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1、电渗析技术在产品分离提纯中的应用 作者： 日期：2 电渗析技术在产品分离提纯中的应用宋新生 张耀武 胡明峰 谭文锋浙江千秋环保水处理有限公司（浙江临安） 311311摘要：利用电渗析脱盐这一特性，从某些化工、医药、食品等产品中去除无机电解质，达到分离、净化、提纯和精制的目的，以提高产品的品质。电渗析膜技术作为一项高科技手段，以其高效、节能、无三废、占地少等优点，通过不同工艺，必将越来越广泛地应用于精细化学工业，染料工业，冶金工业，食品工业，生物工程、医药工业等领域的特种分离，环保工程，资源回收，有机电解，食品脱盐浓缩等，为产品的分离提纯发挥越来越大的作用。浙江千秋环保水处理有限公司研制开发了化
2、工分离膜和电渗析工艺，在市场开发和应用方面取得了很多经验。该公司特种分离膜和膜分离设备系列产品的开发已立项上报国家2006年环境和资源节约综合利用备选项目，得到了有关部门的大力支持。关键词：电渗析；分离提纯；应用一、电渗析原理与过程电渗析技术，就是在直流电场的作用下，利用阴、阳离子交换膜对溶液中阴、阳离子的选择透过性(即阳膜只允许阳离子通过，阴膜只允许阴离子通过)，而使溶液中的溶质与水分离的一种物理化学过程，如图1。电渗析系统由阴、阳膜交替排列于两电极之间组成许多由膜隔开的小水室。当原离子交换膜图1 离子交换膜电渗析原理和过程水进入这些小室时，在直流电场的作用下，溶液中的离子作定向迁移。阳离子
3、向阴极迁移，阴离子向阳极迁移。但由于离子交换膜具有选择透过性，结果使一些小室离子浓度降低而成为淡水室，与淡水室相邻的小室则因富集了大量离子而成为浓水室。从淡水室和浓水室分别得到淡水和浓水。原水中的离子得到了分离和浓缩，水便得到了净化。其原理如图2所示。图2在电渗析过程中，除了上述离子电迁移和电极反应两主要过程以外，同时还发生一系列次要过程，如下所述。(1)反离子的迁移 因为离子交换膜的选择性不可能达到100，所以也有少量与离于交换膜解离离子电荷相反的离子透过膜，即阴离子透过阳膜，阳离子透过阴膜。当膜的选择性固定后，随着浓室盐浓度增加，这种反离子迁移影响加大；(2)电解质浓差扩散 由于膜两侧溶液
4、浓度不同，在浓度差作用下，电解质由浓室向淡室扩散，扩散速度随浓度差的增高而增长； (3)水的渗透 由于浓、淡水室存在浓度差，又是由半透膜隔开，在水的渗透压作用下，水由淡水室向浓水室渗透。浓度差愈大，水的渗透量也愈大；(4)水的电渗透 溶液中离子实际上都是以水合离子形式存在，在其电迁移过程中必然携带一定数量的水分子迁移，这就是水的电渗透。随着溶液浓度的降低，水的电渗透量急聚增加；(5)水的压渗 当浓室和淡室存在着压力差时，溶液由压力高的一侧向压力低的一侧渗漏；(6)水的电离 在不利的操作条件下，由于电流密度与液体流速不匹配，电解质离子未能及时地补充到膜的表面，而造成膜的淡水侧发生水的电离，生成H
5、+和OH-离子，以补充淡水侧离子之不足。综上所述，电渗析器在运行时，同时发生着多种复杂过程。主要过程是电渗析处理所希望的，而次要过程却对处理不利。例如，反离子迁移和电解质浓差扩散将降低除盐效果；水的渗透、电渗和压渗会降低淡水产量和浓缩效果；水的电离会使耗电量增加，导致浓水室极化结垢等，因此，在电渗析器的设计和操作中，必须设法消除或改善这些次要过程的不利影响。二、电渗析技术在荧光增白剂料液脱盐提纯中的应用一九九九年起，我公司与清华同方股份公司化工公司技术合作，为其生产的荧光增白剂料液进行后处理，即脱盐提纯，提高产品品质。荧光增白剂（Fluorescent Whitening Agents简称FW
