基于纯化过程曲线的纳滤纯化工艺过程研究

基于纯化过程曲线的纳滤纯化工艺过程研究

何铁峰1，秦伟2，朱磊3*，卢松军4

（1.4.苏州海谱尔环境科技有限公司，苏州215000；2.江苏锦诚检测科技有限公司，苏州215000；

3.天津海水淡化所，天津）

摘要：本文详细介绍了纳滤纯化工艺的原理及其关键技术参数，其中关键参数包括：透过率、纯化比、纯化体积等，针对这些参数，基于物料平衡理论提出了一种关键参数图表的绘制及使用方法，图表分为连续定容纯化过程曲线图及等比稀释纯化过程曲线图两种图表，并通过案例介绍了关键参数图表的使用方法。因此在纳滤纯化工艺研究中，可以利用图表法快速查取关联关键技术参数，进行工艺的制定，可行性的预判及实验方案的设计，是一种快速、灵活、科学的工程技术实用方法。

关键词：纳滤；纯化工艺；物料平衡；连续定容；等比稀释

中图分类号：文献标识码：文章编号：

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收稿日期：2023-3-1

基金项目：

作者简介：何铁峰（1983-），男，内蒙古呼伦贝尔人，工程师，从事膜分离技术工艺研发及工程应用工作，电话：15950905290，E-mail：hetiefeng@sina.com.

纳滤膜具有独特的分离特性[1]，一般可截留分子量大于200的物质，透过如乙醇等小分子溶剂成分，同时对无机盐又具有选择性的分离效果。因此纳滤膜常被应用于物料的分离纯化工艺中，其中一种将有效成分留在截留液一侧，杂质被分离从渗透液侧排出的过程叫做纯化过程。如利用纳滤膜将低聚壳聚糖制备液中的一价盐离子脱除，得到纯度高达92%的高活性低聚壳聚糖[2]；纳滤膜在乳糖纯化[3]中的应用、染料纯化[4]中纳滤膜的应用等。

1纳滤纯化工艺原理

图1 纳滤纯化工艺原理

Fig.1 NF purification process principle

依据纳滤这种分离特性[5]，针对某种物料进行脱盐或除杂质的过程可称之为纳滤纯化工艺过程，如图1所示，物料循环罐中溶液经过纳滤的分离一部分含盐或含杂质成分随渗透液被排除，被纯化的物料回流至物料循环罐，为了使小分子杂质或盐分降至要求浓度，一般需在该过程中向料液中加入与该料液体系相同的溶剂进行洗滤。

其中关键的技术参数有：透过率，是指膜在分离某浓度物质物料时，透过液的浓度与原物料浓度的比值，用于表征膜对该物质的透过效率；纯化比，是指针对待分离去除的某物质，纯化后的浓度与最初的浓度比值，该值越小说明纯化过程越彻底；纯化体积，纯化过程中加入额外溶剂的体积量，一般为水的加入量。其他技术参数有：运行压力、流量、PH值、温度等常规操作参数，本文主要讨论建立在物料平衡理论上的几个关键技术参数。

连续定容纯化过程和等比稀释纯化过程是纯化过程中最为常见的工艺方式。

其中连续定容纯化过程是指上述纯化过程中控制渗透液的排除量等于溶剂的加入量，那么在一个纯化工艺的系统中，物料的体积是恒定的，并且渗透液的排放和溶剂的加入也是连续的，这种方式的优点是过程连续，膜所承受物料的浓度冲击负荷小，膜性能稳定，利于膜的长期稳定运行，使用的稀释溶剂量最小，适用于自动化控制，缺点是自动化要求较高，成本较高；

等比稀释纯化过程是指，首先将物料浓缩一定的比例，过程中不加入溶剂，待浓缩过程结束后，加入与浓缩过程排除渗透液同体积的溶剂，然后再浓缩至同样的体积，再加入同样的体积，如此往复直至纯化过程结束，这种方式的优点在于易于手动操作和控制，缺点是膜会受到物料浓度变化的冲击，膜的通量不稳定，用水量也会增大。

2连续定容纯化过程曲线图的绘制

2.1连续定容纯化过程参数定义

Ct——料液最终浓度，这里指待分离物质，即杂质或无机盐的浓度；

C0——料液初始浓度，这里指待分离物质，即杂质或无机盐的浓度；

V0——料液原液体积；

Vp——透过液的总体积，即加入溶剂总体积；

C——料液的浓度，连续过程中，待分离物质的瞬时浓度，为一连续变量；

R——透过率，在实际过程中，由于各种各样的因素，膜对于膜中物质的分离特性或有微小的变化，为了便于理论推导，本文所涉及的推导过程均假设膜针对某物质的透过率为定制。

2.2 理论推导

根据物料平衡理论，工艺过程中的物质质量是守恒的，在连续定容纯化的过程中，原液侧的浓度和渗透液总体积的变化是连续的，原液侧所失去的物质质量与渗透液侧不断累加的物质质量守恒，那么建立如下数学模型：

其中V0、R为定值，当R=1时（理想透过率100%），计算该积分等式得到如下关系：

以纯化体积与纯化比为关联变量建立曲线关系，绘制曲线图，设纯化比Ct/C0为变量X，以-lgX为横坐标，以Vp/V0为纵坐标，计算得到R值分别为100%，90%，80%，70%，60%，50%，40%时（当R值低于40%时，被认为分离效率较低，无工程实用价值）的数据如表1所示，据此数据绘制连续定容纯化过程曲线图，如图2所示，曲线从上至下分别对应R值100%，90%，80%，70%，60%，50%，40%时的连续定容纯化过程曲线。

