CN113233425A - 过氧化氢萃取方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种逆流式过氧化氢膜萃取方法，其采用带有微滤膜的萃取器实现双氧水由待萃取有机相蒽醌工作液向萃取剂酸性水溶液的逆流萃取，所述膜材料为无机亲水材料，其水相接触角<50°，膜截留孔径为5～100μm，膜孔隙率>30％。其可改进油水极端体积比的过氧化氢萃取技术，实现过氧化氢水溶液浓度的提升，避免严重影响萃取过程的乳化现象发生。

Description

过氧化氢萃取方法
技术领域
本发明涉及化工分离技术领域，具体涉及一种新型过氧化氢萃取方法。
背景技术
过氧化氢是一种重要的工业原料，其水溶液广泛应用于化学氧化、环境处理、消毒、造纸、食品工业等领域。蒽醌法是生产过氧化氢的唯一成熟工业方法，世界上98％以上的过氧化氢采用该方法获得。蒽醌法生产过氧化氢主要包括2-乙基蒽醌加氢、氢化-2-乙基蒽醌氧化和过氧化氢萃取三个核心步骤，工业上一般通过加氢和氧化两步反应获得含有5～10g/L过氧化氢的蒽醌工作液，再经过水萃取获得浓度为28wt.％左右的过氧化氢水溶液。在一些应用过程中，28wt％的过氧化氢水溶液不能满足要求，需要进一步对过氧化氢溶液进行精馏浓缩获得更高浓度的过氧化氢水溶液。
水和蒽醌工作液进行多级逆流萃取是获得28wt.％过氧化氢水溶液的主要方法，工业上普遍采用萃取塔完成该过程。由于蒽醌工作液中过氧化氢含量低，因此该萃取是一个极端相比过程，油水体积比可达40:1以上。该体系在操作不当的情况下容易发生乳化现象，因此萃取塔的稳定操作是该技术的难点。近年来，一些新型塔内构件和塔形式(CN209143698U，CN101279720A)即是沿着这一思路不断改进双氧水萃取装备。但总体来讲，大型塔设备的工业实施仍然存在较大的非理想性，过氧化氢的浓度也难以通过萃取方法突破28wt.％的浓度上限。
根据文献报道，过氧化氢在水和蒽醌工业液之间的分配系数(浓度比例)可达70以上(Chemical Engineering Science,2005,60:6298-6306)，因此从热力学原理上讲，通过进一步提升萃取过程的油水体积比可以获得浓度高于28wt％的过氧化氢水溶液，但这种极端相比难以通过萃取塔进行实施。专利CN105800563A，CN105800562A提出采用膜分散萃取技术实施过氧化氢的萃取过程可以提高过氧化氢的传质效率。该方法在实施过程中在疏水膜的作用下将磷酸水溶液以微小液滴的形式分散在蒽醌工作液中以获得极大的传质面积，再通过纤维束收集含有过氧化氢的水滴完成萃取过程。这一方法虽然提高了过氧化氢的传质速率，但对于过氧化氢萃取这样一个易乳化的体系开展微分散过程存在严重挑战。此外，该过程为并流萃取过程，若获得高浓度双氧水溶液则会导致蒽醌工作液中残余较高浓度过氧化氢。
基于以上技术进展，本发明提出一种新型逆流式过氧化氢膜萃取方法，该方法使酸性水溶液和蒽醌工作液分别在膜两侧进行逆流流动获得高理论级数。由于实施极高体积比萃取，水相在膜的一侧流量极低，甚至可近似为静止状态，因此利用高孔隙率亲水膜材料稳定油水界面并且提供足够传质面积完成过氧化氢的跨膜萃取。因为油水两相没有分散接触，所以不存在乳化现象。萃取过程中油水两相的流量可以独立调节，因此能够实施100:1油水体积比这样的极端萃取过程，满足获取高浓度过氧化氢水溶液的必要条件。该萃取技术进一步限定了毫米到亚毫米级的微小通道强化液液传质过程，萃取过程具有高效率和高可靠性。
发明内容
本发明的目的是提供一种逆流式过氧化氢膜萃取方法，改进油水极端体积比的过氧化氢萃取技术，实现过氧化氢水溶液浓度的提升，避免严重影响萃取过程的乳化现象的发生。
为解决上述技术问题，本发明提供一种逆流式过氧化氢膜萃取方法，其采用带有微滤膜的萃取器实现双氧水由待萃取的有机相蒽醌工作液向萃取剂酸性水溶液的逆流萃取，所述膜材料选择为无机亲水材料，膜表面水相接触角<50°，膜截留孔径为5～100μm，膜孔隙率>30％。
