离子交换纤维.doc

新型大产业离子交换纤维产业化第一部分 项目背景一. 分离技术是涉及分离的各行各业产业化发展的共性技术瓶颈 在如下5个方面决定行业从整体上降低生产成本、缩短生产周期、改进分离效果、提高产品收率和提升产品品质的关键技术，就是其分离技术。分离技术的重要性体 现在产品分离提取、纯化、回收的费用占整个产品生产过程的60-95%，人们已经深刻认识到分离技术水平是阻碍食品饮料、生物工程、医药保健、环境保护以 及冶金工业等行业产业化发展的一个共性技术瓶颈。 1. 食品饮料方面 1) 糖业生产精制糖。脱色历来是制糖工业的难题之一，也是精炼糖工业中一个最重要的过程。生产精制糖关键是在蔗糖加工中选择性分离糖浆中天然有色物质和灰分等 杂质，代替传统蔗糖生产过程的硫漂工艺，避免糖浆中引入非糖物。 2) 果汁后浑浊控制。国内浓缩果汁生产企业普遍存在加工过程中果汁褐变、色值和透光率不稳定及产品存放过程中的后混浊现象，极大影响了产品质量和产品出口信 誉。目前通常采用活性炭吸附和PVPP处理两种方法，前者劳动强度大，生产过程中的废渣处理容易对环境造成污；后者的处理费用很高，生产成本大，绝大部分 企业难以承受。对于棒曲霉素和甲胺磷等有害物质的去除，目前尚未找到很好的分离方法。 2. 环境保护方面 1) 空气净化与有害气体分离。祛除空气中的酸性气体、水蒸气、酸性和碱性悬浮颗粒 (包括所有的酸和碱，SO2、H2S、CO2、NOX、HCN等)，车辆尾气净化以及与水和氧气反应生成酸或碱 (如Cl2、NO) 等，不同工作环境的空气净化。 2) 废水污水处理。主要是处理废水中的金属离子 (如铜、汞、铬、铅等)、废水中含的酚类物质与核电站废水中含有的带放射性污染物质，以及污水净化处理达标排放。 3. 生物工程方面 1) 转化酶的固化。用带胺基的分离材料与转化酶之间的静电引力来进行转化酶的固化，追求对酶的固化效果最好。 2) 氨基酸的分离。选择分离苏氨酸缬氨酸、丙氨酸亮氨酸、赖氨酸组氨酸等氨基酸。 3) 固相合成催化剂。寻求作为固相合成催化剂，在采用多级洗脱的方法合成活性肽大分子。 4) 天然产物分离提取。如选择性分离提取大分子胰岛素、小分子蛋白等。 4. 医疗保健方面 1) 医药有效成分的分离提纯。如红霉素的分离纯化，降低红霉素C的含量，提高红霉素A的含量。在中药有效成分选择性的分离提取也对分离技术要求很高。 2) 高纯水的制备与水的净化。在电渗析过滤中去除水中电解质离子使水得到进一步的纯化，得到用于医疗注射的高纯水，以及饮用水的净化和海水淡化等。 3) 杀菌除臭。具有针对性地杀菌除臭、吸汗除湿，用作吸血性卫生材料、放射性吸收和防护材，也可制成保健内衣物等，均要求对菌类和放射性物质较高的选择性吸附富集，达到医疗保健作用。 5. 冶金工业方面 1) 湿法冶炼贵重金属。利用一种对氰化金和不同金属氰络合物具有良好选择性吸附，达到对金的冶炼。 2) 海水提铀和稀土元素分离。世界上海水储量很大，尽管其中铀的浓度只有33.310-9，但折合储量仍达5亿吨之巨。稀土元素选择性分离提取和回收。 随着分离技术近几十年迅速的发展，已经应用到人类活动的许多领域。从轻工业到化学、钢铁工业，从食品工业到汽车、电子工业，从潜艇到宇宙飞船和某些新兴技术中，无不展现出分离技术的重要作用。二. 分离技术水平高低起关键决定因素是分离材料 众所周知，分离物质浓度越小，液 (气、固) 相组分越复杂，从中分离所需物质的费用就越高。在实际工业化应用中，分离物质通常含量低，并与多种物质同时存在，目前国内外分离提取工艺普遍采用溶媒 萃取法、离子交换法、吸附法、沉淀法。 