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超声波分离技术

      超声分离技术是20 世纪发展起来的高新技术, 是一种新兴的、多学科交叉的边缘科学, 已引起美国、德国、加拿大、日本和中国等国家科技工作者的广泛关注。超声分离技术的发展给化工、食品、生物、医药等学科的研究开拓了新领域, 并从应用上对上述工业产生重大影响。作为声学研究领域的重要组成部分, 超声在现代分离技术中的研究也取得了一定进展。目前认为超声波具有3 种基本作用机制 , 即机械力学机制、热学机制和空化机制。由于超声波作用的独特性, 已日益显示出其在各分离领域的重要性。超声作用于两相或多相体系会产生各种效应, 如空化效应、湍动效应、微扰效应、界面效应和聚能效应等, 其中湍动效应使边界层变薄, 增大传质速率; 微扰效应强化了微孔扩散; 界面效应增大了传质表面积; 聚能效应活化了分离物质分子。所有这些效应会引起传播媒质特有的变化, 因而从整体上促进了分离过程。

        1 超声波在提取方面的应用目前超声波在提取方面的应用已日益广泛, 并且在中药提取方面已经工业化。我国传统中药的提取存在溶剂耗量大、萃取时间长、萃取温度高、工艺路线长、萃取效率低等缺点, 导致中药产品中残留溶剂含量高、有效成分含量低、质量难以控制、药效不明显等主要问题, 产品价格低, 国际市场竞争力不强, 极大地制约了我国中药现代化的进程。而超声用于中药的提取则能明显地减少溶剂耗量、缩短萃取时间, 在较低的温度下就可实现高的提取率, 而且不会破坏中药中的有效成分, 可广泛用于中药中皂苷、生物碱、黄酮、蒽醌类、有机酸及多糖等成分的提取。超声波由超声空化引起的, 由变幅杆端部发出的强超声波,激活反应容器内液体中的空化气泡在崩溃时伴随发生冲击波或射流作用于细胞壁并使其破裂。目前超临界CO2 萃取由于具有绿色无污染、溶剂残留量少或没有、产品有效成分不易失活、产品质量高等优点, 成为近年来研究的热点。但同时该技术存在着萃取压力较高、时间长、萃取率较低、夹带剂用量大以及能耗高等缺点, 极大地限制了其工业化应用。若将超声应用于超临界流体萃取则可以明显降低萃取系统的压力和温度, 减少夹带剂用量和缩短萃取时间, 而且萃取率也有明显的提高。Riera E 等[5 ] 对超声强化超临界CO2 流体从杏仁颗粒中萃取油脂进行了研究。实验采用20 kHz、50 W的超声。结果显示, 超临界CO2 中附加超声与没有附加超声相比, 在相同的萃取率下, 杏仁油的萃取时间缩短了30 ; 而在相同的萃取时间内, 萃取率提高了20 。另外在较低的功率条件下,超声波的换能器可作为一种高灵敏度的探针显示超临界流体的相行为。目前超声用于提取方面的研究主要限于单频率的超声, 而对两种或两种以上的多频超声同时辐照强化提取方面的研究很少。这方面的研究是近几年才投入研究的一个新课题。有实验显示双频、三频超声正交辐照可以使声 化学产额显著提高,国内由于投入该项研究处于起步阶段, 很多方面的研究, 如频率的选择、超声发射位置的布局、功率的搭配等方面尚需进一步深化。作者实验室正在进行多频超声从苦木中提取生物碱的研究, 已取得了可喜的阶段性研究成果。

        2 超声在膜分离技术中的应用膜分离的原理主要是利用选择性透过膜的两侧存在压力差、浓度差、电位差进而对组分进行分离或提纯。在膜分离过程中, 当膜表面上被溶质或其他截留物质形成浓差极化层时膜的传递性能及分离性能将迅速衰减, 大大影响膜分离器的工作效率, 从而缩短其使用寿命。解决浓差极化现象一直是一项极为重要的课题, 而超声波能有效降低浓差极化现象, 提高微滤效果, 明显减少附在膜表面的污物。功率超声用于改善过滤过程主要表现在3 个方面[8 ] : 会使过细的  颗粒发生凝聚, 从而使过滤加快; 向系统提供足够的振动能量, 使部分粒子保持悬浮, 为溶剂的分离提供了较多的自由通道; 能够强化液体通过多孔介质时的扩散作用。功率超声已被成功地用于工业混合物的真空过滤, 如煤浆过滤。过滤煤浆曾是一件  困难而耗时的工作, 当功率超声用于过滤时, 煤浆中水的质量分数很快从50 减少到25 , 而通常的方法只能减少到40 。将超声应用于蛋白质超滤方面可有效提高其分离效率, 且减少了蛋白质在膜上的吸附。超声作用手段具有效率高, 准确可靠, 操作简便等特点, 超声对电渗析分离也能发挥作用。研究报道施加超声辐射可提高电解质通过膜的能力, 从而提高电渗析效率。T. Kobayashi 等[9 ]研究了不同频率和声强的超声波对聚丙烯腈超滤膜分离右旋糖苷的的膜通透量的影响,实验结果发现, 在超声辐照下, 水的通透量不受影响。但对于右旋糖苷溶液, 超声有助于提高膜的通透量, 频率不同其影响效果不同, 随着声强的提高, 膜的通透量也增加。超声辐照的方向也是影响膜的通透量的一个重要因素, 超声辐照提高膜通透量是由于增大了通过膜表面附近右旋糖苷浓溶液层的传质系数。C. Zhu 等[10 ]研究了超声波强化空气隙膜蒸馏, 结果表明, 当声强从0 W/ cm2提高到5 W/ cm2时, 溶剂的通透量提高到初始的2 倍; 温度的上升对通量有不利影响, 当从40 ℃上升至60 ℃时, 通透量提高率从1195 下降至112 ; 当频率从15 kHz提高到60 kHz时,通透量提高率从116 下降至0186 。

