫鹽。經(jīng)預(yù)處理后，甘氨酸料液起始電導(dǎo)率為69000μs/cm（NH4Cl2含量12%左右），調(diào)等電點(diǎn)PH為5.98，經(jīng)電滲析循環(huán)脫鹽后電導(dǎo)率達(dá)到500μs/cm，完成對(duì)甘氨酸生產(chǎn)副產(chǎn)物氯化氨的分離，分離提純得率提高到95%以上，而一般醇析法甘氨酸損失率為10%～12%以上。結(jié)晶后含鹽量在0.3%以下，首次經(jīng)高科技手段生產(chǎn)出含量達(dá)99%以上高純度的甘氨酸。六、電滲析技術(shù)在光觸媒產(chǎn)品中的應(yīng)用光觸媒技術(shù)又稱(chēng)光催化技術(shù)，是一項(xiàng)國(guó)際新興環(huán)保高新技術(shù)。它可分解氨、苯等有害物質(zhì)的空氣凈化技術(shù)越來(lái)越受消費(fèi)者的歡迎。2004年底全球光觸媒相關(guān)產(chǎn)品規(guī)模達(dá)到了500億美元，2005年更是翻了一番。光觸媒產(chǎn)品是通過(guò)鈉米TiO2受到紫外線照射后，在其表面逸出電子和空穴，這種電子和空穴與空氣中的氧和水結(jié)合產(chǎn)生了具有極強(qiáng)氧化能力的羥基活性氧，產(chǎn)生很強(qiáng)的催化活性。它們可分解對(duì)人體和環(huán)境有害物質(zhì)，如甲醛、氨、苯等。但是光觸媒相關(guān)產(chǎn)品在生產(chǎn)反應(yīng)過(guò)程中出現(xiàn)了大量的無(wú)機(jī)鹽，對(duì)產(chǎn)品帶來(lái)了負(fù)面影響。如鈉米薄膜出現(xiàn)不同程度的結(jié)晶等。為了更好的解決產(chǎn)品的缺陷問(wèn)題，我公司與寧波康瑞潔公司合作開(kāi)發(fā)了光觸媒半成品脫鹽電滲析。設(shè)備采用了400×800mm，160對(duì)膜，一級(jí)兩段1.5t/h全循環(huán)工藝，濃、淡極分別進(jìn)水。還采用本公司核心技術(shù)特殊研制的離子膜以及特殊的隔板結(jié)構(gòu)。成功的將原液電導(dǎo)從129500us/cm（25℃）脫至50000us/cm（25七、結(jié)論在苦咸水淡化和工業(yè)用水除鹽、超純水制取等的前級(jí)處理方面，也就是脫鹽率在80%左右要求的場(chǎng)合，由于性價(jià)比，電滲析還是有競(jìng)爭(zhēng)力的，但在脫鹽率要求高的情況下，市場(chǎng)越來(lái)越多的被反滲透所占領(lǐng)。由于反滲透技術(shù)的發(fā)展，在水質(zhì)脫鹽方面比電滲析有一定的優(yōu)點(diǎn)，工業(yè)用水中新上項(xiàng)目越來(lái)越多的采用反滲透技術(shù)，開(kāi)發(fā)特種分離專(zhuān)用膜和特種分離電滲析器顯得越來(lái)越重要。因?yàn)樘胤N分離專(zhuān)用膜和特種分離電滲析器有它獨(dú)到的特點(diǎn)和長(zhǎng)處，而這些方面正是反滲透等其他技術(shù)無(wú)法替代的。特種分離電滲析器，它的推動(dòng)力是電場(chǎng)，反滲透、超濾、納濾的推動(dòng)力則是壓力，目前海水脫鹽需用50-60kg/cm2的壓力，特種分離電滲析器可把海水濃縮到200g/L，若用反滲透則需用幾百公斤的壓力，技術(shù)上有困難，膜也經(jīng)不起這么大的壓力，即使技術(shù)上可行，經(jīng)濟(jì)上也不合算，再則，特種分離電滲析器遷移的是溶質(zhì)，反滲透遷移的是溶劑，除溶劑（水）通過(guò)膜外，所有溶質(zhì)都堵在膜外不讓通過(guò)。而特種分離電滲析器可讓正、負(fù)離子分別通過(guò)陽(yáng)膜和陰膜，通過(guò)研制不同類(lèi)型的特種分離專(zhuān)用膜，可把同電荷的一價(jià)離子和多價(jià)離子分離，還可讓帶同性電荷的離子因遷移速度不同或分子大小的差別對(duì)它們進(jìn)行分離，也可對(duì)帶電荷離子與不帶電荷的物質(zhì)（如有機(jī)分子）進(jìn)行分離，也可只讓氫離子通過(guò)，其他離子不通過(guò)，正因如此，它在精細(xì)化學(xué)工業(yè)，染料工業(yè)，冶金工業(yè)，食品工業(yè)，生物工程、醫(yī)藥工業(yè)等領(lǐng)域的特種分離上具有反滲透等無(wú)法代替的優(yōu)點(diǎn)。