溶媒萃取法的原理是所分离的物质以不同的化学状态 (游离状态或成盐状态) 存在时，在水及与水不互溶的溶媒中有不同的溶解度，当进行转移时，杂质不能或较少地随着转移，因而能达到分离、浓缩和提纯的目的。溶媒萃取法又有溶媒反复 萃取、溶媒萃取结合中间盐沉淀以及薄膜浓缩结合溶媒萃取三条途径。溶媒萃取法的优点是能够连续进行生产，周期短，收率高，缺点是最终成品品质不够高，萃取 过程易发生乳化现象，因此需要高速离心萃取机，价格高、耗电多、维修费用贵，溶媒回收耗能大。 离子交换法是利用离子交换树脂和分离物质之间的化学亲和力，有选择地将分离物质吸附上去，然后用洗脱剂将它洗脱下来。大孔树脂吸附法是近来发展起来的一种 新工艺，总收率相当或高于溶媒法，质量与溶媒法相当，但吸附速度与吸附效果不很稳定，易受流速与溶质浓度影响。洗脱和再生时周期长，并且树脂在每次吸附后 都需用酸碱处理，使之活化，废液处理量大。 吸附法是利用吸附剂与分离物质之间的分子引力将所需分离物质吸附在吸附剂上。吸附剂有各种活性炭、骨炭、氧化铝、硅胶、漂白土、大孔吸附树脂等。吸附法的 优点是操作简便，缺点是吸附性能不稳定，有些杂质会被一起吸附，在洗脱时又一起被洗脱下来，导致使产品纯度不高。 沉淀法是将分离物质和某些无机、有机离子或整个分子形成沉淀复合物，然后再将此沉淀物在适宜的条件下分解，将分离物质分离开来。该法简单经济，浓缩倍数 高，但对工艺条件要求严格，在沉淀与沉淀转化过程中容易形成试剂污染，回收耗能大，废液处理量大，工艺成本偏高。 20世纪60年代发展起来的采用大孔树脂分离技术，受到科技界和产业界人士的关注，已经得到工业化应用。在选择性分离要求高的条件下，离子交换技术作为 吸附分离领域中的新学科，已被广泛运用于水处理、环保、新材料合成、湿法冶金、色谱、膜科学技术及分离科学技术等领域。随着社会的发展与技术 的进步，人们在进行科技创新产业化时对分离技术提出了新的要求。1、吸附量要大，吸附速度要快；2、选择吸附能力大，可将溶液里的所需物质或有害物质有选 择的分离出来，大大缩减生产流程；3、在被吸附液及脱附液中稳定性好，经久耐用；4、便宜又能大量供应，脱附容易，能反复使用，缩短分离生产周期，大幅度 降低生产成本；5、在吸附过程中又有氧化还原功能达到高效分离纯化，提高产品质量与收率，增强产品的市场竞争能力；6、可以多种形式使用 ( 如纤维、织物)，分离技术简单，能耗少，以及品种多，可根据不同要求使用不同品种。7、与所需分离的物质接触面积要大。要使大孔树脂满足新的 要求，就要解决大孔树脂在性能方面的某些局限性，比如说，可以增大比表面积，使吸附量增大，并加快吸附速度；可以增加活性功能基，以加强选择吸附性；可以 简化再生工艺，减少能耗；可以改变应用形状，使它能以多种形式使用 ( 如纱线、织物、纤维束、膜等) 。但对于大孔树脂而言，这些做法都不容易。功能纤维作为新一代高效分离材料，在很大程度上能满足上达要求，从表1中不难看出纤维状分离材料较目前国内外广 泛使用的活性碳、大孔树脂相比性能优越，对各种离子交换过程有较强的适应性。因此可以看出，球状、粉状的分离材料客观形状本身，在增大比表面积、增加活性功能基的数量和使用形式上有着不可克服的局限性，难以大幅度提高分离技术 水平，满足不了新的要求。分离技术水平高低起关键决定因素是分离材料，改球状、粉状为纤维状，是大幅度增大比表面积的有效方法之一，有利于在纤维表面接枝 活性功能基，增强分离物质的选择性，同时又便于以纤维束、网状、膜等不同厚度和形式填装于各种分离设备中。