專利名稱：雙極性膜電滲析法制備有機(jī)酸的設(shè)備與工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為一種有機(jī)酸制備新方法，具體涉及到由有機(jī)酸鹽制備相應(yīng)的有機(jī)酸的雙極性膜電滲析設(shè)備和工藝。屬于有機(jī)酸制備領(lǐng)域。
在化工、輕工、食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域會遇到許多有機(jī)酸，包括各種脂肪酸、芳香酸及各類取代酸，如鹵代酸、羥基酸、氨基酸、酮酸等。許多重要的有機(jī)酸是通過生物發(fā)酵等方法先制得有機(jī)酸鹽再進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的有機(jī)酸。由有機(jī)酸鹽制備相應(yīng)的有機(jī)酸的方法主要包括酸轉(zhuǎn)化法、離子交換法及電滲析法等。電滲析法的關(guān)鍵設(shè)備是由一系列離子選擇性膜構(gòu)成的電滲析器。電滲析器的基本結(jié)構(gòu)如

圖1所示(參見王振堃編《離子交換膜-制備、性能及應(yīng)用》，化學(xué)工業(yè)出版社，北京，1986，P.243)。圖中1為壓緊板;2為墊片;3為電極;4為墊圈;5、7、9均為板框;6、8均為離子選擇性膜。如圖所示，電滲析器的基本部件包括壓緊板、電板、板框、離子選擇器及相應(yīng)的墊片及緊固裝置。根據(jù)所選擇的離子選擇性膜的不同以及膜的排列順序及數(shù)量的不同，可以構(gòu)成不同的電滲析法。對于由有機(jī)酸鹽制備有機(jī)酸，文獻(xiàn)報(bào)道的有陽離子選擇膜電滲析法和雙極性膜電滲析法。圖2為陽離子選擇膜電滲析法制備有機(jī)酸的示意圖。圖中10為壓緊板;11為電極;12為陽離子選擇膜;13為電極板框;14為原料室板框;15為酸室板框。壓緊板10與陽離子選擇膜12及電極板框13之間的空間構(gòu)成酸室17;陽離子選擇膜12與原料室板框14之間的空間構(gòu)成原料室18。如圖2所示，原料有機(jī)酸鹽MR進(jìn)入原料室18，而在酸室17中應(yīng)加入一種無機(jī)酸以提供H+離子。在直流電場作用下，原料有機(jī)酸中的陽離子M+通過陽離子選擇膜12離開原料室18;而H+離子由酸室通過陽離子選擇膜12進(jìn)入原料室18與有機(jī)酸根R-結(jié)合形成相應(yīng)的有機(jī)酸HR。這種方法需使用無機(jī)酸提供H+離子，使原料成本上升。雙極性膜電滲析法是另一種由有機(jī)酸鹽制備有機(jī)酸的方法，其工作原理為圖3所示(參見《化學(xué)工程手冊》編輯委員會編，《化學(xué)工程手冊》，第18篇，《薄膜過程》，化學(xué)工業(yè)出版社，北京，1989，P.248)。圖中19為壓緊板;20為電極;21為電極板框;22為雙極性膜;23為酸室板框;24為陰離子選擇膜;25為原料室板框;26為陽離子選擇膜;27為堿室板框。壓緊板19與雙極性膜22及電極板框21之間的空間構(gòu)成電極室28;雙極性膜22與陰離子選擇膜24及酸室板框23之間的空間構(gòu)成堿室29;陰離子選擇膜24與陽離子選擇膜26及原料室板框25之間的空間構(gòu)成原料室30;陽離子選擇膜26與雙極性膜22及堿室板框27之間的空間構(gòu)成酸室31。安裝時(shí)應(yīng)使雙極性膜的陰離子選擇層面向陽極而陽離子選擇層面向陰極。在直流電場的作用下，水在雙極性膜內(nèi)分解成H+離子和OH-離子，分別進(jìn)入堿室29和酸室31。