國(guó)外發(fā)展的新型離子膜材料也正是發(fā)掘它特有的優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)發(fā)出多種用途和性能的新型膜，并使特種專(zhuān)用膜的電滲析分離技術(shù)得到發(fā)展，這就符合了揚(yáng)長(zhǎng)避短的特點(diǎn)，使電滲析技術(shù)有無(wú)比的生命力和廣闊的市場(chǎng)前景。浙江千秋環(huán)保水處理有限公司的《特種分離膜和膜分離設(shè)備系列產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)》已立項(xiàng)上報(bào)國(guó)家2006年環(huán)境和資源節(jié)約綜合利用備選項(xiàng)目，得到了有關(guān)部門(mén)的大力支持。電滲析在化工、醫(yī)藥、食品等產(chǎn)品分離提純中的應(yīng)用工藝流程見(jiàn)圖3：圖3工藝流程圖應(yīng)用實(shí)例還有：（1）化工有機(jī)產(chǎn)品生產(chǎn)中廢水中常會(huì)有大量無(wú)機(jī)鹽（如：NaCl,Na2SO4等），在降低廢水中的COD處理時(shí)，由于有大量的無(wú)機(jī)鹽存在，細(xì)菌和微生物不能存活而無(wú)法進(jìn)行生化反應(yīng)對(duì)有機(jī)物進(jìn)行降解。所以先用本項(xiàng)目特種分離電滲析器來(lái)脫鹽，含鹽量達(dá)到5000ppm時(shí)再進(jìn)行生化反應(yīng)，使廢水中的COD達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，并消除對(duì)人體有害的毒物；（2）化肥工業(yè)廢水中氨氮嚴(yán)重超標(biāo)，用特種分離電滲析器分離技術(shù)對(duì)氨進(jìn)行回收，不但消除污染，還有一定的經(jīng)濟(jì)效益；（3）電鍍行業(yè)漂洗廢水中含有毒的重金屬離子，也可用特種分離電滲析器對(duì)其回收,并使排出的廢水中重金屬量達(dá)標(biāo)；（4）電解鋁業(yè)工業(yè)中,氧化鋁生產(chǎn)中有大量帶堿的赤泥排出,其水滲入地下水,對(duì)環(huán)境生態(tài)造成嚴(yán)重的影響，用水對(duì)赤泥進(jìn)行清洗后，其廢水用特種分離電滲析器回收其中的堿供生產(chǎn)中回用，清洗后的赤泥因含鈉量減少可用于水泥制造，達(dá)到資源回收實(shí)行循環(huán)經(jīng)濟(jì)的目的；（5）對(duì)草漿制造的黑液，加石灰后黑液中的硅酸鹽和木質(zhì)素沉淀取出后有工業(yè)用途，再用特種分離電滲析器回收液體中的氫氧化鈉可回用于制漿過(guò)程中；（6）醫(yī)藥工業(yè)中為提取生物活性物質(zhì)，在生物工程中為得到微量的最終產(chǎn)品常用鹽析的辦法，所以產(chǎn)品中常常有鹽份，日本用特種分離電滲析器只對(duì)小分子的無(wú)機(jī)離子進(jìn)行脫鹽，而留下大分子的離子產(chǎn)品，這樣產(chǎn)品的質(zhì)量大大得到了提高；（7）我國(guó)生產(chǎn)的活性染料，生產(chǎn)過(guò)程中有鹽析過(guò)程，因染料中含有鹽分影響布料的染色性能，所以國(guó)際上售價(jià)不高，只要選用合適的特種分離電滲析器進(jìn)行脫鹽，即可提高其產(chǎn)品的質(zhì)量；（8）現(xiàn)在乳酸、檸檬酸都用發(fā)酵法，生產(chǎn)過(guò)程中用鈣鹽結(jié)晶——硫酸化工藝，其勞動(dòng)強(qiáng)度大，工藝流程長(zhǎng)，特種分離電滲析器提取乳酸、檸檬酸工藝，將電解質(zhì)離子的中性分子的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以及細(xì)菌進(jìn)行分離，達(dá)到節(jié)約原材料，降低生產(chǎn)成本，改善勞動(dòng)條件，提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益的效果。所以特種分離電滲析器在對(duì)原有生產(chǎn)工藝進(jìn)行技改和清潔生產(chǎn)也是大有可為的；（9）還可用特種分離電滲析器對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生無(wú)用的鹽分離出、有用的酸和堿再回用于生產(chǎn)過(guò)程里。