其中，所述膜材料选自不锈钢纤维、玻璃纤维、钛合金纤维、SiC陶瓷纤维。
其中，所述蒽醌工作液浓度为5～10g/L。
其中，所述萃取剂酸性水溶液的pH<2。
其中，所述蒽醌工作液与酸性水溶液之间的体积流量比为10:1～100:1。
其中，所述带有微滤膜的萃取器可以采用管式微滤膜萃取器或平板微滤膜萃取器。
当使用管式微滤膜萃取器时，管程走酸性水溶液，壳程走蒽醌工作液，管式微滤膜萃取其的微滤膜管为中空的，内径为0.5～3.0mm，膜管间距为1.0～6.0mm。
当使用平板微滤膜萃取器时，膜两侧分别布置蒽醌工作液和酸性水溶液的平行流动微小通道，通道宽度为1.0～8.0mm，通道高度为0.25～3.0mm。
其中，通道形状为直通道、Z字型通道、S型微通道。
所述蒽醌工作液内除H2O2的主要化学组成为：100-140g/L 2-乙基蒽醌、0-40g/L四氢2-乙基蒽醌、0-10g/L其他2-乙基蒽醌过度加氢产物，溶剂为含有25-30wt.％磷酸三辛酯的三甲苯。
本发明的有益效果
本发明提供的逆流式过氧化氢膜萃取方法具有以下优势：
(1)实现了10:1～100:1大油水体积比逆流萃取过程；
(2)产物过氧化氢浓度可达28wt.％以上；
(3)操作过程稳定，没有相混合和相分离过程，无乳化现象的发生；
(4)两相接触时间易于调控，易于实现产品浓度的柔性控制。
附图说明
图1本发明提供的管式微滤膜萃取装置的示意图，该图用于示意性地说明本发明提出的管式膜萃取装置，及其逆流操作实现过氧化氢萃取。
图2.本发明提供的带有微小通道的平板微滤膜萃取装置示意图，该图用于示意性地说明本发明提出的平板微滤膜萃取装置，膜两侧通道布置及其逆流操作实现过氧化氢萃取。
其中，1-含有折流板的管式微滤膜萃取装置；2-中空微滤膜管；3-平板微滤膜萃取装置的蒽醌工作液或酸性水溶液流动通道；4-平板微滤膜萃取装置的平板微滤膜；A-含有H2O2的原料蒽醌工作液；B-蒽醌工作液萃余液；C-酸性水溶液(萃取剂)；D-过氧化氢水溶液。
具体实施方式
本发明提供一种逆流式过氧化氢膜萃取方法，其采用带有微滤膜的萃取器实现双氧水由待萃取的有机相蒽醌工作液向萃取剂酸性水溶液中逆流萃取，所述膜材料选择为亲水材料，其表面水滴接触角<50°，膜截留孔径为5～100μm，膜孔隙率>30％。
进一步优选，所述膜材料选自不锈钢纤维、玻璃纤维、钛合金纤维、SiC陶瓷纤维，膜材料使用前需先通过98％浓硫酸或者高锰酸钾水溶液进行表面处理。
所述蒽醌工作液浓度为5～10g/L。
所述萃取剂酸性水溶液的pH<2。
所述萃取剂内的酸性物质为磷酸或硫酸。
所述蒽醌工作液与酸性水溶液之间的体积流量比为10:1～100:1。
所述两相物料在萃取器内停留时间不低于10min。
所述带有微滤膜的萃取器可以采用管式微滤膜萃取器或平板微滤膜萃取器。
当使用管式微滤膜萃取器时，管程走酸性水溶液，壳程走蒽醌工作液，管式微滤膜萃取其的微滤膜管为中空结构，内径为0.5～3.0mm，膜管间距1.0～6.0mm，为了强化传质可在膜外侧增加折流板，板间距为萃取器外壳的直径的2～4倍。
所述微滤膜管至少为1根。
当使用平板微滤膜萃取器时，膜两侧分别布置蒽醌工作液和酸性水溶液的平行流动微小通道，通道宽度为1.0～8.0mm，通道高度为0.25～3.0mm，通道形状为直通道、Z字型通道、S型微通道。
所述平板微滤膜两侧至少各有1个流体通道。
所述蒽醌工作液内除H2O2的主要化学组成为：100-140g/L 2-乙基蒽醌、0-40g/L四氢2-乙基蒽醌、0-10g/L其他2-乙基蒽醌过度加氢产物，溶剂为含有25-30wt.％磷酸三辛酯的三甲苯。
以下采用实施例及附图来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。
