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        水合物溶液分離技術(shù)研究進(jìn)展

        2014-03-04 04:43:48李士鳳譚哲申延明劉東斌樊麗輝白凈
        化工進(jìn)展 2014年6期
        關(guān)鍵詞:淡化水合物海水

        李士鳳,譚哲,申延明,劉東斌,樊麗輝,白凈

        (1 沈陽(yáng)化工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110142;2 遼寧省化工分離技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 沈陽(yáng) 110142;3 鄭州大學(xué)化學(xué)與能源學(xué)院,河南 鄭州 450001)

        氣體水合物屬于籠型化合物(clathrate)的一種,因此又被稱(chēng)為籠型水合物(clathrate hydrate),它是由一種或幾種氣體或揮發(fā)性液體在一定溫度和壓力條件下與水作用生成的非固定化學(xué)計(jì)量的籠型晶體化合物[1]。20世紀(jì)30年代,人們發(fā)現(xiàn)堵塞輸送天然氣管線(xiàn)的原因是生成天然氣水合物,而不是最初認(rèn)為的“水結(jié)冰”,因而避免天然氣和水形成水合物是天然氣生產(chǎn)必須解決的技術(shù)問(wèn)題之一[2]。隨著對(duì)氣體水合物基本特性研究的不斷深入,人們發(fā)現(xiàn)形成氣體水合物不僅僅只是對(duì)天然氣管道輸送帶來(lái)災(zāi)害,還能夠成為造福人類(lèi)的一項(xiàng)新技術(shù)。水合物分離技術(shù)就是一種利用生成水合物晶體從而與原來(lái)組分分離的新技術(shù)。自從最早的水合物法海水淡化技術(shù)發(fā)明以來(lái),水合物法分離技術(shù)已發(fā)展到氣體分離、海水淡化、溶液濃縮、生物分離工程等方面[3-10]。本文主要對(duì)近年來(lái)水合物溶液分離的研究進(jìn)展進(jìn)行系統(tǒng)綜述,討論水合物溶液分離的優(yōu)缺點(diǎn)并指出其未來(lái)研究方向。

        1 水合物溶液分離基本原理

        表1 不同氣體在0℃時(shí)形成水合物所需壓力條件[3]

        籠型水合物是由客體分子在低溫高壓下儲(chǔ)存在由水形成的穩(wěn)定氫鍵籠子的空穴中所形成的。CO2、H2以及 H2S等氣體生成水合物的機(jī)理已經(jīng)被Yan[11-12]、A lavi[13]、Liang[14]等采用MD模擬的方法深入研究與闡述。近年來(lái),水合物法氣體分離技術(shù)在天然氣儲(chǔ)存、儲(chǔ)氫、CO2捕獲等方面引起科研人員的廣泛關(guān)注,但是水合物分離技術(shù)在水溶液分離方面的應(yīng)用鮮有報(bào)道。水合物溶液分離的基本原理是當(dāng)氣體在一定溫度、壓力條件下形成水合物時(shí),氣體分子會(huì)與溶液當(dāng)中的水分子以固體的形式形成類(lèi)似冰狀的籠型水合物,從而使得溶液中的水在水合物相富集。不同的氣體形成水合物的壓力相差很大,表1列出一些氣體在0℃時(shí)形成水合物所需要的壓力[3]。因此可以選擇某些水合物形成壓力較低的氣體(如CO2、C3H8等),通過(guò)形成籠型水合物從而將水從溶液中分離開(kāi)來(lái)。水合物溶液分離過(guò)程示意簡(jiǎn)圖如圖1所示[9]:在一定溫度和壓力條件下,容易形成水合物的氣體B與A的稀水溶液在水合反應(yīng)器中形成氣體B的水合物結(jié)晶,從而能與富A的溶液分離,然后氣體B水合物再進(jìn)入分解器分解為B氣體和水,B氣體在整個(gè)過(guò)程中可以循環(huán)使用。因此,水合物溶液分離過(guò)程的優(yōu)點(diǎn)是可以選擇在水的冰點(diǎn)溫度以上以及不太高的壓力條件下進(jìn)行分離水溶液中的有效物質(zhì)。

        圖1 水合物溶液分離過(guò)程示意圖[9]

        2 水合物溶液分離研究進(jìn)展

        水溶液的分離濃縮方法有很多,如蒸發(fā)、萃取、膜分離、冷凍法等。這些方法有的已經(jīng)成功應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中,但還存在著一些不足,如能耗高、成本昂貴等缺點(diǎn)。水合物溶液分離被認(rèn)為是一項(xiàng)可以替代傳統(tǒng)蒸發(fā)、冷凍法的新技術(shù),該技術(shù)可以在水冰點(diǎn)溫度之上和一定壓力下進(jìn)行,可望降低溶液分離過(guò)程能耗。因此本文對(duì)水合物溶液分離技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行總結(jié)與評(píng)述。

