一种极性物质吸附分离与提纯材料及其制备方法与流程

本发明涉及分离与提纯领域，更具体地涉及一种用于极性物质吸附分离与提纯材料领域。

背景技术：

物质分离包括气气分离、气液分离、气固分离、液液分离、液固分离,在传统化工生产单元操作过程中涉及的分离方法主要包含物理分离和化学分离两种,其中物理分离又包括精馏、萃取、机械过滤、吸附、静电吸附等。

精馏主要针对液液分离，根据混合物中物质沸点差异进行分离操作，但是分离得到的产物多为一定馏程范围的混合物，分离精度较低，特别对于油品生产企业，分离后的产物含有一定的有机酸、碱性氮等极性物质，造成产品的酸值、碱值超标；萃取主要针对液液分离，根据不同物质在特定萃取剂里的溶解度不同进行分离操作，但是分离过程中伴随萃取液产生，必须对萃取液进行再分离操作，工序较为复杂，而且分离所得的产物收率较低，一般不超过90％；机械过滤主要针对气固分离、液固分离，根据过滤要求，采用不同精度的滤芯对气体或液体中的固体颗粒物进行筛分分离操作，但是这种机械过滤方式容易堵塞滤芯，特别是对于固体含量较多且过滤精度要求高的物质，过滤效率较低；吸附主要针对气气分离、气液分离、液液分离，利用吸附剂(例如分子筛、白土等)特有的微孔结构，对流体中的大分子物质或杂质成分进行吸附分离，但是这种吸附方式所使用的吸附剂均有吸附容量，失活之后需要重新装填吸附剂，成本较高，且产生的失活吸附剂会对环境造成二次污染。

静电吸附是近些年兴起的一种较为先进的气固、液液、液固分离方式，主要应用于气体静电除尘、污水处理,油品净化等方面，这种分离方式主要利用高压静电场原理，对正负两极板施加电压(几百—几万伏)，使正负两极板间形成高压静电场，利用高压静电场场能对流经电场的流体介质中的带电荷的极性物质进行做功，使其发生定向泳动，并被正负两极板间的材料粘附，达到物质分离的目的，但是这种分离方式在处理水分或极性杂质含量较高的介质时，当电场电压和电流较高时，容易发生击穿放电现象，造成严重的生产事故。

化学分离主要是通过人为添加化学组分，与分离物质中的极性杂质发生不可逆的化学反应，形成固体颗粒或气体组分，从而起到物质分离的作用，但是这种分离方式会不可避免的产生化学反应副产物，会对环境造成一定的污染，例如油品生产过程中的酸碱精制，由于在“酸洗”过程中产生大量的酸渣，污染环境，国家已明令禁止使用。

为了弥补上述现有技术的不足，本申请提出一种极性物质吸附分离与提纯材料及其制造方法，可以实现极性物质与非极性物质的有效分离，包括气气分离、气液分离、气固分离、液液分离、液固分离,在满足安全、环保要求的同时保证物质的分离精度、收率及纯度。

技术实现要素：

本申请的技术方案如下：

一种极性物质吸附分离与提纯材料，所述材料包括经阴极改性剂浸泡改性处理后得到阴极纤维床层和经阳极改性剂浸泡改性处理后得到阳极纤维床层，所述纤维床层经吸附纤维和骨架纤维经过混纺制成。

作为优选，阴极改性剂为金属类阴性亚微米粉体材料，选自：氧化镁、氧化锌、氧化锆、氧化镍、氧化钯、氧化钛、氧化铬、氧化铑、氧化铼、氧化钼、氧化钒、氧化锰、氧化砷、氧化铜、氧化钙、氧化铱、氧化铂、氧化铊、氧化镭、氧化锑、氧化钴、氧化镉、氧化锗、氧化钋、氧化镓、氧化铟、氧化锂、氧化铍、氧化铋、氧化铌的单体或混合物等。

