离子交换纤维

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1、新型大产业离子交换纤维产业化第一部分 项目背景一 . 分离技术是涉及分离的各行各业产业化发展的共性技术瓶颈在如下 5 个方面决定行业从整体上降低生产成本、缩短生产周期、改进分 离效 果、提高产品收率和提升产品品质的关键技术， 就是其分离技术。 分离技术 的重要 性体 现在产品分离提取、纯化、回收的费用占整个产品生产过程的 60-95%，人们已 经深刻认识到分离技术水平是阻碍食品饮料、 生物工程、 医药保 健、环境保护以 及冶金工业等行业产业化发展的一个共性技术瓶颈。1. 食品饮料方面1) 糖业生产精制糖。 脱色历来是制糖工业的难题之一， 也是精炼糖工业中 一 个最重要的过程。 生产精制糖关键是

2、在蔗糖加工中选择性分离糖浆中天然有色 物质 和灰分等 杂质，代替传统蔗糖生产过程的硫漂工艺，避免糖浆中引入非糖 物。2) 果汁后浑浊控制。国内浓缩果汁生产企业普遍存在加工过程中果汁褐 变、色 值和透光率不稳定及产品存放过程中的后混浊现象， 极大影响了产品质量 和产品出 口信 誉。目前通常采用活性炭吸附和 PVPP 处理两种方法，前者劳动强 度大，生产 过程中的废渣处理容易对环境造成污； 后者的处理费用很高， 生产成 本大，绝大部 分 企业难以承受。对于棒曲霉素和甲胺磷等有害物质的去除，目 前尚未找到很好的 分离方法。2. 环境保护方面1) 空气净化与有害气体分离。 祛除空气中的酸性气体、 水蒸

3、气、 酸性和碱 性悬浮颗粒(包括所有的酸和碱，S02 H2S C02 NOX HCN等)，车辆尾气净化以及与 水和氧气反应生成酸或碱(如CI2 NO)等，不同工作环境的空气净化。2) 废水污水处理。主要是处理废水中的金属离子 ( 如铜 汞 铬 铅等 ) 废水中 含的酚类物质与核电站废水中含有的带放射性污染物质， 以及污水净化处 理达标排 放。3. 生物工程方面1) 转化酶的固化。用带胺基的分离材料与转化酶之间的静电引力来进行转 化酶 的固化，追求对酶的固化效果最好。2) 氨基酸的分离。 选择分离苏氨酸缬氨酸 丙氨酸亮氨酸 赖氨酸 组氨 酸等氨基酸。3) 固相合成催化剂。 寻求作为固相合成催化剂

4、， 在采用多级洗脱的方法合 成 活性肽大分子。4) 天然产物分离提取。如选择性分离提取大分子胰岛素 小分子蛋白等。4. 医疗保健方面1) 医药有效成分的分离提纯。如红霉素的分离纯化，降低红霉素c的含量， 提高红霉素A的含量。在中药有效成分选择性的分离提取也对分离技术要求很高。2) 高纯水的制备与水的净化。 在电渗析过滤中去除水中电解质离子使水得 到 进一步的纯化，得到用于医疗注射的高纯水， 以及饮用水的净化和海水淡化等。3) 杀菌除臭。具有针对性地杀菌除臭 吸汗除湿，用作吸血性卫生材料 放射性 吸收和防护材， 也可制成保健内衣物等， 均要求对菌类和放射性物质较高 的选择性 吸附富集，达到医疗保

5、健作用。5. 冶金工业方面1 ) 湿法冶炼贵重金属。 利用一种对氰化金和不同金属氰络合物具有良好选 择 性吸附，达到对金的冶炼。2） 海水提铀和稀土元素分离。 世界上海水储量很大， 尽管其中铀的浓度只 有 3 3.3 X 10-9 ，但折合储量仍达 5 亿吨之巨。稀土元素选择性分离提取和回 收。随着分离技术近几十年迅速的发展，已经应用到人类活动的许多领域。从 轻工 业到化学、钢铁工业，从食品工业到汽车、电子工业，从潜艇到宇宙飞船和 某些新兴 技术中，无不展现出分离技术的重要作用。二 . 分离技术水平高低起关键决定因素是分离材料 众所周知，分离物质浓度越小，液 （ 气、固 ） 相组分越复杂，从中

