專利名稱：雙極性膜電滲析法制備有機酸的設備與工藝的制作方法
技術領域：
本發(fā)明為一種有機酸制備新方法，具體涉及到由有機酸鹽制備相應的有機酸的雙極性膜電滲析設備和工藝。屬于有機酸制備領域。
在化工、輕工、食品、醫(yī)藥等領域會遇到許多有機酸，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。許多重要的有機酸是通過生物發(fā)酵等方法先制得有機酸鹽再進一步轉化成相應的有機酸。由有機酸鹽制備相應的有機酸的方法主要包括酸轉化法、離子交換法及電滲析法等。電滲析法的關鍵設備是由一系列離子選擇性膜構成的電滲析器。電滲析器的基本結構如

圖1所示(參見王振堃編《離子交換膜-制備、性能及應用》，化學工業(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、離子選擇器及相應的墊片及緊固裝置。根據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，可以構成不同的電滲析法。對于由有機酸鹽制備有機酸，文獻報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之間的空間構成酸室17;陽離子選擇膜12與原料室板框14之間的空間構成原料室18。如圖2所示，原料有機酸鹽MR進入原料室18，而在酸室17中應加入一種無機酸以提供H+離子。在直流電場作用下，原料有機酸中的陽離子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進入原料室18與有機酸根R-結合形成相應的有機酸HR。這種方法需使用無機酸提供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酸鹽制備有機酸的方法，其工作原理為圖3所示(參見《化學工程手冊》編輯委員會編，《化學工程手冊》，第18篇，《薄膜過程》，化學工業(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之間的空間構成酸室31。安裝時應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，水在雙極性膜內分解成H+離子和OH-離子，分別進入堿室29和酸室31。原料室中的有機酸鹽MR中的陽離子M+通過陽離子選擇膜26進入堿室29，與OH-離子結合形成堿，而有機酸根離子R-通過陰離子選擇膜24進入酸室31，與H+結合形成產品有機酸。這種方法避免了利用無機酸提供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成電滲析器，結構較為復雜。而且電滲析過程中有機酸根離子需通過陰離子選擇膜。一般有機酸根離子都比較大，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，開發(fā)一種新的由有機酸鹽制備相應的有機酸的雙極性膜電滲析方法及相應的設備，使電滲析器結構簡化并提高電滲析過程的速率及效率。
本發(fā)明為一種由有機酸鹽制備相應有機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的密封墊片、堅固件，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成堿室。所說酸室和堿室可以各是1個，也可以各是2個或2個以上。在多個的情況下，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酸鹽制備有機酸的工藝，其特征在于有機酸鹽被加入到酸室中，水或電解質被加入到堿室中，在相應循環(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酸鹽制備相應的有機酸，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。
下面結合本發(fā)明的一個簡單的實施例對本發(fā)明進行詳細描述。圖4為使用雙極性膜電滲析法由有機酸鹽制備有機酸的流程及電滲析器結構示意圖。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。安裝時應使雙極性膜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根據實際應用體系的性質進行選擇，其形狀和尺寸應根據要求的生產能力進行設計。
操作過程中原料有機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溶液。電極室46中加入相應的電極液。操作過程中應控制的主要參數(shù)包括電流密度、各腔室內液體流動速度及溫度。電流密度增大有利于提高產物形成速率，但電流密度的選擇應考慮到所使用的雙極性膜承受能力，同時電流密度過大會使熱效應增加，增大換熱器的負荷。一般電流密度應在50～200mA/cm2范圍內。各腔室液體循環(huán)流量增大有利于增大液體在腔室內的流動速度，減小傳質阻力及極化現(xiàn)象，因此腔室內液體流動速度一般為5cm/s～20cm/s。操作溫度適當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考慮所使用膜的承受能力及換熱器負荷，一般溫度應在20～100℃之間。
圖5為本發(fā)明的另一個實施例。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，依次構成酸室和堿室。圖4中只畫了三個酸室和三個堿室，實際上可以采用多組陽離子選擇膜和雙極性膜交替排列構成多腔室電滲析器。該實施例采用多腔室電滲析器，原料有機酸鹽溶液分成多股進入各個酸室，這有利于增大生產能力。
圖6為本發(fā)明的又一個實施例。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之間的空間構成酸室。如圖5所示實施例相似，該實施例所采用的也是多腔室電滲析器，只是原料有機酸鹽溶液在酸室循環(huán)泵82的作用下順序流經各個酸室，這相當于延長了原料液在電滲析器中的停留時間，這有利于提高轉化率或在較短的時間內達到所要求的轉化率。
本發(fā)明的優(yōu)點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解離產生H+離子和OH-離子，并分別進入酸室和堿室。原料有機酸鹽溶液直接加入到酸室中，有機酸根離子與進入酸室的H+離子結合形成產品有機酸，而陽離子在直流電場的作用下通過陽離子選擇膜進入堿室。隨著電滲析過程的不斷進行，原料有機酸鹽逐漸轉化成相應的有機酸產品。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酸為使有機酸鹽轉化成有機酸提供H+離子，這不僅有利于降低生產成本，而且避免了可能出現(xiàn)的廢液回收及處理問題。本發(fā)明的另一個優(yōu)點是使用雙極性膜和陽離子選擇膜構造電滲析器，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，而有機酸根無需穿過膜運動，這有利于強化生產過程。因為有機酸根離子體積一般比較大，運動速度比較慢，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。
為證實本發(fā)明的實用性，將圖3所示的本發(fā)明實施例用于由葡萄糖酸鈉制備葡萄糖酸過程。實驗結果表明，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)，當電流密度為100mA/cm2時，只需6小時即可將98%的葡萄糖酸鈉轉化為葡萄糖。
權利要求
1.一種由有機酸鹽制備相應有機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成堿室。
2.按照權利要求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。
3.按照權利要求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個以上(含2個)。
4.按照權利要求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酸鹽制備有機酸的工藝，其特征在于有機酸鹽被加入到酸室中，水或電解質被加入到堿室中，在相應循環(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，從有機酸鹽中制備相應的有機酸，其特征在于所說有機酸為各種脂肪酸、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
一種制備有機酸的雙極性膜電滲析設備與工藝，屬于有機酸制備領域，其特征在于雙極性膜和陽離子選擇膜構成酸室和堿室，有機酸鹽加入酸室中，水或電解質加入堿室中。該方法生產效率高，廢液回收量小，生產成本低。
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