进一步地，金属类阴性亚微米粉体材料优选氧化镁、氧化锌、氧化锆、氧化镍、氧化钯、氧化钛、氧化铬、氧化砷、氧化铜、氧化钙的单体或混合物等。

作为优选，阳极改性剂为金属类阳性亚微米粉体材料，选自：钛酸镍、钛酸铊、钛酸锑、钛酸钒、钛酸镉、钛酸锗、钛酸钋、钛酸铱、钛酸铂、钛酸钡、钛酸铑、钛酸镭、钛酸钼、钛酸铜钙、钛酸镓、钛酸铟、钛酸锂、钛酸铍、钛酸铋、钛酸铼、钛酸铝、钛酸锶、钛酸钴、钛酸锆、钛酸锶钡、钛酸锌、钛酸铬、钛酸砷、钛酸镁的单体或混合物等。

进一步地，金属阳性亚微米粉体材料优选钛酸锶、钛酸钴、钛酸锆、钛酸锶钡、钛酸锌、钛酸铬、钛酸铜钙、钛酸砷、钛酸钡、钛酸镁的单体或混合物等。

所述吸附纤维含有大量的纳米级孔道，比表面积大，可为极性物质及大分子物质提供大量的附着位点，骨架纤维主要为改性剂提供支撑附着表面。

作为优选，吸附纤维与骨架纤维按比例1:1比例混纺制成，为分离材料提供基本基材。

所述材料还包括粘合碱性水溶液，粘合碱性水溶液采用液体硅酸钠或液体硅酸钡与蒸馏水按一定体积百分比配合搅拌制成，所述液体硅酸钠或液体硅酸钡的体积分数为10％-90％。根据气候温度的不同，夏季气温较高，液体硅酸钠或液体硅酸钡所占的体积分数可提高至90％，冬季气温较低，液体硅酸钠或液体硅酸钡所占的体积分数可降低至10％。其主要作用是使亚微米级粒径的改性剂均匀地分散在液体分散剂中，并且通过其粘附作用，将改性剂粘附在骨架纤维上，不易脱落。

所述极性物质吸附分离与提纯材料的制备方法如下：

将阳极改性剂与粘合碱性水溶液组成的阳极改性分散相均匀、致密地粘附在纤维床层上得到阳极纤维床层，将阴极改性剂与粘合碱性水溶液组成的阴极改性分散相均匀、致密地粘附在纤维床层上得到阴极纤维床层，将阳极纤维床层与阴极纤维床层叠合，其具体制备步骤：

(1)将阳极改性剂配料搅拌、调和30分钟，得到混合均匀的阳极改性剂；

(2)将阴极改性剂配料搅拌、调和30分钟，得到混合均匀的阴极改性剂；

(3)将步骤(1)得到的混合均匀的阳极改性剂与粘合碱性水溶液按一定质量比置于搅拌器内搅拌混合30分钟至均匀，得到阳极改性分散相；

(4)将步骤(2)到的混合均匀的阴极改性剂与粘合分散剂水溶液按一定质量比置于搅拌器内搅拌混合40分钟至均匀，得到阴极改性分散相；

(5)将纤维床层浸泡在步骤(3)中的阳极改性分散相中，浸泡时间15-20分钟，取出纤维床层，将多余的阳极分散相挤出，并将纤维床层烘干，得到阳极纤维床层；

(6)将纤维床层浸泡在步骤(4)中的阴极改性分散相中，浸泡时间15-20分钟，取出纤维床层，将多余的阴极分散相挤出，并将纤维床层烘干，得到阴极纤维床层；

(7)将阳极纤维床层与阴极纤维床层叠合，得到极性物质吸附分离与提纯材料。

一种极性物质吸附分离滤芯，包括极性物质吸附分离与提纯材料、诱导板、固定支撑结构板、主轴，所述极性物质吸附分离与提纯材料和诱导板固定于固定支撑结构板上方。

所述吸附分离滤芯，适用于生产过程中的分离与提纯操作。

作为优选，所述诱导板采用金属孔板材料制成，在正常工作时与电源正极(或负极)连接,诱导极性物质吸附分离与提纯材料产生极化效应,并通过纤维床层中的吸附纤维对流经内部的极性物质进行吸附分离。