6、分离所 需物质的费用就越高。 在实际工业化应用 中， 分离物质通常含量低， 并与多种物 质同时存在， 目前国内外分离 提取工艺普 遍采用溶媒 萃取法、离子交换法、 吸附法、沉淀法。溶媒萃取法的原理是所分离的物质以不同的化学状态 （ 游离状态或成盐状 态 ） 存在时， 在水及与水不互溶的溶媒中有不同的溶解度， 当进行转移时， 杂质 不能或较少地随着转移， 因而能达到分离、 浓缩和提纯的目的。 溶媒萃取法又有 溶媒反复 萃取、溶媒萃取结合中间盐沉淀以及薄膜浓缩结合溶媒萃取三条途径。 溶 媒萃取法的优点是能够连续进行生产， 周期短， 收率高， 缺点是最终成品品质 不 够高，萃取 过程易发生乳化现象，

7、因此需要高速离心萃取机，价格高、耗电 多、维 修费用贵，溶媒回收耗能大。离子交换法是利用离子交换树脂和分离物质之间的化学亲和力，有选择地 将分 离物质吸附上去， 然后用洗脱剂将它洗脱下来。 大孔树脂吸附法是近来发展 起来的 一种 新工艺，总收率相当或高于溶媒法，质量与溶媒法相当，但吸附速 度与吸附效 果不很稳定， 易受流速与溶质浓度影响。 洗脱和再生时周期长， 并且 树脂在每次 吸附后 都需用酸碱处理，使之活化，废液处理量大。吸附法是利用吸附剂与分离物质之间的分子引力将所需分离物质吸附在吸 附剂 上。吸附剂有各种活性炭、 骨炭、氧化铝、 硅胶、漂白土、大孔吸附树脂等。 吸附 法的 优点是操作简

8、便，缺点是吸附性能不稳定，有些杂质会被一起吸附， 在洗脱时 又一起被洗脱下来，导致使产品纯度不高。沉淀法是将分离物质和某些无机、有机离子或整个分子形成沉淀复合物， 然后 再将此沉淀物在适宜的条件下分解，将分离物质分离开来。该法简单经济， 浓缩倍数 高，但对工艺条件要求严格，在沉淀与沉淀转化过程中容易形成试剂 污染，回收耗能 大，废液处理量大，工艺成本偏高。20 世纪 60 年代发展起来的采用大孔树脂分离技术，受到科技界和产业界 人士 的关注， 已经得到工业化应用。 在选择性分离要求高的条件下， 离子交换技 术作 为 吸附分离领域中的新学科， 已被广泛运用于水处理、 环保、新材料合成、 湿法 冶

9、金、色谱、膜科学技术及分离科学技术等领域。随着社会的发展与技术 的进步，人们在进行科技创新产业化时对分离技术 提出 了新的要求。 1、吸附量要大，吸附速度要快； 2、选择吸附能力大，可将溶 液里的 所需物质或有害物质有选 择的分离出来， 大大缩减生产流程； 3、在被吸 附液及脱 附液中稳定性好，经久耐用； 4、便宜又能大量供应，脱附容易，能反 复使用，缩短 分离生产周期，大幅度 降低生产成本； 5、在吸附过程中又有氧化 还原功能达到高 效分离纯化，提高产品质量与收率，增强产品的市场竞争能力；6、可以多种形式使用 （ 如纤维、织物 ） ，分离技术简单，能耗少，以及品种多， 可根据不同要求使用不同

10、品种。 7、与所需分离的物质接触面积要大。 要使大孔树脂 满足新的 要求，就要解决大孔树脂在性能方面的某些局限性， 比如说，可以增大比 表面积，使吸附量增大，并加快吸附速度；可以增加活性功 能基，以加强选择吸附 性；可以 简化再生工艺，减少能耗；可以改变应用形状， 使它能以多种形式使用如纱线、织物、纤维束、膜等 ） 。但对于大孔树脂而 言，这些做法都不容易。功能纤维作为新一代高效分离材料， 在很大程度上能满 足上达要求，从表 1 中不难 看出纤维状分离材料较目前国内外广 泛使用的活性 碳、大孔树脂相比性能优越，对 各种离子交换过程有较强的适应性。 因此可以看出，球状、粉状的分离材料客观形状 本

11、身，在增大比表面积、增 加活性功能基的数量和使用形式上有着不可克服的局限 性， 难以大幅度提高分离 技术 水平，满足不了新的要求。 分离技术水平高低起关 键决定因素是分离材料， 改球状、 粉状为纤维状， 是大幅度增大比表面积的有效方 法之一， 有利于在纤维 表面接枝 活性功能基，增强分离物质的选择性，同时又便于 以纤维束、网状、 膜等不同厚度和形式填装于各种分离设备中。 球状、粉状的大孔 树脂将逐渐被纤 维状分离材料所 替代是当前分离提取技术研究中新的方向之一 第二部分 项目的市场前景分析一、国内外制糖业现状和发展趋势 现代制糖业已经延续了一百多年，主要采用亚硫酸 法和碳酸法来进行蔗汁 清净。