6、A）是一类结构特殊而复杂的大分子有机化合物，是含苯乙烯类大分子水溶液，主要成份分子量在1000以上，苯乙烯类大分子含量10%左右，比重10001050kg/m3，粘度略大于水，它能吸收人肉眼看不见的紫外光（波长300400nm），然后发射出人肉眼可见的篮紫色荧光（波长420480nm），因而能利用光学作用原理显著地提高被作用物的白度和光泽，即增白、增艳，又称白色染料，被广泛用于造纸、纺织、塑料、涂料、合成洗涤剂和皮革等工业。荧光增白剂自上世纪二十年代发现以来，发展迅速，由于它能显著地增白物体而不破坏其化学结构，得到工业界的广泛青睐。电渗析器采用的是400mm1600mm，一级三段250对膜，循
7、环脱盐。荧光增白剂料液经预处理后，起始电导率为40000s/cm（NaCl含量2%左右），经电渗析循环脱盐后电导率达到15000s/cm即符合要求。2001年2002年，诚志股份公司募集资金实施了年产8400吨新型液体荧光增白剂项目，我公司为其荧光增白剂料液进行后处理提供了成套电渗析设备和处理工艺。三、电渗析技术在甜菜碱料液脱盐提纯中的应用甜菜碱（betaine,betafin）是一种天然的类维生素物质，其分子式为：（CH3）3NCH2COO,分子量117，学名甘氨酸三甲胺乙内盐，它广泛存在于动植物体内并有着重要的功能，在医药方面，甜菜碱可用于生产治疗和预防肝脏病的药物、抗生素的原料。甜菜碱可
8、以用作食品添加剂，对老人保健、儿童生长发育都能起到良好的促进作用。在日用化工方面，甜菜碱是优异的保湿剂和甜味剂，可以添加到香波、浴液、护发素、护肤膏和牙膏中，如多芬系列、花王系列的日用化学品中即含有甜菜碱成分。向生长条件恶劣如干旱、高盐、高温、高湿等的植物或作物外源性施用甜菜碱能促进它们的生长、提高它们的产量，在土豆、烟草、茄子、玉米、小麦、高梁和草坪等方面的使用有力地证明了这一点；甜菜碱作为水产养殖诱食剂具有强诱食活性。对鱼、虾、蟹、鳖、牛蛙等水生物摄饵有特殊的刺激和促进作用，提高采食率，降低饵料系数；甜菜碱又是水生物最重要的渗透压缓冲物质，可增强鱼、虾渗透压激变耐力，提高成活率。甜菜碱系氨
9、基酸内盐，作为高效甲基供给体，可以部分替代蛋氨酸。甜菜碱具有抗脂肪肝功能，增强脂肪代谢，降低猪背膘厚度，改善肉质，提高瘦肉率。仔猪饲料中添加甜菜碱，可提高断奶仔猪采食率，使仔猪在断奶12周期间増重率显著提高。由于具有抗脂肪肝、增强脂肪代谢的功能，使得甜菜碱成为宠物饲料中最受欢迎的饲料添加剂。 二十世纪八十年代开始，欧美普遍在水产和畜禽养殖中使用甜菜碱，九十年代甜菜碱开始进入我国市场。经过十多年，饲料养殖业已普遍认同甜菜碱作为饲料添加剂使用所具有的重要功能。甜菜碱一般是从甜菜糖蜜废水中提取，如国外的公司Finnsugar Bioproducts 或Nutristim Cultor Oy ，甜菜碱
10、注册商标BETAFIN；国内的沈阳市石油化工研究院，甜菜碱注册商标莲花牌，他们都是从甜菜糖蜜废水中提取生产甜菜碱的。天然提取甜菜碱由于受制于甜菜糖厂的规模，产量非常有限，国内市场上进口或国产的甜菜碱都是天然提取物，因而价格不菲，达3.5万元/吨以上。甜菜碱价格高昂的根本原因就在于：以前人们无法由化学合成大规模制备甜菜碱，虽然化学合成甜菜碱不是一件很困难的事情，但是经济地分离获得高纯度的甜菜碱却是非常不容易的，国内基本上没有化学合成的甜菜碱进入市场。我公司与清华紫光股份公司英力公司技术合作，采用电渗析技术，在甜菜碱料液脱盐提纯分离工艺方面取得了突破，电渗析器采用的是400mm800mm，一级三段