原料室中的有機(jī)酸鹽MR中的陽離子M+通過陽離子選擇膜26進(jìn)入堿室29，與OH-離子結(jié)合形成堿，而有機(jī)酸根離子R-通過陰離子選擇膜24進(jìn)入酸室31，與H+結(jié)合形成產(chǎn)品有機(jī)酸。這種方法避免了利用無機(jī)酸提供H+離子，但需使用陽離子選擇膜、陰離子選擇膜及雙極性膜構(gòu)成電滲析器，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。而且電滲析過程中有機(jī)酸根離子需通過陰離子選擇膜。一般有機(jī)酸根離子都比較大，因此遷移速度比較慢，特別是通過陰離子交換膜的阻力較大，這就限制了使用這種方法制備有機(jī)酸的過程速率及效率。
本發(fā)明的目的就是針對上述諸種方法的缺點(diǎn)，開發(fā)一種新的由有機(jī)酸鹽制備相應(yīng)的有機(jī)酸的雙極性膜電滲析方法及相應(yīng)的設(shè)備，使電滲析器結(jié)構(gòu)簡化并提高電滲析過程的速率及效率。
本發(fā)明為一種由有機(jī)酸鹽制備相應(yīng)有機(jī)酸的雙極性膜電滲析器，包括壓緊板、電極板框、酸室板框、堿室板框、雙極性膜、陽離子選擇膜及相應(yīng)的密封墊片、堅(jiān)固件，雙極性膜的陽離子選擇層面向陰極，而其陰離子選擇層面向陽極，其特征在于壓緊板與陽離子選擇膜及電極板框之間的空間構(gòu)成電極室，陽離子選擇膜與雙極性膜及酸室板框之間的空間構(gòu)成酸室，陽離子選擇膜與雙極性膜及堿室板框之間的空間構(gòu)成堿室。所說酸室和堿室可以各是1個(gè)，也可以各是2個(gè)或2個(gè)以上。在多個(gè)的情況下，連接可以采取并聯(lián)方式，也可以采取串聯(lián)方式。
一種用上述雙極性膜電滲析器從有機(jī)酸鹽制備有機(jī)酸的工藝，其特征在于有機(jī)酸鹽被加入到酸室中，水或電解質(zhì)被加入到堿室中，在相應(yīng)循環(huán)泵作用下物料作循環(huán)流動，電流密度為50～200mA/cm2，腔室內(nèi)液體流速為5cm/s～20cm/s，操作溫度為20～100℃。
本發(fā)明的雙極性膜電滲析方法可以用來由有機(jī)酸鹽制備相應(yīng)的有機(jī)酸，包括各種脂肪酸、芳香酸及各類取代酸，如鹵代酸、羥基酸、氨基酸、酮酸等。
下面結(jié)合本發(fā)明的一個(gè)簡單的實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。圖4為使用雙極性膜電滲析法由有機(jī)酸鹽制備有機(jī)酸的流程及電滲析器結(jié)構(gòu)示意圖。圖中32為壓緊板;33為電極;34為陽離子選擇膜;35為雙極性膜;36為電極板框;37為酸室板框;38為堿室板框;39為緊固件;40為換熱器;41為密封墊片。安裝時(shí)應(yīng)使雙極性膜35的陽離子選擇層面向陰極而陰離子選擇層面向陽極。壓緊板39與陽離子選擇膜34及電極板框36之間的空間構(gòu)成電極室46;陽離子選擇膜34與雙極性膜35及酸室板框之間的空間構(gòu)成酸室47;雙極性膜35與陽離子選擇膜34及堿室板框38之間的空間構(gòu)成堿室48。42為酸室循環(huán)泵;43為堿室循環(huán)泵;44為電極室循環(huán)泵;45為直流電源。用于制造電滲析的材料應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用體系的性質(zhì)進(jìn)行選擇，其形狀和尺寸應(yīng)根據(jù)要求的生產(chǎn)能力進(jìn)行設(shè)計(jì)。