12、随着技术革新， 在国外的甘庶糖厂和淀粉糖厂已经广 泛采用活性炭、 离子 交换树脂对 糖汁进行脱色除灰。近年来国外已经开始研究离子 交换纤维在糖浆 脱色中的应用。离子交换技术作为糖浆分离精制材料和解决公害化的 对策材料之 一而得到迅速发 展。美国、日本等国进行了大量的研究工作，并在努力 付诸使 用。我国作为传统的制糖大国， 多数企业还在沿用传统的硫漂工艺进行糖浆 脱色， 不但脱色效果差，成 品糖质量无法达到出口标准和满足诸如饮料行业对糖的 要 求。随着人民生活水平的提高及国际市场的需要， 我国一些骨干制糖企业也已经 开始采用活性炭、离子交换 树脂和膜分离技术对我国制糖企业进行技术改造， 生产 出

13、质量更高的精糖和方糖。 但运用离子交换技术在制糖工业的应用一直处于 研究阶 段，其主要原因包括经济因 素和技术因素。因此我国的制糖业研究人员 一直致力于 开发一种既经济又实用的新型离子交换技术来改造我国传统的制糖 工艺。 离子交换 纤维的研发和应用项目就是瞄准我国制糖业尚不能解决糖浆脱 色问题而裹足不前的现 状而开展的研究。 制糖业是我国农业经济发展的重要支柱 产业之一，是 广西主要的 经济产业之一。产糖量为全国的50%；发展制糖工业对发展广西农业脱贫致富、 促进国民经济发展有着重要作用。 据考察， 广西绝大 部份糖厂目前仍使 用亚硫酸法和碳酸法对糖浆进行脱色，工艺、技术较落后， 该项目的研制

14、成功， 能明显提高糖产品的质量和产量， 其经济效益是可观的。 离 子交 换纤维属于一种功能 性替代产品，生产和使用过程中不产生任何污染，是 一种无公 害的环保产品， 符合国家产业开发政策。 通过实验室的广泛研究和性能 测试，结合 糖厂现场糖浆脱色试 验研究，表明采用离子交换技术处理糖浆可以 取代现有硫漂工 艺， 降低糖浆色值， 降低糖浆中有害金属的含量， 成品糖可以达 到出口优质糖标 准。有利于在我国现已加入 WTC 制糖企业提高产品质量、降低 成本，增强企业在国际市场的竞争力， 这对发展广西特色农业经济， 充分利用区 域 优势，促进西部地区高新技术的推广和制 糖业以及环保产业发展具有非常重

15、大的社意义。蔗糖是目前公认的最佳营养甜味剂。 我国是蔗糖生产大国， 年产量超过 800 万吨。主要品种有白砂糖、绵白糖、赤砂糖。现沿用的落后制糖工艺，使我国生 产的 白 糖因色度、纯度差仍未达到精制糖和出口标准，制糖企业以往的改造技 术都无法 解决糖浆脱色的难题。 在制糖业糖浆脱色历来面临的技术难题是：脱 色效果差 （ 仅 为 20-40%） 且脱色是暂时的，容易被空气氧化重新显色，效果不 稳定，既影响产品 质量又易造成环境污染，而且工艺落后又造成生产成本增加。 目前全国从国外每年引 进精食糖 100 万吨，原因就是国内蔗糖脱色技术不过关， 脱色净度不够，而且白糖存 放久时容易变色而生产不出来

16、高质量的白糖。因此， 迫切需要一种能从根本上彻底清 除 色素并减少有害金属含量的糖浆脱色处理技 术。本项目用离子交换纤维表面吸 附， 阳离子交换纤维脱重金属， 阴离子交换纤 维脱色的原理达到脱色、提纯目的， 经在 广西南宁制糖造纸厂试验，脱色效率 最高可达 95 %。二、市场需求前景及市场竞争力1 国际市场预测 纤维状离子交换材料是近几年来发展迅猛的一类吸附分离材料，在选 择性 吸附、富集与滤除方面，比传统的离子交换树脂具有明显的吸附含量与速度优 势。 在环境保 护、资源回收再生、医药、化工、冶金等方面都有广阔的应用前景。 从国外的研究与应用情况来看，离子交换纤维从气相与液相介质的吸附过程中， 表现 出较高的效 果。目前，美国 、日本和欧洲国家在一些相关产业部门和部分 高科技领 域都有广泛的应用， 如航天飞机上水循环、 海水提铀和核废水处理、 精 密化学分 析仪器 （ 色谱柱 ） 等。离子交换纤维将可能成为新一代环保材