11、100对膜，循环脱盐。甜菜碱料液经预处理后，起始电导率为33000s/cm（CaCl2含量7%左右），经电渗析循环脱盐后电导率达到100s/cm，结晶后含盐量在0.2%以下。首次经高科技手段由化学合成法生产出含量达98%以上高纯度的甜菜碱，产品中无其它化学物质残留。四、电渗析技术在阿斯巴甜料液脱盐提纯中的应用阿斯巴甜，学名天门冬酰苯丙氨酸甲酯，俗称甜味素。化学名称-L-天冬氨酰-L- 苯丙氨酸甲酯，分子式C14H18N2O5，分子量294.30。阿斯巴甜是一种新型的氨基酸类高甜度甜味剂,是由L-天冬氨酸和L-苯丙氨酸组成的二肽化合物.而没有其他人造甜味剂的苦味,化学味或金属味。阿斯巴甜能增进水
12、果的风味降低咖啡的苦味，有效地降低热量,而且不会造成牙齿龋坏，具有与蛋白质相类似的代谢作用。阿斯巴甜具有风味好、甜度高、热值低、安全可靠等特点，可广泛应用于碳酸饮料、带果肉饮料、果酱、果味粉、速溶咖啡、冷冻奶制品、胶冻软糖、口香糖、蜜饯、色拉调味剂的制作。阿斯巴甜也可制成粒、片、粉或汁剂，作为蔗糖的替代品直接加到日常甜食中，尤其适宜于糖尿病、肥胖病等忌糖患者服用。我公司与某合资公司技术合作，采用电渗析技术，在阿斯巴甜料液脱盐提纯分离工艺方面取得了成功，电渗析器采用的是400mm1600mm，一级三段200对膜，循环脱盐。阿斯巴甜料液经预处理后，起始电导率为22000s/cm，经电渗析循环脱盐后
13、电导率达到700s/cm即符合要求。五、电渗析技术在甘氨酸料液脱盐提纯中的应用氨基酸是含有氨基的有机酸，构成蛋白质的基本单位。1820年在蛋白质的水解产物中发现了结构最简单的甘氨酸，在分子中同时具有酸性和碱性官能团，在水溶液中为强电解质，在食品加工中甘氨酸可用作食品的防腐剂，延长其保质期；在含酒精饮料和动植物食品的加工中，则作为调味剂、甜味剂、增香剂、营养增补剂，此外，在甜酱、酱油、醋、果汁中添加甘氨酸，达到改善食品的风味和增加食品营养的目的。在医药方面，甘氨酸可以合成多种药物，如治疗高血压药物盐酸地拉普利、抑制胃溃疡用碳酸钙制剂、扑热息通甘氨酸盐、单甘氨酸乙酰水杨酸钙、利血胺注射液、抗巴帕金
14、森氏病药物L-多巴、甲砜霉素等。工业级甘氨酸则主要用于大规模生产除草活性最强的除草剂草甘膦。国内甘氨酸的生产规模目前约为23 kt/a，产品均为工业级甘氨酸，用于生产农药草甘膦和植物生长调节剂增甘膦。根据甘氨酸的制备工艺和产品的纯度可分为食品级、医药级、饲料级和工业级四种规格产品。它是一种广泛用于农药、医药、食品、饲料和化肥等行业的精细化工产品和有机合成中间体。甘氨酸的分离提纯一般采用醇析法，需大量添加甲醇，造成设备投资剧增，能源消耗高，甘氨酸损失也大。在工业级甘氨酸精制高纯度的甘氨酸过程中，也有采用离子交换树脂法的，但离子交换树脂法需反复进行离子交换 洗脱 再生，操作麻烦，树脂易破碎和消耗。
15、我公司与清华紫光股份公司英力公司技术合作，采用电渗析技术，在甘氨酸料液脱盐提纯分离工艺方面取得了突破，电渗析器采用的是400mm800mm，一级三段100对膜，循环脱盐。经预处理后，甘氨酸料液起始电导率为69000s/cm（NH4Cl2含量12%左右），调等电点PH为5.98，经电渗析循环脱盐后电导率达到500s/cm，完成对甘氨酸生产副产物氯化氨的分离，分离提纯得率提高到95%以上，而一般醇析法甘氨酸损失率为10%12%以上。结晶后含盐量在0.3%以下，首次经高科技手段生产出含量达99%以上高纯度的甘氨酸。六、电渗析技术在光触媒产品中的应用光触媒技术又称光催化技术，是一项国际新兴环保高新技术。它可分解氨、苯等有害物质的空气净化技术越来越受消费者的欢迎。2004年底全球光触媒相关产品规模达到了500亿美元，2005年更是翻了一番。光触媒产品是通过钠米TiO2受到紫外线照射后，在其表面逸出电子和空穴，这种电子和空穴与空气中的