        2.1 海水淡化

        水合物法海水淡化技術(shù)是目前研究較早的水合物分離技術(shù)。早在1942年,Parker[15]就已經(jīng)提出可以利用水合物技術(shù)從海水中生產(chǎn)飲用水。1961年Koppens公司的Knox等[16]在該公司專(zhuān)利的基礎(chǔ)上建立第一套商業(yè)化運(yùn)行的水合物法海水淡化的工廠(chǎng)(圖2),該技術(shù)采用丙烷為水合物形成氣體,考察鹽濃度的影響、水合物顆粒特征、水合物生成動(dòng)力學(xué)以及過(guò)程能耗等。在20世紀(jì)50年代至今,更是產(chǎn)生了許多水合物海水淡化技術(shù)的專(zhuān)利與論文:Javanmardi等[17]對(duì)已提出的水合物海水淡化方案進(jìn)行能耗和經(jīng)濟(jì)性分析,認(rèn)為水合物海水淡化的能耗和其他方法相當(dāng),如果找到合適的水合物促進(jìn)劑,水合物法將更具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。Bradshaw等[18]利用HCFC-141b和乙烯進(jìn)行水合物海水淡化的研究,由XRD和拉曼光譜測(cè)試水合物組成,發(fā)現(xiàn)水合物具有良好的析鹽能力。Donath[19]及Max[20]已申請(qǐng)多項(xiàng)水合物海水淡化的專(zhuān)利。由于將水合物晶體從濃縮液中分離時(shí)會(huì)夾帶一些濃縮液,造成分離效率的降低,因此水合物法海水淡化未能大規(guī)模工業(yè)化。2011年,Corak等[21]采用環(huán)戊烷為水合物促進(jìn)劑研究過(guò)冷度對(duì)水合物生成動(dòng)力學(xué)及生成的水合物量的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)過(guò)冷度為3.6K時(shí)的水合物生成動(dòng)力學(xué)明顯慢于過(guò)冷度為5.6K時(shí),脫鹽水的質(zhì)量與工藝過(guò)程有關(guān),且過(guò)冷度為5.6K時(shí)的水純化效果更好。同年,Park等[22]設(shè)計(jì)了一種新的水合物法海水淡化實(shí)驗(yàn)裝置,該裝置具有雙圓柱體,能夠連續(xù)擠壓水合物從而使得反應(yīng)釜中水合物漿形成片狀水合物固體。在單級(jí)分離過(guò)程中,溶解的礦物離子72%~80%能被脫除。Sarshar等[23]提出將CO2捕獲與海水淡化相結(jié)合的技術(shù),使煙氣中CO2在海水中生成水合物從而達(dá)到捕獲CO2的目的,再將水合物分解獲得脫鹽水。該技術(shù)利用水合物的形成與分解實(shí)現(xiàn)CO2捕獲與海水淡化雙重目的,在溫室效應(yīng)日益加劇以及淡水資源短缺的今天,該技術(shù)勢(shì)必?fù)碛懈訌V闊的發(fā)展前景。

        圖2 丙烷水合物海水淡化制飲用水流程

        與國(guó)外相關(guān)研究相比,目前國(guó)內(nèi)在水合物法海水淡化的研究比較滯后,主要集中在實(shí)驗(yàn)室理論研究階段。喻志廣[24-25]、相鳳奎[26]、劉昌嶺[27]等分別研究采用CO2以及HCFC-141b水合物海水淡化實(shí)驗(yàn)過(guò)程,考察其影響因素。Qi等[28]利用分子動(dòng)力學(xué)原理研究了 NaCl離子對(duì)水合物海水淡化過(guò)程中的水合物結(jié)構(gòu)與熱力學(xué)平衡條件。最近李棟梁等[29-30]利用水合物密度和海水的密度差設(shè)計(jì)了一套低能耗、不需要分離水合物與海水的海水淡化試驗(yàn)裝置。隨著世界對(duì)淡水需求的日益增加以及節(jié)能環(huán)保的要求,水合物海水淡化技術(shù)受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注,一旦攻克目前技術(shù)上的難題,水合物海水淡化技術(shù)必將得到廣泛的應(yīng)用。