配制蒽醌工作液：将75wt.％三甲苯和25wt.％磷酸三辛酯混合制成溶剂，向其中溶解2-乙基蒽醌，配成120g/L 2-乙基蒽醌工作液。该工作液在实施过程中循环使用，通过含有Pd@Al2O3的固定床反应器进行加氢反应，加氢反应产物中2-乙基蒽醌的转化率约20～50％，随后在搅拌釜内通入空气对工作液进行氧化，获得含5～10g/L H2O2的蒽醌工作液作为萃取原料，萃余工作液进一步通过饱和碳酸钾分解过量过氧化氢，通过Al2O3床层脱水后重新进行加氢反应。由于2-乙基蒽醌存在加氢副反应，因此随着工作液循环，部分2-乙基蒽醌会转化为四氢-2-乙基蒽醌，其最高含量可达38g/L，另外还有部分更为深度加氢的2-乙基蒽醌，其最高含量约8.8g/L。此外，随着氧化尾气的排出，少部分溶剂会因为挥发离开工作液，导致2-乙基蒽醌在107-135g/L之间波动，这些物质转变在过氧化氢的生产过程中属于合理范围，相应物质和浓度的转变也不会对蒽醌工作液的密度、粘度等物性造成较大影响，因此这些改变基本不影响过氧化氢的萃取过程，在后续实施例中也不再对工作液组成进行详尽说明。
配制萃取剂：过氧化氢在中性条件下能够发生缓慢分解，因此需采用酸性水溶液对过氧化氢进行萃取，该溶液采用磷酸或硫酸与水混合，配置成0.2～1.0wt.％的水溶液待用。
实施例1
按照图1所示结构制成管式微滤膜萃取器，其内部含有20根外径1.0mm，内径0.5mm的钛合金膜管，膜截留孔径100μm，孔隙率75％，膜管长度40cm，管间距1mm，装置内无折流板。钛合金膜经硫酸处理后，水相在其表面完全铺展(接触角等于0)。使用含5.2g/L H2O2的蒽醌工作液进行实验，流量为5mL/min。萃取剂为0.25wt.％的磷酸水溶液，流量为0.1mL/min。分别在40、50、60、70℃下开展实验，获得产物水相过氧化氢浓度分别为20wt.％、23wt.％、24wt.％、25wt.％。
实施例2
采用与实施例1相同的管式微滤膜萃取器。使用含5.1g/L H2O2的蒽醌工作液进行实验，流量为10mL/min。萃取剂为0.5wt.％的磷酸水溶液，流量为0.1mL/min。分别在40、50、60、70℃下开展实验，获得产物水相过氧化氢浓度分别为37wt.％、40wt.％、44wt.％、45wt.％。
实施例3
按照图1所示结构制成管式微滤膜萃取器，其内部含有50根外径4.0mm，内径3mm的316L不锈钢膜管，膜截留孔径10μm，孔隙率50％，膜管长度100cm，管间距6mm，装置设置缺口面积20％的折流板，板间距30cm。不锈钢膜经高锰酸钾水溶液处理后，水相在其表面完全铺展(接触角等于0)。使用含7.5g/L H2O2的蒽醌工作液进行实验，流量为200mL/min。萃取剂为0.2wt.％的磷酸水溶液，流量为20mL/min。分别在50、60、70℃下开展实验，获得产物水相过氧化氢浓度分别为7.3wt.％、7.3wt.％、7.4wt.％。
实施例4
采用与实施例3相同的管式微滤膜萃取器。使用含7.5g/L H2O2的蒽醌工作液进行实验，流量为800mL/min。萃取剂为1wt.％的磷酸水溶液，流量为10mL/min。分别在50、60、70℃下开展实验，获得产物水相过氧化氢浓度分别为37wt.％、40wt.％、41wt.％。
实施例5
按照图2所示结构制成平板微滤膜萃取器，膜材料选用316L不锈钢，膜截留孔径为100μm，孔隙率82％，该膜经高锰酸钾水溶液处理后，水相在其表面完全铺展(接触角等于0)。在膜一侧加工宽度为8mm，深度为3mm，长度为50cm，数量为4根的平行通道用于蒽醌工作液在其中流动；在膜一侧加工宽度为8mm，深度为0.5mm，长度为50cm，数量为4根的平行通道用于酸性水溶液流动。使用含6.8g/L H2O2的蒽醌工作液进行实验，流量为4mL/min。萃取剂为0.2wt.％的磷酸水溶液，流量为0.1mL/min。分别在40、50、60、70℃下开展实验，获得产物水相过氧化氢浓度分别为21wt.％、23wt.％、24wt.％、26wt.％。
