CN109096230A - 一种通过双极膜电渗析制备维生素c的方法 - Google Patents

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颜海洋
王晓林
李为
李传润
吴亮
徐铜文
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    • C07D307/02—Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom not condensed with other rings
    • C07D307/34—Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom not condensed with other rings having two or three double bonds between ring members or between ring members and non-ring members
    • C07D307/56—Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom not condensed with other rings having two or three double bonds between ring members or between ring members and non-ring members with hetero atoms or with carbon atoms having three bonds to hetero atoms with at the most one bond to halogen, e.g. ester or nitrile radicals, directly attached to ring carbon atoms
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Abstract

本发明公开了一种通过双极膜电渗析制备维生素C的方法，采用双极膜电渗析装置，首先向双极膜电渗析膜堆中的酸室通入维生素C钠溶液，向双极膜电渗析膜堆中的碱室通入去离子水，向双极膜电渗析膜堆中的阳极室和阴极室分别通入强电解质溶液；然后在双极膜电渗析膜堆两端施加直流电即可实现维生素C钠的转化，获得维生素C。本发明双极膜电渗析转化过程中维生素C钠的转化率可高达～99％，钠离子含量可降至300mg/L以下。该制备方法操作简单，无需消耗任何化学试剂，避免了传统工艺中硫酸的消耗和副产物硫酸钠的产生。

Description

一种通过双极膜电渗析制备维生素C的方法
技术领域
本发明涉及一种通过双极膜电渗析制备维生素C的方法，属于有机酸生产技术领域。
背景技术
维生素C钠盐转化为维生素C的生产，目前行业通用的方法为硫酸酸化法及固定床离子交换法，其中硫酸酸化法已基本淘汰，固定床离子交换法已成为目前主要生产工艺，通常固定床离子交换工艺为维生素C钠盐溶液经过阳离子交换后变成维生素C溶液，再经过后处理得到维生素C产品。该工序的主要缺点包括固定床离子交换法树脂用量、再生酸碱用量、污水总量及占地面积均大，交换效率低。此外，没有经过阴离子交换，交换液中有大量的硫酸根影响到维生素C产品的质量。
针对以上问题，中国专利CN101381354A提出了新的工艺，即粗品维生素C钠盐溶解于纯化水中，利用维生素C母液调节pH为4.5-6.0，调节维生素C钠盐含量至280-360mg/mL，经过第一次交换后的溶液继续通过第二次交换去除溶液中的硫酸根，去除硫酸根后的溶液再进行后处理得到维生素C产品。但是，在此工艺中仍然会用到离子交换，仍存在离子交换树脂再生及其带来的相关问题。
双极膜电渗析，作为一种绿色、环保、节能的膜分离技术，能够在低电压下将水解离为H+和OH-，因此可一步将有机、无机盐转化为相应的酸和碱，过程中无化学试剂消耗，无副产物产生。然而，目前并没有通过双极膜电渗析法转化维生素C钠制备维生素C的报道。
发明内容
为克服现有技术的上述缺陷，本发明旨在提供一种通过双极膜电渗析制备维生素C的方法，以期实现低能耗、绿色、环保的生产过程。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
本发明通过双极膜电渗析制备维生素C的方法，包括如下步骤：
采用双极膜电渗析装置，首先向双极膜电渗析膜堆中的酸室通入维生素C钠溶液，向双极膜电渗析膜堆中的碱室通入去离子水，向双极膜电渗析膜堆中的阳极室和阴极室分别通入强电解质溶液；然后在双极膜电渗析膜堆两端施加直流电即可实现维生素C钠的转化，获得维生素C，即在直流电的作用下双极膜解离产生的H+与酸室中的维生素C阴离子结合生成维生素C，酸室中的Na+被迁移通过阳离子交换膜进入到碱室，与碱室双极膜解离产生的OH-结合生成NaOH。
所述双极膜电渗析装置中膜堆排列方式依次设置为：阳电极-阳极室-阳离子交换膜-碱室-双极膜-[酸室-阳离子交换膜-碱室-双极膜]n-酸室-阳离子交换膜-阴极室-阴电极，其中n为重复单元数，取值范围为1-1000。
向酸室中通入的维生素C钠溶液中维生素C钠的浓度为10-30wt％。
向阳极室和阴极室中通入的强电解质溶液为硫酸钠溶液或硝酸钠溶液，浓度为0.01-1.0mol/L。阳极室和阴极室串联在一起，从而使得两极室中阳离子总量和阴离子总量保持不变，维持电解液中阴阳离子平衡。
所述阳电极和阴电极的材料为耐腐蚀的钛涂钌；相邻离子交换膜之间的隔室包括所述的碱室和酸室由带有流道和格网的垫片构成，垫片厚度为0.8mm。
运行过程中，先将各隔室料液通过蠕动泵循环5-30分钟，排出膜堆中的气泡。
运行过程中，通过蠕动泵控制阳极室、阴极室、碱室和酸室溶液流动的线流速为3-10cm/s，避免浓差极化现象发生。
运行过程中，恒电压操作，设置电流密度为10-100mA/cm2，优选30-70mA/cm2。
经过双极膜电渗析转化后，维生素C钠溶液中钠离子含量可被降至2000mg/L以下。
本发明通过双极膜电渗析转化维生素C钠得到维生素C，同时可得到高附加值的副产物氢氧化钠。双极膜电渗析转化过程中维生素C钠的转化率可高达～99％，钠离子含量可降至300mg/L以下。本方法操作简单，无需消耗任何化学试剂，避免了传统工艺中硫酸的消耗和副产物硫酸钠的产生。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
本发明首次运用双极膜电渗析对维生素C钠溶液进行转化制备维生素C，过程中利用双极膜可直接解离水产生H+和OH-的优势，一步法将维生素C钠转化为维生素C和氢氧化钠，可得到较高的转化率，同时可生产具有高附加值的副产物氢氧化钠。该法避免了传统工艺中添加硫酸进行酸化的方法，从而也避免了副产物硫酸钠的生成。因此，通过双极膜对维生素C钠溶液进行转化制备维生素C是一种经济、绿色、环保的生产方法，具有重要的工业化应用价值。
附图说明
图1为本发明双极膜电渗析制备维生素C的原理示意图。
具体实施方式
以下通过实施例进一步详细说明双极膜电渗析制备维生素C的方法。
实施例1：
本实施例采用如图1所示的双极膜电渗析装置，膜堆排列方式为阳电极-阳极室-阳离子交换膜-碱室-双极膜-[酸室-阳离子交换膜-碱室-双极膜]n-酸室-阳离子交换膜-阴极室-阴电极，重复单元数n为5。膜堆中阳电极和阴电极的材料为耐腐蚀的钛涂钌，相邻离子交换膜之间的隔室包括酸室和碱室由带有流道和格网的垫片构成，垫片厚度为0.8mm。膜堆中使用的阳离子交换膜为日本Astom公司生产的CMX，双极膜为日本Astom公司生产的BP-1E，单张膜有效面积为189cm2(9cm×21cm)。
阳极室和阴极室串联在一起，通入500mL 0.3mol/L Na2SO4水溶液作为强电解液，碱室中通入400mL去离子水，酸室中通入400mL维生素C钠含量为20％的溶液。实验过程中，各隔室溶液在膜堆中流动的线流速为4cm/s，膜堆电压设置为10V，电流密度上限设置为50mA/cm2。实验过程中监控酸室pH值，实验运行至酸室pH下降为1.80时停止，酸室中Na+离子含量可降至753mg/L，维生素C钠的转化率高达96.7％，同时碱室中NaOH浓度可达到1.05mol/L。
实施例2：
本实施例所用的双极膜电渗析装置同实施例1。
阳极室和阴极室串联在一起，通入500mL 0.3mol/L Na2SO4水溶液作为强电解液，碱室中通入400mL去离子水，酸室中通入400mL维生素C钠含量为30％的溶液。实验过程中，各隔室溶液在膜堆中流动的线流速为4cm/s，膜堆电压设置为15V，电流密度上限设置为50mA/cm2。实验过程中监控酸室pH值，实验运行至酸室pH下降为1.10时停止，酸室中Na+离子含量可降至268mg/L，维生素C钠的转化率高达98.8％，同时碱室中NaOH浓度可达到1.48mol/L。
实施例3：
本实施例所用的双极膜电渗析装置同实施例1。
阳极室和阴极室串联在一起，通入500mL 0.3mol/L Na2SO4水溶液作为强电解液，碱室中通入400mL去离子水，酸室中通入400mL维生素C钠含量为30％的溶液。实验过程中，各隔室溶液在膜堆中流动的线流速为4cm/s，膜堆电压设置为15V，电流密度上限设置为50mA/cm2。实验过程中监控酸室pH值，实验运行至酸室pH下降为1.78时停止，酸室中Na+离子含量可降至895mg/L，维生素C钠的转化率高达97.4％，同时碱室中NaOH浓度可达到1.48mol/L。
实施例4：
本实施例所用的双极膜电渗析装置同实施例1。
阳极室和阴极室串联在一起，通入500m L0.3mol/L Na2SO4水溶液作为强电解液，碱室中通入400mL去离子水，酸室中通入400mL维生素C钠含量为30％的溶液。实验过程中，各隔室溶液在膜堆中流动的线流速为4cm/s，膜堆电压设置为15V，电流密度上限设置为50mA/cm2。实验过程中监控酸室pH值，实验运行至酸室pH下降为1.30时停止，酸室中Na+离子含量可降至487mg/L，维生素C钠的转化率高达98.6％，同时碱室中NaOH浓度可达到1.51mol/L。