        2.2 廢水處理

        1991年,Gaarder[31]分別利用CO2、C3H8以及摩爾分?jǐn)?shù)為 30%~70%的 C3H8-CO2混合氣生成水合物濃縮造紙廢水。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),水合物能在水冰點(diǎn)以上生成,且在一些廢水中雜質(zhì)并不會(huì)對(duì)水合物形成溫度壓力造成明顯影響。1996年,Ngan等[32]進(jìn)行生成丙烷水合物濃縮造紙廢水和回收水再利用的實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)回收水的TOC減少23%,同時(shí)考察用液體丙烷沖洗和水沖洗對(duì)水的回收率和水質(zhì)的影響,發(fā)現(xiàn)水合物形成速度不影響回收水質(zhì),丙烷沖洗水合物提高回收水的純度。2004年,Long等[33]采用生成CO2以及i-C4H10水合物濃縮造紙廢水能夠有效地脫除廢水中TSS和TDS達(dá)99%以上,但是COD脫除率僅約60%,通過(guò)多次水合物結(jié)晶分離,COD脫除率達(dá)到80%。盡管水合物廢水處理技術(shù)已經(jīng)有一些初步進(jìn)展,但是離工業(yè)化還存在明顯距離,其中對(duì)水合物生成氣體的研究也僅僅局限在CO2、C3H8、i-C4H10等少數(shù)幾種,并且有關(guān)廢水成分、性質(zhì)等對(duì)氣體水合物相平衡條件的影響也并不明確。所以,水合物溶液分離技術(shù)在廢水處理方向上的實(shí)際應(yīng)用還有待進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)研究。

        2.3 果汁濃縮

        1966年,Huang等[34]研究利用生成CH3Br和CCl3F水合物來(lái)分別濃縮蘋(píng)果汁、橘子汁和西紅柿汁。用籃型離心器除去水合物結(jié)晶,可以除去約80%的水,但是濃縮過(guò)程使果汁的顏色和味道減少,并常使果汁變苦。美國(guó) Heist Engineering公司[35]在1988年的報(bào)告中聲稱(chēng)采用生成制冷劑水合物來(lái)濃縮甜菜糖溶液,與蒸發(fā)過(guò)程相比,該過(guò)程預(yù)期能耗節(jié)約為4.5×1012Btu/a。2001年,Purwanto等[36]利用生成氙氣水合物來(lái)濃縮咖啡水溶液,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在咖啡水溶液中能夠形成氙氣水合物,水合物形成的誘導(dǎo)時(shí)間取決于咖啡溶液濃度,濃度越高,誘導(dǎo)時(shí)間越長(zhǎng)。高溫低壓能夠生成大的氙氣水合物顆粒。2009年,Anderson等[37]應(yīng)用CO2水合物濃縮蔗糖溶液,研究發(fā)現(xiàn)蔗糖的存在對(duì)CO2水合物的形成影響不大,但是由于設(shè)備體積大以及所需的壓力高,水合物法不適合用于糖生產(chǎn),但是該技術(shù)可能適用于熱敏性高附加值的物料濃縮。

        雖然水合物技術(shù)在果汁濃縮方面的研究起步較早,但是和海水淡化方面的研究相比,最近幾十年果汁濃縮方面的研究只有2篇文獻(xiàn)報(bào)道,并且發(fā)現(xiàn)水合物法可能適用于高附加值物料濃縮。因此,隨著人民生活水平的提高,果汁飲料的需求勢(shì)必逐漸加大,水合物溶液濃縮技術(shù)將迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇。

        2.4 生化分離

        1969年,Lund等[38]研究一些氣體水合物以及水合物形成氣體對(duì)轉(zhuǎn)化酶活性的影響,發(fā)現(xiàn)在水合物形成以及溶液濃縮、CCl3F水合物以及丙烷水合物的存在對(duì)轉(zhuǎn)化酶活性沒(méi)有明顯影響;而暴露在液體 CCl3F中轉(zhuǎn)化酶的活性明顯下降并且是不可逆的。1991年,Phillips等[39]利用生成水合物從反膠束溶液中回收蛋白質(zhì),通過(guò)氣體的溶解降低溶劑的密度,從而使蛋白質(zhì)溶解度降低,在合適的熱力學(xué)條件下,膠束中的水能轉(zhuǎn)化成籠型水合物,過(guò)程示意簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3。