实施例6
按照图2所示结构制成平板微滤膜萃取器，膜材料选用玻璃纤维，膜截留孔径为5μm，孔隙率35％，该膜经硫酸处理后，水相在其表面接触角约为45°。在膜一侧加工宽度为2mm，深度为1mm，长度为200cm，数量为10根的Z字型通道用于蒽醌工作液在其中流动；在膜一侧加工宽度为2mm，深度为0.25mm，长度为200cm，数量为10根的Z字型通道用于酸性水溶液流动。使用含6.9g/L H2O2的蒽醌工作液进行实验，流量为4mL/min。萃取剂为0.5wt.％的硫酸水溶液，流量为0.05mL/min。分别在50、60、70℃下开展实验，获得产物水相过氧化氢浓度分别为39wt.％、40wt.％、46wt.％。
实施例7
按照图2所示结构制成平板微滤膜萃取器，膜材料选用SiC纤维，膜截留孔径为15μm，孔隙率73％，该膜经硫酸处理后，水相在其表面接触角约为30°。在膜一侧加工宽度为4mm，深度为1mm，长度为100cm，数量为10根的S字型通道用于蒽醌工作液在其中流动；在膜一侧加工宽度为4mm，深度为0.5mm，长度为100cm，数量为10根的S字型通道用于酸性水溶液流动。使用含8.9g/L H2O2的蒽醌工作液进行实验，流量为4mL/min。萃取剂为0.2wt.％的硫酸水溶液，流量为0.25mL/min。分别在50、60、70℃下开展实验，获得产物水相过氧化氢浓度分别为11wt.％、13wt.％、14wt.％。
所有上述的首要实施这一知识产权，并没有设定限制其他形式的实施这种新产品和/或新方法。本领域技术人员将利用这一重要信息，上述内容修改，以实现类似的执行情况。但是，所有修改或改造基于本发明新产品属于保留的权利。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种逆流式过氧化氢膜萃取方法，其特征在于：采用带有微滤膜的萃取器实现双氧水由待萃取有机相蒽醌工作液向萃取剂酸性水溶液的逆流萃取，所述膜材料选择为无机亲水材料，其表面水滴接触角<50°，膜截留孔径为5～100μm，膜孔隙率>30％，所述的微滤膜的为管式微滤膜或平板微滤膜，所述蒽醌工作液与酸性水溶液之间的体积流量比为10:1～100:1。
2.如权利要求1所述的逆流式过氧化氢膜萃取方法，其特征在于：所述膜材料选自不锈钢纤维、玻璃纤维、钛合金纤维、SiC陶瓷纤维。
3.如权利要求1或2所述的逆流式过氧化氢膜萃取方法，其特征在于：所述蒽醌工作液浓度为5～10g/L。
4.如权利要求1或2所述的逆流式过氧化氢膜萃取方法，其特征在于：所述萃取剂酸性水溶液的pH<2。
5.如权利要求1或2所述的逆流式过氧化氢膜萃取方法，其特征在于：当使用管式微滤膜萃取器时，管程走酸性水溶液，壳程走蒽醌工作液，管式微滤膜萃取其的微滤膜管为中空的，内径为0.5～3.0mm，膜管间距1.0～6.0mm。
6.如权利要求1或2所述的逆流式过氧化氢膜萃取方法，其特征在于：当使用平板微滤膜萃取器时，膜两侧分别布置蒽醌工作液和酸性水溶液的平行流动微小通道，通道宽度为1.0～8.0mm，通道高度为0.25～3.0mm。
7.如权利要求6所述的逆流式过氧化氢膜萃取方法，其特征在于：通道形状为直通道、Z字型通道、S型微通道。
8.如权利要求1或2所述的逆流式过氧化氢膜萃取方法，其特征在于：所述蒽醌工作液内除H2O2的主要化学组成为：100-140g/L 2-乙基蒽醌、0-40g/L四氢2-乙基蒽醌、0-10g/L其他2-乙基蒽醌过度加氢产物，溶剂为含有25-30wt％磷酸三辛酯的三甲苯。
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