表1 连续定容纯化过程数据

Table 1 Continuous constant volume purification process data

图2 连续定容纯化过程曲线图

Fig2. Continuous constant volume purification process graph

3等比稀释纯化过程曲线图的绘制

3.1等比稀释纯化过程参数定义

Ct——每次等比稀释纯化过程料液最终浓度，这里指待分离物质，即杂质或无机盐的浓度；

C0——每次等比稀释纯化过程料液初始浓度，这里指待分离物质，即杂质或无机盐的浓度；

V0，Vp，R——定义及假设同本文2.1；

C—渗透液浓度，指每次等比稀释后所得渗透液的溶度；

Ctn—n次稀释洗滤后的浓度。

3.2 理论推导

首先建立1次等比稀释纯化过程物料平衡方程，稀释倍率=2，那么原液体积由原料的V0稀释至2V0，然后再浓缩为原体积所以，为了方便计算，Vp=V0设为同一值V，有如下物料平衡等式：

在等比稀释后，为一个连续的浓缩过程，该过程的渗透液由0增加至V体积，物料的浓度也随该过程而变化，那么渗透液的平均浓度C为最初的浓度C0R/2与最后的浓度CtR的算术平均值：

带入上式整理计算得：

那么，以此推算n次等比稀释纯化过程物料平衡方程为：

以纯化体积与纯化比为两关联变量建立曲线关系，绘制曲线图，设纯化比Ctn/C0为变量X，以-lgX为横坐标，以Vp/V0为纵坐标，在等比稀释过程中，n= Vp/V0，计算得到R值分别为100%，90%，80%，70%，60%，50%，40%时（当R值低于40%时，被认为分离效率较低，无工程实用价值）的数据如表2所示，据此数据绘制等比稀释纯化过程曲线图，如图3所示，曲线从上至下分别对应R值100%，90%，80%，70%，60%，50%，40%时的等比稀释纯化过程曲线。

表2 等比稀释纯化过程数据

Table 2 Equal ratio dilution purification process data

图3 等比稀释纯化过程曲线图

Fig.3 Equal ratio dilution purification process graph

4关键参数图表的使用

例如研究某植物提取物的纯化时需要建立中式实验方案[6]，针对同一案例可以分别以连续定容的方式和等比稀释的方式建立实验或工艺方案，100L物料组分中主要物质成分分子量为1000左右，植物提取使用乙醇作为溶剂，乙醇提取后的溶液中，植物提取物的浓度为1%，乙醇的浓度为60%，需要将物料纯化，将乙醇脱除，目标达到乙醇含量<10-3。

应用纳滤膜即可以达到该物料的纯化过程，首先按照连续定容的方式进行分析，纳滤膜对乙醇透过率R为100%，实验目标要求乙醇含量<10-3，已知初始含量60%，那么：

查连续定容纯化过程曲线图，可以看出此时的Vp/V0小于并接近6.5，那么纯化体积为650L，此时我们可以根据现有的实验条件来制定实验方案；同样原理按照等比稀释的方式进行分析，查等比稀释纯化过程曲线图，可以看出此时的Vp/V0小于并接近9.3，那么纯化体积为930L，此时我们可以根据现有的实验条件来制定此时的实验方案，同时可以看出同样的初始体积，等比稀释纯化过程比连续定容纯化过程需要更多的纯化体积。知道了纯化体积，就知道了实验规模的大小，反算出膜面积及实验的大概时间等具体参数，为后续工作带来极大的便利。

5结论及展望

本文详细阐述了纳滤纯化过程中，连续定容纯化过程曲线图和等比稀释纯化过程曲线图两种工具图表的原理、绘制方法及使用方法。对于实验方案的制定，工艺方案的设计都具有高效的实用意义，给从事该领域研究、设计的工程技术人员提供了一种快速解决问题的一种方法。

从膜分离的分离原理上看，本文所涉及解决纯化问题的方案，也可以延伸使用在超滤及其他膜分离问题上，还可以根据已知的实验数据来分析未知的参数，例如通过实验测得已知的纯化体积和纯化比来反算出膜对某种物质的透过率；还可建立更加完善的数学模型，减少假设参数的存在，得到更加科学的工具图表，这些都是可以深入研究和讨论的方向。

参考文献

[1]邱实，吴礼光等.纳滤分离机理[J].水处理技术.2009年1月，第35卷第1期.

[2]韩永萍，林强.纳滤纯化低聚壳聚糖制备液[J].膜科学与技术.2012年8月，第32卷第4期.

[3]王洋，孟炯等.纳滤在乳品工业中纯化乳糖的应用[J].包装与食品机械.2012年，第30卷第4期.

[4]高从堦，张建飞等.纳滤纯化和浓缩染料试验[J].水处理技术.1996年6月，第22卷第3期.

[5]高从堦，俞三传等.纳滤[J].膜科学与技术.1999年4月，第19卷第2期.

[6]董艳，高瑞昶等.超滤和纳滤分离技术提取纯化地黄低聚糖的研究[J].中草药.2008年3月，第39卷第3期.

Based on the purification process graph of NF purification process research

He Tiefeng1, Qin Wei2,

(1.Suzhou Xiner Environmental Technology Co., LTD, Suzhou 215200, China; 2..)

Abstract: In this paper, the principle of NF purification process and its key technical parameters are introduced in detail. The key parameters include: permeability, purification ratio, purification volume, etc. Based on the material balance theory, a key parameter chart drawing and use of the method, the graph is pided into continuous constant volume purification process and equal ratio dilution purification process of the two graphs, and through the case introduced the use of key parameters of the chart. Therefore, in the research of NF purification process, it is a fast, flexible and scientific method of engineering technology to quickly find the key technical parameters, make the process, feasibility and the design of experiment plan.

Key words: NF；purification process；material balance theory；continuous constant volume；equal ratio dilution