        圖3 水合物法蛋白質(zhì)萃取與回收過(guò)程示意圖

        另外,Chun等[40]在不同離子強(qiáng)度、pH值、AOT濃度、溫度以及是否存在高壓CO2的條件下,研究從反膠束體系中正向萃取溶菌酶的過(guò)程,發(fā)現(xiàn)高壓CO2存在時(shí)能夠縮短萃取時(shí)間以及提高蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)移數(shù)量。最近,Bayraktar等[41]利用形成氣體水合物從反膠束相中反向萃取氨基酸。當(dāng)水和表面活性劑(季銨氯化物336)的摩爾比由20增加到50時(shí),對(duì)于L-天門(mén)冬氨酸萃取產(chǎn)率由26%提高到99%,對(duì)于絲氨酸由22%提高到83%,對(duì)于苯丙氨酸則由19%提高到63%。

        2.5 離子液體分離提純

        最近,Peng[42]、Chen[43]、胡玉峰[44]等研究采用生成CO2水合物從水溶液中分離提純離子液體。水溶液中添加離子液體使得水合物生成壓力,水合物法提純對(duì)親水、憎水離子液體都有效,而憎水離子液體更容易從水溶液中分離。與超臨界CO2分離方法相比,水合物法更適合低濃度離子液體溶液,且操作條件更溫和。Li等[45]測(cè)定CH4在幾種咪唑鹽和季銨堿型離子液體存在下生成水合物的相平衡條件,發(fā)現(xiàn)由于離子液體的存在,甲烷水合物的形成區(qū)域偏向高壓低溫條件。Tumba等[46]測(cè)定了CH4、CO2在三-丁基乙基膦硫酸乙酯存在時(shí)生成水合物的相平衡條件,結(jié)果發(fā)現(xiàn)離子液體的存在能夠抑制水合物的形成,并且熱力學(xué)模型預(yù)測(cè)能夠和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合。

        離子液體作為一種新型綠色溶劑在現(xiàn)代化工生產(chǎn)過(guò)程中將會(huì)發(fā)揮越來(lái)越大的作用,分離回收離子液體也正在被研究人員所關(guān)注。水合物法分離提純離子液體的研究才剛剛起步,目前研究主要集中在離子液體的存在對(duì)氣體水合物相平衡條件的影響等方面,具體的分離條件以及工藝流程還有待研究。

        3 水合物溶液分離優(yōu)勢(shì)及存在問(wèn)題

        水合物溶液分離作為一種新型的分離技術(shù),具有以下優(yōu)點(diǎn):條件溫和,適用面廣,分離效率高,流程短,具有廣闊的應(yīng)用前景。但是,目前水合物液體分離技術(shù)還很不成熟,除海水淡化外均未達(dá)到工業(yè)化階段,更沒(méi)有形成成套的技術(shù)。正如Javanmardi等[17]指出,采用丙烷為水合氣體的水合物海水淡化工藝與其他技術(shù)相比沒(méi)有優(yōu)勢(shì),除非找到一種更有效的水合物促進(jìn)劑,但前提是該促進(jìn)劑是無(wú)毒的。對(duì)于其他溶液濃縮分離過(guò)程而言,尋找更加有效的水合物促進(jìn)劑或者水合物形成氣體也是目前研究的重點(diǎn),這樣才能在水合物分離過(guò)程中降低能耗以及提高分離效率。此外,如何減少水合物結(jié)晶夾帶濃縮液也是一個(gè)迫切需要解決的難點(diǎn)。

        4 結(jié) 語(yǔ)

        隨著人們對(duì)水合物相關(guān)知識(shí)認(rèn)識(shí)的不斷加深,以及社會(huì)對(duì)淡水資源、果汁濃縮、廢水處理、溶液中高附加值組分回收的需求日益提高,水合物溶液分離技術(shù)已經(jīng)成為一種具有應(yīng)用前景的新型分離技術(shù)。相對(duì)于冷凍法分離而言,水合物溶液分離可以在水的冰點(diǎn)溫度以上進(jìn)行。但是,水合物溶液分離還存在著分離壓力高、水合速率不低、水合物結(jié)晶夾帶濃縮液、難以工業(yè)化等缺點(diǎn)。因此,水合物溶液分離技術(shù)研究發(fā)展的主要方向?yàn)椋阂皇菍ふ腋踩⒏咝У乃衔锎龠M(jìn)劑,降低水合物分離的苛刻條件,提高水合物分離的選擇性,降低過(guò)程能耗;二是解決水合物結(jié)晶夾帶濃縮液的難題。

        總之,隨著人們對(duì)水合物分離技術(shù)研究的不斷深入,未來(lái)水合物分離技術(shù)有望在海水淡化、果汁濃縮、廢水處理以及其他溶液中高附加值組分回收等方面發(fā)揮應(yīng)有的作用。

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