        3超声在结晶分离技术中的应用目前人们认为声场对溶液结晶的影响主要是空化效应。超声波的空化作用能促进结晶, 在一些特定情况下, 又可表现为简单的聚集, 即为沉淀。丘泰球等研究了超声场对蔗糖溶液结晶成核过程的影响。结果表明, 在声场作用下, 结晶成核过程可在低饱和度下实现, 所得晶核较其他方法均匀、完整和光洁,晶粒尺寸范围分布较窄。将超声应用于味精结晶过程的实验表明, 超声可减弱分子间作用力, 降低溶液黏度, 所需结晶浓度低, 获得细小而均匀的晶体, 而且晶体产量高。王伟宁等将超声波引入碱式氯化镁的结晶过程, 发现可加速成核速率, 缩短诱导期,显著提高结晶产量。频率越高, 结晶时间越短, 设备简单, 投资较省。在此研究基础上, 超声波起晶器已开始付诸工业实施。熔融金属在固化期间进行超声处理, 可使晶粒变细, 改善其延伸率和机械强度等物理特性。对碳钢的超声处理表明, 它可使晶粒尺度从200μm减小到25μm~ 30μm , 延展性增加30 ~40 , 机械强度提高20 ~30 。在制药行业中, 为得到细小而均匀的颗粒, 已将超声结晶用于生产口服或皮下注射悬浮液药剂。Midler 申请了一个用超声辅助结晶制药的专利, 该专利描述超声不仅可以促进饱和溶液起晶, 而且可制得细小、均匀的药物晶体。

         4 超声在絮凝分离技术中的应用目前, 化工过程中胶体物系的絮凝分离主要有化学法及生物法, 但现有的方法存在不少缺点, 特别是对于食品化工过程。因为选用生物或化学试剂时要考虑食用安全性问题, 而超声能显著地促进胶体物系絮凝分离, 不会使食品产生任何污染。丘泰球等[14 ]曾研究过声场作用下不同体积分数乙醇对果胶絮凝沉降的效果、声场与壳聚糖协同对果胶絮凝沉降的效果和声场对原糖溶液絮凝上浮的效果。研究结果表明, 对于体积分数为30 或40 的乙醇, 超声作用并不能促进果胶的絮凝, 而对于乙醇的体积分数为50 、60 或70 时, 果胶的质量明显增加, 乙醇的体积分数为50 时增加最快。另外, 超声处理后的果胶絮凝物,其含水量都明显降低, 说明超声作用对絮凝物有脱水作用。这也从另一方面说明超声波能促进胶体的絮凝。该实验认为声场能促进胶体物系絮凝分离, 其作用原理可能是超声空化效应, 该效应使亲水胶体水化层减少, 双电层电位降低, 胶体体系中颗粒间的排斥力减小, 相互吸引力增大, 聚结机会增加。

         5 超声在吸附与脱附分离中的应用吸附与脱附已广泛应用于化工、食品及冶金等工业中, 在分离与纯化方面发挥着日益重要的作用。吸附与脱附是一对互逆过程, 在超声空化作用下, 声场一方面增加了吸附质向吸附剂扩散的速率; 另一方面降低了吸附质与吸附剂间的范德华力。前者具有正效应, 强化吸附; 后者具有负效应, 强化脱附。Rege等[15 ]研究了苯酚从活性炭和聚合树脂上实现超声解吸的可行性。在超声波作用下, 活性炭的脱附速率大大提高, 而且降低温度, 向液体中鼓入空气或增加超声波强度都有利于提高脱附速率。Okada[16 ]发现超声波对离子交换色谱的保留性能具有显著影响。Feng等[17 ]发现超声波能极大地提高树脂的洗脱速率, 而且除XAD7 长期使用后会有轻微的降解外, 其他树脂的物化稳定性不受超声波影响。郭平生等[18 ]对超声波强化解吸的机理进行了探讨, 认为超声强化解吸的主要原因是在超声场中由于超声波的“聚能效应”使得吸附相分子比基准态分子获得更多的能量而导致吸附平衡等温线降低。研究结果还表明, 吸附相分子在超声波场中只要获得可与k T (k 表示波尔磁曼常数,T 表示温度) 比拟或更高的能量, 解吸效果就会明显,说明强化解吸中超声波场与温度场间的协同作用。

[来源:原创] [作者:admin] [日期:13-07-07]
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