日本產綜研丁醇提純通過膜分離使濃度一舉提高到80％
2014-04-21 21:01:10
admin
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據技術在線2011年2月18日訊 日本產業技術綜合研究所的環境化學技術研究部門開發出了一種節能型生物丁醇（Biobutanol）提純技術，利用該技術可從質量百分比約為1的低濃度1-丁醇（以下稱為丁醇）水溶液中回收濃縮至質量百分比達到80以上的丁醇（圖1）。以生物資源為原料的生物丁醇與已廣泛普及的生物乙醇一樣，是一種碳中和（Carbon Neutral）物質，因此有望作為汽車用的替代燃料。
圖1．此次開發的采用分離膜對低濃度丁醇水溶液進行丁醇無水化的系統
丁醇的單位重量發熱量為34MJ/kg，與乙醇的27MJ/kg相比大了約26%，按單位容積發熱量則大了約31%。因此，在搬運及儲藏成本以及燃料罐的設計等方面具有優勢。另外，乙醇與汽油混合放入燃料罐中時，存在著吸收濕氣后從汽油中分離的問題，如果采用丁醇則可避免這些問題。
生物乙醇還存在著制造過程中排出大量廢棄物的問題。在構成纖維素類生物質的主要糖分C6糖及C5糖中，利用酵母發酵來制造乙醇時，C5糖不能得到利用。這樣一來，不僅所得到的能量減少，而且C5糖也變成了廢棄物。與此不同，如果采用可生產丁醇的菌類，那么C6糖及C5糖這兩種糖分都可得到利用，從而消除浪費。
不過，生物丁醇有一個較大的弱點。一般情況下，通過發酵獲得的丁醇的濃度為0.5～1.5個質量百分比，就是說比乙醇的濃度低了1個數位級。要想制成液體燃料，就必須對其進行濃縮及脫水，為此便會消耗能量。
為了進行濃縮，蒸餾比較直截了當，但這種做法需要許多能量。例如，要純粹通過蒸餾將丁醇水溶液的質量百分比從1提高到99.9，那么平均每公斤丁醇需要37MJ的能量。由于燃燒丁醇所得到的能量為34MJ/kg，因此，提純所需的能量更多。
為了減少用于濃縮的能量，世界各國正試圖通過膜分離法（滲透氣化法）濃縮丁醇。具體做法是，在疏水性分離膜的一側供給低濃度丁醇水溶液。由于膜具有疏水性，因此，水無法通過，只有丁醇滲透過去。對另一側進行減壓，使滲透過來的丁醇發生氣化，從而予以分離及回收。與純粹進行蒸餾相比，可以較少的能量實現濃縮。
在美國的大學中，采用硅橡膠造的分離膜將丁醇水溶液（50℃）的質量百分比從1提高到37的研究正在推進之中。另外，德國一家研究機構已能夠利用含有硅沸石（Silicalite）粉末的硅橡膠分離膜將丁醇水溶液濃縮到質量百分比為53。
然而，這些方法都存在著后工序復雜的問題。丁醇濃度為8～80個質量百分比的水溶液中，會分離出丁醇中溶解有少量水的溶液相（上層）以及水中溶解有少量丁醇的溶液相（下層）（圖2）。37%及53%恰在該范圍內。
圖2．丁醇水溶液的液相分離左起分別為：質量百分比為6.9的丁醇水溶液（均一相）、
總體丁醇濃度為29.7個質量百分比的丁醇水溶液（2相分
離）、質量百分比為50.2的丁醇水溶液（2相分離）、質
量百分比為69.8的丁醇水溶液（2相分離）、質量百分比
為79.8的丁醇水溶液（均一相）。濃度低時及濃度高時，
本文中兩端的丁醇水溶液都沒有發生分離。
因此，作為使透過分離膜的液體中丁醇濃度達到100%的后工序，必須有分別適用于高濃度丁醇及低濃度丁醇的設備，整個設備因而變大（圖3）。另外，要對低濃度丁醇進行濃縮，需要使用許多能量。
圖3．以前采用的使用分離膜對低濃度丁醇水溶液進行丁醇無水化的系統由于對分為兩種液相的丁醇水溶液分別進行處理，因此后工序變得復雜。
日本產業技術綜合研究所合成出了具有較高的乙醇選擇透過性的硅沸石造分離膜（圖4）。硅沸石是沸石的一種，其所有構造均由SiO2（二氧化硅）構成。其結晶中具有直徑約為0.6nm的細孔，由于不含Al（鋁），因此疏水性較高。要在這種硅沸石膜上涂覆硅橡膠。
圖4．硅沸石構造由于具有約為0.6nm的細孔，疏水性較高，因而被滲透氣化法所采用。
日本產業技術綜合研究所不斷改變硅沸石膜原料凝膠的合成溫度及攪拌時間等成膜條件進行實驗，成功制出了可將丁醇水溶液的質量百分比從1一舉提高到82的分離膜。
既然從分離膜流出的丁醇達到了80%以上的濃度，便不會再分離出高濃度丁醇及低濃度丁醇。只需對濃縮后的均一液相的丁醇進行脫水，即可得到無水丁醇，后工序的分離及提純系統因而可得到大幅簡化。
另外，能量的消耗量也會減少。從透過膜流出的水溶液的濃度越低，后工序所使用的能量越多，*終，總體的能量消耗量便增加了（圖5）。與此形成對照，如果濃度提高到82%，則可減少后工序的能量消耗量。
圖5．采用滲透氣化法生產丁醇時所需的能量如果透過分離膜的液體濃度較低，則所需能量增加。
如果通過分離膜將丁醇濃縮到82%，則所需總能量方面相當于平均每kg丁醇為4.3MJ。這意味著只要投入丁醇所擁有能量的約13%的能量就能生產丁醇。這與采用硅橡膠制分離膜時相比減少了約70%，與采用含有硅沸石粉末的硅橡膠制分離膜時相比減少了約50%。由此，生物丁醇的價格競爭力大大提高，作為汽車用燃料的潛力日漸顯現。
本文中5張圖表均由日本產業技術綜合研究所提供。