球状、粉状的大孔树脂将逐渐被纤维状分离材料所 替代是当前分离提取技术研究中新的方向之一第二部分 项目的市场前景分析一、国内外制糖业现状和发展趋势 现代制糖业已经延续了一百多年，主要采用亚硫酸法和碳酸法来进行蔗汁清净。随着技术革新，在国外的甘庶糖厂和淀粉糖厂已经广泛采用活性炭、离子交换树脂对 糖汁进行脱色除灰。近年来国外已经开始研究离子交换纤维在糖浆脱色中的应用。离子交换技术作为糖浆分离精制材料和解决公害化的对策材料之一而得到迅速发 展。美国、日本等国进行了大量的研究工作，并在努力付诸使用。我国作为传统的制糖大国，多数企业还在沿用传统的硫漂工艺进行糖浆脱色，不但脱色效果差，成 品糖质量无法达到出口标准和满足诸如饮料行业对糖的要求。随着人民生活水平的提高及国际市场的需要，我国一些骨干制糖企业也已经开始采用活性炭、离子交换 树脂和膜分离技术对我国制糖企业进行技术改造，生产出质量更高的精糖和方糖。但运用离子交换技术在制糖工业的应用一直处于研究阶段，其主要原因包括经济因 素和技术因素。因此我国的制糖业研究人员一直致力于开发一种既经济又实用的新型离子交换技术来改造我国传统的制糖工艺。 离子交换纤维的研发和应用项目就是瞄准我国制糖业尚不能解决糖浆脱色问题而裹足不前的现状而开展的研究。制糖业是我国农业经济发展的重要支柱产业之一，是 广西主要的经济产业之一。产糖量为全国的50%；发展制糖工业对发展广西农业脱贫致富、促进国民经济发展有着重要作用。据考察，广西绝大部份糖厂目前仍使 用亚硫酸法和碳酸法对糖浆进行脱色，工艺、技术较落后，该项目的研制成功，能明显提高糖产品的质量和产量，其经济效益是可观的。离子交换纤维属于一种功能 性替代产品，生产和使用过程中不产生任何污染，是一种无公害的环保产品，符合国家产业开发政策。通过实验室的广泛研究和性能测试，结合糖厂现场糖浆脱色试 验研究，表明采用离子交换技术处理糖浆可以取代现有硫漂工艺，降低糖浆色值，降低糖浆中有害金属的含量，成品糖可以达到出口优质糖标准。有利于在我国现已 加入WTO制糖企业提高产品质量、降低成本，增强企业在国际市场的竞争力，这对发展广西特色农业经济，充分利用区域优势，促进西部地区高新技术的推广和制 糖业以及环保产业发展具有非常重大的社会意义。 蔗糖是目前公认的最佳营养甜味剂。我国是蔗糖生产大国，年产量超过800万吨。主要品种有白砂糖、绵白糖、赤砂糖。现沿用的落后制糖工艺，使我国生产的白 糖因色度、纯度差仍未达到精制糖和出口标准，制糖企业以往的改造技术都无法解决糖浆脱色的难题。 在制糖业糖浆脱色历来面临的技术难题是：脱色效果差 (仅为20-40%) 且脱色是暂时的，容易被空气氧化重新显色，效果不稳定，既影响产品质量又易造成环境污染，而且工艺落后又造成生产成本增加。目前全国从国外每年引进精食糖 100万吨，原因就是国内蔗糖脱色技术不过关，脱色净度不够，而且白糖存放久时容易变色而生产不出来高质量的白糖。因此，迫切需要一种能从根本上彻底清除 色素并减少有害金属含量的糖浆脱色处理技术。本项目用离子交换纤维表面吸附，阳离子交换纤维脱重金属，阴离子交换纤维脱色的原理达到脱色、提纯目的，经在 广西南宁制糖造纸厂试验，脱色效率最高可达95 %。 二、市场需求前景及市场竞争力 1 国际市场预测 纤维状离子交换材料是近几年来发展迅猛的一类吸附分离材料，在选择性吸附、富集与滤除方面，比传统的离子交换树脂具有明显的吸附含量与速度优势。在环境保 护、资源回收再生、医药、化工、冶金等方面都有广阔的应用前景。从国外的研究与应用情况来看，离子交换纤维从气相与液相介质的吸附过程中，表现出较高的效 果。目前，美国 、日本和欧洲国家在一些相关产业部门和部分高科技领域都有广泛的应用，如航天飞机上水循环、海水提铀和核废水处理、精密化学分析仪器 (色谱柱) 等。