還可用于廢氣治理中，用雙極膜產(chǎn)生的堿對(duì)廢氣中的二氧化碳，氧化氮，氯化氫氣體進(jìn)行吸收，以減少排出的氣體形成酸雨，堿性液體吸收氣體后加入產(chǎn)生的酸使其形成高濃度的三氧化硫等，用于工業(yè)制酸；（10）在制藥行業(yè)：藥物的除鹽提純；食品工業(yè)：果汁、乳清等的除鹽；廢水處理工程：工業(yè)廢水處理，提取有價(jià)值成分。由于一般有機(jī)電解質(zhì)的分子量比無(wú)機(jī)電解質(zhì)的分子量大，或者有的有機(jī)物不帶電，在通常電滲析條件下較難通過(guò)離子交換膜或者不進(jìn)行電遷移，因而可利用這一特性，從某些有機(jī)產(chǎn)品中去除無(wú)機(jī)電解質(zhì)，達(dá)到分離、凈化、提純和精制的目的，以提高產(chǎn)品的品質(zhì)。另外當(dāng)采用電滲析技術(shù)還可對(duì)現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)中的工藝進(jìn)行改造，形成清潔生產(chǎn)工藝或提高產(chǎn)品質(zhì)量。如應(yīng)用于食品工業(yè)中的果汁脫酸、乳清脫鹽、牛奶脫鈣制造母乳化奶粉，還有甘露醇的提取等等。在電滲析脫鹽初期,電流效率是相當(dāng)高的，當(dāng)脫鹽率達(dá)到一定值后，比如65%（其實(shí)是料液含鹽量下降到一定程度），濃水側(cè)的含鹽量增加，其濃度高于淡水側(cè)。在這種情況下，由于濃差擴(kuò)散的原因，電流效率就會(huì)降低。因此，在工藝流程方面，要設(shè)計(jì)濃水部分排放，并補(bǔ)充相當(dāng)數(shù)量的清水，使其濃水室的含鹽濃度略低于淡水室，以提高電流效率。并且還由于脫鹽時(shí)間的縮短，使化工料液損失率減少，得率相應(yīng)提高。在電滲析過(guò)程中，輸入電滲析器的直流電一部分通過(guò)離子交換膜構(gòu)成有效的主電路，另一部分則因形成傍路而泄漏，即成無(wú)效的漏電電路。漏電電路的存在是產(chǎn)生漏電的原因，也因此增加了能耗。雖然在電滲析過(guò)程中，漏電流是不可避免的，但我們通過(guò)研究，從電滲析器合理設(shè)計(jì)著手，在結(jié)構(gòu)上加長(zhǎng)了布水槽長(zhǎng)度，從1cm加長(zhǎng)到2.5cm，這樣有效地減少了漏電流，使漏電流控制在5%以下，增加了主電流強(qiáng)度，從而克服了常規(guī)電滲析器漏電流大，電流效率低，分離濃縮效果差，有時(shí)甚至造成膜燒壞等缺點(diǎn)，提高了電流效率和分離濃縮效果，同時(shí)也達(dá)到了節(jié)能目的。電滲析膜技術(shù)在產(chǎn)品的分離提純方面的應(yīng)用特點(diǎn)：⑴產(chǎn)品性能影響小。電滲析工藝在常溫下進(jìn)行，適用于氨基酸、維生素等熱敏的活潑化合物的生產(chǎn)，減少了其結(jié)構(gòu)的破壞可能性或減少副反應(yīng)的發(fā)生，穩(wěn)定了產(chǎn)品質(zhì)量；⑵能源消耗低。電滲析工藝過(guò)程為常溫?zé)o相變過(guò)程，僅用電能來(lái)遷移水中的離子，從熱力學(xué)分析可知，無(wú)相變過(guò)程比相變過(guò)程耗能要低，所以在一定的含鹽量條件下，電滲析被認(rèn)為是能耗較少的技術(shù)；⑶有利于實(shí)施清潔生產(chǎn)。電滲析工藝過(guò)程使用清潔能源——電力，不污染環(huán)境，被稱(chēng)為無(wú)三廢化工操作單元。電滲析膜技術(shù)作為一項(xiàng)高科技手段，以其高效、節(jié)能、無(wú)三廢、占地少等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)不同工藝，必將越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于精細(xì)化學(xué)工業(yè)，染料工業(yè)，冶金工業(yè)，食品工業(yè)，生物工程、醫(yī)藥工業(yè)等領(lǐng)域的特種分離，環(huán)保工程，資源回收，有機(jī)電解，食品脫鹽濃縮等，為產(chǎn)品的分離提純發(fā)揮越來(lái)越大的作用。參考文獻(xiàn)1.金煉鐵，吳廣文.甘氨酸生產(chǎn)新工藝研究.化學(xué)世界，1993，（4）：P185～189

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