操作過程中原料有機(jī)酸鹽溶液加入到酸室47中，并在酸室循環(huán)泵42的作用下做循環(huán)流動。堿室48中可加入水或一種電解質(zhì)溶液。電極室46中加入相應(yīng)的電極液。操作過程中應(yīng)控制的主要參數(shù)包括電流密度、各腔室內(nèi)液體流動速度及溫度。電流密度增大有利于提高產(chǎn)物形成速率，但電流密度的選擇應(yīng)考慮到所使用的雙極性膜承受能力，同時(shí)電流密度過大會使熱效應(yīng)增加，增大換熱器的負(fù)荷。一般電流密度應(yīng)在50～200mA/cm2范圍內(nèi)。各腔室液體循環(huán)流量增大有利于增大液體在腔室內(nèi)的流動速度，減小傳質(zhì)阻力及極化現(xiàn)象，因此腔室內(nèi)液體流動速度一般為5cm/s～20cm/s。操作溫度適當(dāng)提高有利于加快離子遷移速度，使電滲析過程加快，但操作溫度的選擇應(yīng)考慮所使用膜的承受能力及換熱器負(fù)荷，一般溫度應(yīng)在20～100℃之間。
圖5為本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例。圖中49為壓緊板;50為電極;51為陽離子選擇膜;52為雙極性膜;53為電極板框;54為酸室板框;55為堿室板框;56為密封墊片;60為直流電源;61為緊固件;62為換熱器;63為電極室循環(huán)泵;64為酸室循環(huán)泵;65為堿室循環(huán)泵。雙極性膜52的陽離子選擇層面向陰極而陰離子選擇層面向陽極。壓緊板49與陽離子選擇膜51及陽極板框53之間的空間構(gòu)成電極室57;陽離子選擇膜51與雙極性膜52及酸室板框54之間的空間構(gòu)成酸室58;雙極性膜52與陽離子選擇膜51及堿室板框55之間的空間構(gòu)成堿室59。從圖4可以看出，除了電極室57外，陽離子選擇膜51、酸室板框54、雙極性膜52和堿室板框54順序排列，依次構(gòu)成酸室和堿室。圖4中只畫了三個(gè)酸室和三個(gè)堿室，實(shí)際上可以采用多組陽離子選擇膜和雙極性膜交替排列構(gòu)成多腔室電滲析器。該實(shí)施例采用多腔室電滲析器，原料有機(jī)酸鹽溶液分成多股進(jìn)入各個(gè)酸室，這有利于增大生產(chǎn)能力。
圖6為本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例。圖中67為壓緊板;68為電極;69為陽離子選擇膜;70為雙極性膜;71為電極板框;72為堿室板框;73為酸室板框;74為密封墊片;78為緊固件;79為換熱器;80為電極室循環(huán)泵;81為堿室循環(huán)泵;82為酸室循環(huán)泵;66為直流對于。壓緊板67和陽離子選擇膜69與電極板框71之間的空間構(gòu)成電極室;陽離子交換膜69與雙極性膜70及堿室板框72之間的空間構(gòu)成堿室;雙極性膜70與陽離子選擇膜69及酸室板框73之間的空間構(gòu)成酸室。如圖5所示實(shí)施例相似，該實(shí)施例所采用的也是多腔室電滲析器，只是原料有機(jī)酸鹽溶液在酸室循環(huán)泵82的作用下順序流經(jīng)各個(gè)酸室，這相當(dāng)于延長了原料液在電滲析器中的停留時(shí)間，這有利于提高轉(zhuǎn)化率或在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到所要求的轉(zhuǎn)化率。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于利用雙極性膜能分解水的特性，在直流電場的作用下使水在雙極性膜內(nèi)解離產(chǎn)生H+離子和OH-離子，并分別進(jìn)入酸室和堿室。原料有機(jī)酸鹽溶液直接加入到酸室中，有機(jī)酸根離子與進(jìn)入酸室的H+離子結(jié)合形成產(chǎn)品有機(jī)酸，而陽離子在直流電場的作用下通過陽離子選擇膜進(jìn)入堿室。