离子交换纤维将可能成为新一代环保材料，取代离子交换树脂，具有巨大的开发前景。据不完全统计，仅美国一些知名公司如Dupont (杜邦公司)，Filtration Engineering (美国过滤工程公司)，Membrane International USA (国际膜技术公司)，Pall Inc (波尔公司) 的年销售额均在5000万美元以上的业绩看，国外同等水平的公司在10家左右；国际市场离子交换纤维产品的年销售额应大于20亿美元的水平。 2 国内市场预测 就离子交换纤维应用于制糖业而言，根据全国食品工作会议对十五期末的食糖预测表明，由于人口的增长和生活水平的进一步提高，预计食糖的消费量将达到 1100万吨。因此，制糖业又有一个新的发展。 目前全国白糖厂家有约800家，2000年生产白糖820万吨，其中广西有糖厂110家，年产400万吨。 根据糖厂处理糖浆量来计算，每年制糖业需要400吨离子交换纤维。 预测本项目产品的经济寿命期为25年，目前处于种子期。 目前国内无其它生产厂家进行研制，本企业为唯一家。预测本项目市场占有份额为60%，依据是本产品国内别无生产厂家，国外产品价格昂贵且不适应国情。 随着离子交换纤维在药厂为红霉素类抗生素药效价分离提取的试验成功，广阔的医药市场将为公司提供持续、快速的发展机会和巨大的发展空间。如中药现代化的中 药单体成分的分离与提纯，生物制药的分离与提纯，蛋白分离等等。 水资源与水处理问题从现在至未来都将成为全球需要面临的重大问题之一。活性碳与离子交换树脂目前仍是综合性水处理的重要组成部分，因此，对离子交换纤维而 言，其市场前景是不容置疑的。 3 应用领域 离子交换纤维是在离子交换树脂产品基础上开发的具有一定特性的功能新材料。目前离子交换树脂已经开发出上千种产品，可以说离子交换树脂可以应用的领域，离 子交换纤维就可以更好地替代离子交换树脂。由于离子交换纤维具有的比表面积大、并且还可以以不同形式 (如无纺布、膜等) 在实际中应用，在某些离子交换树脂使用困难的领域，离子交换纤维具有独特的优势。目前已经经过实验研究并且在工业领域产生效果的应用领域主要有以下几个方 面： a在有害气体吸附方面： 利用纤维状吸附剂对离子性气体有较强的吸附作用，可用于除去气体中的有害物质，如SO2、HF、HCl、Cl2、F2、NH3以及液体水凝胶(酸雾、各种 盐的水凝胶)，离子交换纤维可用于清除电解车间的重金属和酸的蒸汽及水凝胶，也可用于NOx的去除。离子交换纤维对有毒有害气体的吸附能力除用于废气的净 化外，还可用于制作呼吸面具和防毒面具、吸附分解毒气的防护服装、通风过滤材料等； b在重金属分离和污水处理领域 强酸性阳离子交换纤维，可被用于含金属废水的深度处理，离子交换纤维可有效地除去水中的重金属离子，净化60Co、134Cs废水以及核电站循环水和废水 中铁、镁、钙、铵、铬、汞等离子，除去染料废水中的有机污染物，还可用于超纯水的制备； c在食品脱色、去味和吸附农药残留物方面： 食品脱色、物质的分离提纯和富集：制糖工业中产生的碱性分解物可用弱酸碱性离子交换纤维提取，将糖浆中的有色物质除去。果汁生产过程中对色素和产生的沉淀 多酚类物质的有效吸附，可以有效解决目前果汁产品面临的出口难等问题。同时离子交换纤维对食品行业目前存在的农药残留物超标问题将提供有效的解决方案。 d在生物分离方面的应用 离子交换纤维可用于分离蛋白质、氨基酸、酶、激素、生物碱及核酸等，目前在发达国家处于科学研究的前言领域，预期在生物制药和生化分析领域将成为离子交换 的最大应用领域。 