双极性膜电渗析技术在氨基乙酸制备中的应用研究

收稿日期:2006204217基金项目:江苏省教育厅基金资助项目(00KJB150010).作者简介:徐刚(19652),男,江西波阳人,副教授,主要从事精细化工研究.文章编号:100025862(2006)0620528204双极性膜电渗析技术在氨基乙酸制备中的应用研究徐刚1,曾小君2(1.江西师范大学科技处,江西南昌330027;2.常熟理工学院化学与材料工程系,江苏常熟215500)摘要:通过双极性膜电渗析技术,把一乙醇胺脱氢氧化生产氨基乙酸过程中产生的氨基乙酸钠盐转化为氨基乙酸和氢氧化钠.系统研究了制备过程中的电流效率、转化率、能耗、收率及溶液浓度等技术指标.实验结果表明,氨基乙酸钠的转化率达98%,氨基乙酸钠溶液转化的总收率达89%,平均电流效率达72%,平均耗电低于1.0kW·h/kg氨基乙酸.制得的氨基乙酸产品的纯度≥99.5%.关键词:双极性膜;电渗析;氨基乙酸中图分类号:O657文献标识码:A氨基乙酸又名甘氨酸,是一种重要的氨基酸,广泛应用于医药、食品、饲料、农药、化工等行业[1].在制药工业中可用于氨基酸输液制剂、L2多巴、谷胱甘肽、催产素等制备,亦可用作合成其它氨基酸,如苯丙氨酸、苏氨酸、丝氨酸等的原料.在食品工业中作为食品添加剂用于调味、杀菌防腐、抗氧化、营养强化等.在农药工业中用作合成草甘磷、增甘磷等的原料.脱氢氧化法生产氨基乙酸(Glycine,Gly)过程中,包括一乙醇胺脱氢氧化为氨基乙酸钠和氨基乙酸钠转化为氨基乙酸两个步骤[224],目前,后者主要采用酸化沉淀法,近年来开始研究利用离子交换法纯化制备氨基乙酸[5].采用盐酸(或硫酸)酸化沉淀法过程复杂,消耗高,且在氨基乙酸的分离纯化过程中,存在氨基乙酸与无机盐(NH4Cl、NaCl、Na2SO4等)的共结晶现象,将会导致部分氨基乙酸作为废水排放掉[6].而采用离子交换法需经常用酸再生,设备庞大,操作复杂,消耗大.此外,上述两种方法均有大量废液排放,既浪费资源又污染环境.双极性膜电渗析法(BipolarMembraneElectrodialysis,简称BME)可以在无需外加物料的条件下,将氨基乙酸钠(Gly2Na)转化成氨基乙酸.研究发现,采用一乙醇胺脱氢氧化制备氨基乙酸钠和BME法酸化分离氨基乙酸,可大大提高氨基乙酸产品的质量,其副产品NaOH稀溶液可有效利用,无环境污染.本文报道了用双极性膜电渗析技术将氨基乙酸钠盐转化为氨基乙酸的酸化工艺的研究结果.1实验1.1氨基乙酸钠盐转化成氨基乙酸的原理脱氢氧化法生产氨基乙酸过程中氨基乙酸钠酸化的原流程是将氨基乙酸钠水溶液加盐酸或硫酸酸化,制得的粗氨基乙酸产品,再经水溶解后用活性炭脱色,重结晶制得氨基乙酸成品.由于氨基乙酸易与NaCl或Na2SO4共结晶,故制得的氨基乙酸产品纯度较低,上述酸化过程可用BME技术代替,整个流程为:NH2CH2COONa→活性炭脱色→BME酸化→真空蒸发→冷却结晶→离心分离→干燥→成品氨基乙酸(w=15%～35%)↓母液回收第30卷第6期2006年11月江西师范大学学报(自然科学版)JOURNALOFJIANGXINORMALUNIVERSITY(NATURALSCIENCE)Vol.30No.6Nov.2006用BME法使氨基乙酸钠转化成氨基乙酸的技术是在直流电场作用下,双极性膜中的水被离解成H+和OH-,H+和NH2CH2COONa中的NH2CH2COO-结合成NH2CH2COOH,NH2CH2COONa中的Na+通过离子交换膜从NH2CH2COONa中分离出来,Na+和双极性膜阴膜侧出来的OH-结合生成NaOH,详见图1.图1双极性膜电渗析法转化氨基乙酸钠盐的原理图1.2实验装置实验装置及其流程如图2所示.双极性膜电渗析器由多张双极性膜与多张阳膜交替排列组成的膜堆和一对电极板构成,离子交换膜平行放置,将双极性膜电渗析器分隔成阳极室、多个碱室和酸室及阴极室.原料液NH2CH2COONa置于酸室罐3中,用酸泵4送入酸室,在酸室和酸室罐构成的系统中循环.在此过程中,酸室里的NH2CH2COONa中的NH2CH2COO-根与双极性膜阳膜侧析出的H+结合生成NH2CH2COOH,而NH2CH2COONa中的Na+则通过酸室的阳膜进入碱室.在碱室罐5中放入1mol/L的NaOH溶液,用碱室泵6送入碱室,在碱室和碱室罐构成的系统中循环.在此过程中,双极性膜阴膜侧析出的OH-与从酸室中透过阳膜来的Na+结合成NaOH.极室中使用1mol/LNaOH溶液,由极室泵8分两路分别送入阳极室和阴极室,然后均返回极室罐进行图2实验装置流程图1—直流电源;2—双极性膜电渗析器;3—酸室循环罐;4—酸室循环泵;5—碱室循环罐;6—碱室循环泵;7—极室循环罐;8—极室循环泵;9—转子流量计.循环.随