作为优选，固定支撑结构板采用高分子树脂(或金属)孔板材料制成，结构强度高,在滤芯制作过程中包裹在极性物质吸附分离与提纯材料中，主要对纤维床层起支撑作用。

作为优选，所述诱导板与支撑结构板间隔排布。

作为优选，所述主轴为金属材质，通常采用碳钢经机械加工制成，主要作用是支撑滤芯材料及固定滤芯。

作为优选，在主轴的内侧镶嵌有pvc绝缘层，主要作用是在给诱导板或主轴通电的情况下起绝缘作用。

上述吸附分离滤芯的制备方法如下：

(1)纤维床层经阴极改性剂浸泡改性处理后得到阴极纤维床层；

(2)纤维床层经阳极改性剂浸泡改性处理后得到阳极纤维床层；

(3)步骤(1)得到的阴极纤维床层与步骤(2)得到的阳极纤维床层叠合，得到极性物质吸附分离与提纯材料；

(4)将两张极性物质吸附分离材料对称敷设于诱导板两侧，然后统一敷设于固定支撑结构板上方，最后经机械压制或卷制得到极性物质吸附分离滤芯。

极性物质吸附分离与提纯滤芯的制作工艺根据分离操作的要求可分为两种，一种是纤维床层填充型，一种是整体卷制型，可选择性强，即可实现标准化制作，又可根据根据特定介质针对性设计，满足所有的流体性物质的分离与提纯操作工况。

本发明与现有技术对比，其有益效果在于：

(1)通过对混纺的纤维床层进行改性处理，使纤维床层可在单电板电极的激发诱导下发生极化反应，使纤维床层表面附着的改性物质的质子和电子的排列结构与顺序发生改变，转化成为带正负极性的吸附材料，形成对异性极性分子的吸附势能，当带(正负)电荷的极性物质在流经纤维床层时被纤维床层中的吸附纤维吸引、粘附，实现极性物质与非极性物质的有效分离，特别适用于工业粉尘处理、污水净化、油品精制及循环再生、物质提纯等物质分离、提纯领域。即可实现有机同相互溶物中极性与非极性物质的纯物理分离，又可实现非同相物质的分离、净化，适用于气气分离、气液分离、气固分离、液液分离、液固分离等多种物系分离操作，应用范围广，材料的适应性强。完全依靠改性处理后的极性吸附材料来实现流体介质的分离与提纯的目的。

(2)由于采用单电板电极激发诱导方式,靠激发诱导发生极化效应的改性纤维床层进行吸附分离与提纯,完全区别于传统电吸附或静电吸附过程中利用高压静电场场能对极性物质进行做功的原理,完全避免了在物质分离过程中击穿放电现象，消除了安全隐患，扩大了应用范围,安全、高效、环保。

(3)极性材料通过单极电源的通电与断电，产生极性与丧失极性，从而达到吸附与解吸的效能，实现大容量、反复的再生与使用，大大提升了极性材料的吸附能力与处理能力，从而实现大规模工业化生产的目标。

(4)采用纤维状床层主动吸附方式，纤维床层内部松散，呈不规则的絮状排布，孔道较大，特别适用于杂质含量高、水分含量高以及含有有机酸性氧化物、碱性氨氮化合物包括带有酸碱极性结构基团的炭黑颗粒物的介质的大规模、连续化分离与提纯操作，使分离、提纯后的介质的清洁度、酸值(酸度)、碱值、微水含量等质量指标完全达到理想指标。

附图说明

附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。

图1为本发明实施例中极性物质吸附分离与提纯材料的结构示意图；

图2是本发明实施例中极性物质吸附分离滤芯的结构示意图；

图3是本发明实施例中极性物质吸附分离滤芯的剖面示意图。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于所列举的具体实施方式，还包括实施方式之间的任意组合。

结合附图1所示，一种极性物质吸附分离与提纯材料，所述材料包括经阴极改性剂浸泡改性处理后得到阴极纤维床层1和经阳极改性剂浸泡改性处理后得到阳极纤维床层2，所述纤维床层经吸附纤维和骨架纤维经过混纺制成。吸附纤维与骨架纤维按比例1:1比例混纺制成。

所述材料还包括粘合碱性水溶液，粘合碱性水溶液采用液体硅酸钠或液体硅酸钡与蒸馏水按一定体积百分比配合搅拌制成，所述液体硅酸钠或液体硅酸钡的体积分数为10％-90％。