e在贵重金属和稀有金属回收利用领域 用于过度金属和稀土元素的分离和富集；目前在稀土矿产加工和贵金属提取方面日本已经开始应用。 f在环境保护领域的应用方兴未艾 在特种行业用于废水处理、海水淡化、核废水污染治理等。 另外，在工业方面，离子交换纤维可作为催化剂或催化剂载体，用于催化某些有机反应，可用做脱水剂和油水分离材料，用作水吸附剂，用于仓库中水分的拖除，用 作吸血性卫生材料，可制成放射性吸收和防护材料，利用离子交换纤维对细菌的吸附和杀菌能力，制成防臭鞋垫、保健内衣物等。 离子交换纤维材料作为环境材料的重要组成部分 ，其用途是极为广泛的，其应用主要在于作为功能材料置于专用设备和加工为特殊产品，从而起到改变所处理产品的物理特性和化学特性的目的。 4 市场竞争力 离子交换纤维具有以下特点，使其在市场竞争上与通用的颗粒装或粉末状离子交换剂相比具有得天独厚的竞争优势。 A：形状多样，可制成长短纤维，也可织布编网，易于制成各种组件，并可根据其应用目的而选择其最好的形状。 B：交换容量大、比表面积大、交换速度快，一般能达到颗粒状树脂的20倍，并且具有吸附效率高、易于再生等优点。 C：再生速度快，循环使用次数多，使用中纤维损耗低。 D：具有明显的杀菌、吸附脱色和提纯等性能。脱色彻底、糖不易变色。 E：通水阻力小，特别适合于现代工业生产和科技研究中需要大流量情况下净化废水和进行纯水制备的场所使用。 三、在经济发展中的作用及意义 (1) 离子交换技术作为一个重要的化工工艺单元在各个应用领域有着广泛的应用，离子交换纤维材料由于有着独特的化学或物理吸附和分离的功能在其领域有着不可代替 的作用，在欧美一些发达国家，其研究活动非常活跃，并正应用于许多高科技领域。离子交换纤维是继离子交换树脂之后发展起来的新型离子交换材料，国外对其进 行了大量的投入和研究。桂林正翰科技开发有限责任公司和北京理工大学联合研制出的离子交换纤维材料技术，拥有其自主的知识产权。(2) 该项目充分发挥我国的地域优势，注重发展西部特色经济，对我国利用本地区资源，提高产品的附加值有明显的带动引导作用，社会经济效益明显。其产品在广西南 糖股份现场试用已取得显著效果，对改变制糖工艺近百年的传统历史，减少现行制糖业对环境的污染，降低制糖成本，提高糖的品质，增强制糖企业在国际市场的竞 争力和促进国民经济有着重要作用。 (3) 本项目投产后，产品对扩大在其它应用领域的深入广泛研究，将提供充足的保证。对我国离子交换材料在其应用领域上赶超世界先进水平，将起到重要作用。(4) 该项目本身市场前景广阔，出口创汇能力强，经济效益可观，极具有投资价值。第三部分 项目的经济效益分析 一、制糖业 制糖业是广西农业经济发展的重要支柱产业之一。广西产糖量为全国的50%，广西有蔗农壹仟三佰万，其带动相关产业人口近柒佰万，解决制糖业的脱色问题， 不仅能提高糖产品的质量和产量，加强我国制糖业在加入WTO后的竞争实力，而且还能从根本上提高农民收入。 本项目应用是在糖厂一清汁后进行的，其效果有望取代现有糖厂二清、三清工序。糖厂一清的过程是用焦碳烧制CO2，用CO2注入糖浆，其沉淀含碱性很高，为 高污染物，需掩埋，掩埋处寸草不生，糖厂二清、三清工序过滤糖浆，成品糖每吨需50元，其中有焦碳费，石灰石费用，人工水电费等。而用离子交换纤维对糖厂 一清汁进行梯级过滤，成品糖每吨仅需45元，同时由于离子交换纤维对糖浆的高脱色效率，使得糖厂在一清过程中能大幅降低对一清汁的加灰量，这不仅使糖厂节 约了成本，而且减少了环境污染。 