Claims (9)

1.一种通过双极膜电渗析制备维生素C的方法，其特征在于包括如下步骤：
采用双极膜电渗析装置，首先向双极膜电渗析膜堆中的酸室通入维生素C钠溶液，向双极膜电渗析膜堆中的碱室通入去离子水，向双极膜电渗析膜堆中的阳极室和阴极室分别通入强电解质溶液；然后在双极膜电渗析膜堆两端施加直流电即可实现维生素C钠的转化，获得维生素C。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述双极膜电渗析装置中膜堆排列方式依次设置为：阳电极-阳极室-阳离子交换膜-碱室-双极膜-[酸室-阳离子交换膜-碱室-双极膜]n-酸室-阳离子交换膜-阴极室-阴电极，其中n为重复单元数，取值范围为1-1000。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
向酸室中通入的维生素C钠溶液中维生素C钠的浓度为10-30wt％。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
向阳极室和阴极室中通入的强电解质溶液为硫酸钠溶液或硝酸钠溶液，浓度为0.01-1.0mol/L。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述阳电极和阴电极的材料为耐腐蚀的钛涂钌。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
运行过程中，先将各隔室料液通过蠕动泵循环5-30分钟，排出膜堆中的气泡。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
运行过程中，通过蠕动泵控制阳极室、阴极室、碱室和酸室溶液流动的线流速为3-10cm/s，避免浓差极化现象发生。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
运行过程中，恒电压操作，设置电流密度为10-100mA/cm2。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：
电流密度为30-70mA/cm2。
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