隨著電滲析過程的不斷進(jìn)行，原料有機(jī)酸鹽逐漸轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的有機(jī)酸產(chǎn)品。本發(fā)明利用雙極性膜解溶水提供H+離子，所以無需另外利用無機(jī)酸為使有機(jī)酸鹽轉(zhuǎn)化成有機(jī)酸提供H+離子，這不僅有利于降低生產(chǎn)成本，而且避免了可能出現(xiàn)的廢液回收及處理問題。本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是使用雙極性膜和陽離子選擇膜構(gòu)造電滲析器，并使之交替排列。電滲析過程中只需使原料有機(jī)酸鹽中的陽離子在電場作用下通過陽離子選擇膜離開酸室，而有機(jī)酸根無需穿過膜運(yùn)動，這有利于強(qiáng)化生產(chǎn)過程。因?yàn)橛袡C(jī)酸根離子體積一般比較大，運(yùn)動速度比較慢，特別是穿過膜的速度比較慢。本發(fā)明避免了這樣的過程，而且可以減少對膜的污染。
為證實(shí)本發(fā)明的實(shí)用性，將圖3所示的本發(fā)明實(shí)施例用于由葡萄糖酸鈉制備葡萄糖酸過程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用濃度為1.2M的葡萄糖酸鈉溶液作為原料在酸室循環(huán)，當(dāng)電流密度為100mA/cm2時(shí)，只需6小時(shí)即可將98%的葡萄糖酸鈉轉(zhuǎn)化為葡萄糖。
權(quán)利要求
1.一種由有機(jī)酸鹽制備相應(yīng)有機(jī)酸的雙極性膜電滲析器，包括壓緊板、電極、電極板框、酸室板框、堿室板框、雙極性膜、陽離子選擇膜及相應(yīng)的密封墊片、緊固件，雙極性膜的陽離子選擇層面向陰極，而其陰離子選擇層面向陽極，其特征在于壓緊板與陽離子選擇膜及電極板框之間的空間構(gòu)成電極室，陽離子選擇膜與雙極性膜及酸室板框之間的空間構(gòu)成酸室，陽離子選擇膜與雙極性膜及堿室板框之間的空間構(gòu)成堿室。
2.按照權(quán)利要求1所說的雙極性膜電滲析器，其特征在于所說酸室和堿室各是1個(gè)。
3.按照權(quán)利要求1所說的雙極性膜電滲析器，其特征在于所說酸室和堿室各是2個(gè)以上(含2個(gè))。
4.按照權(quán)利要求3所說的雙極性膜電滲析器，其特征在于所說酸室和堿室采用并聯(lián)方式連接。
5.按照權(quán)利要求3所說的雙極性膜電滲析器，其特征在于所說酸室和堿室采用串聯(lián)方式連接。
6.一種用上述雙極性膜電滲析器從有機(jī)酸鹽制備有機(jī)酸的工藝，其特征在于有機(jī)酸鹽被加入到酸室中，水或電解質(zhì)被加入到堿室中，在相應(yīng)循環(huán)泵作用下物料作循環(huán)流動，電流密度為50～200mA/cm2，腔室內(nèi)液體流速為5cm/s～20cm/s，操作溫度為20～100℃。
7.一種上述雙極性膜電滲析器和工藝的用途，從有機(jī)酸鹽中制備相應(yīng)的有機(jī)酸，其特征在于所說有機(jī)酸為各種脂肪酸、芳香酸及各類取代酸，如鹵代酸、羥基酸、氨基酸、酮酸等。
全文摘要
一種制備有機(jī)酸的雙極性膜電滲析設(shè)備與工藝，屬于有機(jī)酸制備領(lǐng)域，其特征在于雙極性膜和陽離子選擇膜構(gòu)成酸室和堿室，有機(jī)酸鹽加入酸室中，水或電解質(zhì)加入堿室中。該方法生產(chǎn)效率高，廢液回收量小，生產(chǎn)成本低。
文檔編號B01D61/46GK1081120SQ9210542
公開日1994年1月26日 申請日期1992年7月9日 優(yōu)先權(quán)日1992年7月9日
發(fā)明者蔣維鈞, 林愛光, 李琳 申請人:清華大學(xué)