所述极性物质吸附分离与提纯材料的制备方法如下：

(1)将阳极改性剂配料搅拌、调和30分钟，得到混合均匀的阳极改性剂；

(2)将阴极改性剂配料搅拌、调和30分钟，得到混合均匀的阴极改性剂；

(3)将步骤(1)得到的混合均匀的阳极改性剂与粘合碱性水溶液按一定质量比置于搅拌器内搅拌混合30分钟至均匀，得到阳极改性分散相；

(4)将步骤(2)到的混合均匀的阴极改性剂与粘合分散剂水溶液按一定质量比置于搅拌器内搅拌混合40分钟至均匀，得到阴极改性分散相；

(5)将纤维床层浸泡在步骤(3)中的阳极改性分散相中，浸泡时间15-20分钟，取出纤维床层，将多余的阳极分散相挤出，并将纤维床层烘干，得到阳极纤维床层；

(6)将纤维床层浸泡在步骤(4)中的阴极改性分散相中，浸泡时间15-20分钟，取出纤维床层，将多余的阴极分散相挤出，并将纤维床层烘干，得到阴极纤维床层；

(7)将阳极纤维床层与阴极纤维床层叠合，得到极性物质吸附分离与提纯材料。

结合附图2所示，一种极性物质吸附分离滤芯，包括极性物质吸附分离与提纯材料、诱导板3、固定支撑结构板4、主轴5，在使用过程中两张极性物质吸附分离材料对称敷设于诱导板3两侧，然后统一敷设于固定支撑结构板4上方，最后经机械压制或卷制得到极性物质吸附分离滤芯。

结合附图3所示，诱导板3采用金属孔板材料制成，在正常工作时与电源正极(或负极)连接,诱导极性物质吸附分离与提纯材料7产生极化效应,并通过纤维床层中的吸附纤维对流经内部的极性物质进行吸附分离,固定支撑结构板4采用高分子树脂(或金属)孔板材料制成，结构强度高,在滤芯制作过程中包裹在极性物质吸附分离与提纯材料7中，主要对纤维床层起支撑作用，诱导板3与固定支撑结构板4间隔排布。主轴5为金属材质，通常采用碳钢经机加工制成，主要作用是支撑滤芯材料及固定滤芯，在主轴5的内侧镶嵌有pvc绝缘层6，主要作用是在给诱导板3或主轴5通电的情况下起绝缘作用。

以下示出不同的实施方式，其主要步骤均与以上描述相同，不同之处在于其使用了不同的阳极改性剂、阴极改性剂、粘合碱性水溶液，以下将列表示出具体实施方式(一)至(十)：

以下具体实施方式中，分离效率是根据实验前后润滑油酸值指标的下降程度界定。

表1.不同工艺参数下的分离效果表

采用现在市场上已有的机械过滤式、静电吸附式等过滤技术和设备，过滤后的油品的酸值基本没有任何变化，对极性与非极性物质的分离基本没有作用。

本申请完全依靠改性处理后的极性吸附材料来实现流体介质的分离与提纯的目的，同时避免了静电处理时的击穿放电现象，安全性高，应用范围广，实现了大容量、反复的再生与使用，利于大规模工业化生产。特别是完全采用物理选择性吸附的方式，达到了化学反应产生的效果和结果，是一种完全突破与颠覆性的新型技术，对分离与提纯行业的技术进步必将发挥至关重要的价值与作用。

本申请技术方案与其它现有技术相比，具有的优势进行列表分析如下：

表2.本技术方案与其它现有技术的对比表

现对于现有技术而言，本技术方案具有如下竞争优势：

(1)本技术方案的工作原理与吸附效果，完全超越现有的机械过滤式、静电吸附式的净化工艺技术，吸附能力是以上技术的100-1000倍以上，成本为以上技术的10-30％，是目前国内唯一能使废油酸值下降，再生为新油标准的技术和设备。

(2)本技术方案是彻底淘汰酸碱精制的新兴环保工艺技术与设备。

(3)本技术方案不及加氢精制投资成本的1‰，适合中小规模的油品加工企业，生产成本为加氢精制的25％。

(4)现有技术中，静电吸附目前是国际与国内物理分离净化技术领域最先进的应用技术，本技术方案与现有的静电吸附工艺技术和设备的对比分析如下：

表3.静电吸附滤油机与极性材料吸附滤油机的对比分析

当然，以上是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明基本原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。