若采用离子交换纤维全面取代现有二清、三清工艺，按蔗糖成品糖价格不变2000元计算，每吨糖耗用离子交换纤维初步估算为45元，按每吨糖二清、三清工艺 需50元计算，则每吨成品糖直接节约5元，根据南宁制糖造纸厂年产量40万吨计算，该厂每年可以节约200万元，广西现有制糖年产量400万吨计，对广西 制糖业每年直接经济效益为2000万元。 由于采用离子交换纤维进行糖浆脱色，将使得成品糖品质大幅度提高，可以保证我国成品糖级别提升，由此制得精制糖，按目前国际市场精制糖价格4000元测 算，每年精制糖是全广西产糖总量的10%推算，将可以生产精制白糖40万吨，广西每年可以为国家创造直接经济效益达8亿元人民币。同时替代进口，为国家节 汇。 以上计算仅广西，全国乃至整个制糖行业可推算。与制糖行业相关的还有葡萄糖厂、果汁厂等等。 二、医药业 我国每年进口离子交换树脂用于抗生素提取的费用高达5千万美金。国内用于医药行业的离子交换树脂年产值高达六亿元人民币以上。用离子交换纤维取代离子交换 树脂用于抗生素药效价的提取，不仅可提高效价的收率，减少成本，同时可克服离子交换树脂再生时间长，易中毒，损耗量大等弊病，其经济效益是不言而喻的。在 中药的分离与提纯，生物制药、蛋白分离等方面， 离子交换纤维也将发挥其不可低估的重要作用。 三、果汁业 (以苹果汁为例) 我国是世界第一大苹果生产国，约占世界产量的40.5%。苹果深加工作为苹果产业化发展的重要方向将对中国乃至世界果业起举足轻重的影响。目前我国苹果的 加工量仅占总产量的7%左右，这与世界苹果平均加工水平23%相比有不小差距，与主要苹果生产国相比相距更远。 我国现行苹果汁生产中普遍存在的问题是色值容易超标，吸光度偏大，农药残留 (甲胺磷) 和棒曲霉素超标以及容易产生后混浊 (稳定性不好) 等重大技术难题，影响果汁的品质及在国际市场上的竞争力。尤其是浓缩苹果汁产品的褐变，后混浊及棒曲霉素、甲胺磷、耐热菌和其他有害物质超标等问题已成为 我国苹果浓缩汁生产企业产品出口的主要障碍。现在，美国、日本、加拿大和欧洲各国已将棒曲霉素、甲胺磷和耐热菌等指标列为强制性指标进行限制，更增加了我 国产品出口的难度。 该项目充分发挥我国的资源优势，重视发展特色经济，对我国利用本地区资源，提高产品的附加值有明显的带动引导作用，社会经济效益明显。 该项目本身市场前景广阔，项目的成功开发可以为国内外果汁加工企业提供功能纤维制品和成套分离吸附装置，经济效益可观，具有投资价值。解决了苹果汁加工中 的难题将同样可以用于解决其他类果汁如桃汁、芒果汁等行业的技术难题，从而促进整个果汁加工业技术的创新。 截止2000年，我国已形成了30万吨苹果浓缩汁的生产能力，其中大约80%的产品用于出口。国内几十家生产企业都期待新工艺、新技术的注入。近年来现代 分离技术已经被成功地引入浓缩汁生产中，国内也有厂家通过引进设备而采用该项技术，但由于其设备全部进口，使用一段时间后就需更换，因而存在成本过高的问 题。打破国外技术壁垒，开发具有国际水平的果汁加工技术和工艺设备，成为我国加入WTO后果汁行业提高竞争优势、保持快速发展的必由之路，对推动我国农村 经济的发展，实施科技兴农战略方针的实现具有重要的现实意义。四、水处理行业 我国现有纯净水生产厂家近五千家，技术先进的厂家采用阳离子交换树脂做软化水处理，其市场需求每年上亿，这还不包括其它的处理工序，因此，离子交换纤维项目的经济效益是稳定而巨大的。第四部分、公司的发展规划 从公司创立开始，公司便确定了公司的宗旨 发挥人才优势，致力于科技新材料的研究及产业化发展。公司理念 科技以人为本。 经营哲学 创新求实，科技领先。桂林正翰科技开发有限责任公司的经营战略是在不断开发离子交换纤维应用领域的基础上为企