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膜结晶过程强化与控制研究进展
《Engineering》姜晓滨,邵钰珊,盛磊,李培钰,贺高红 / 时间:2021-06-04 22:06:17

摘要

结晶是用于固体颗粒制备的基本分离技术,其中成核和生长过程的精确调控至关重要。目前,发展同时增强整个结晶过程的新型控制技术仍然面临巨大挑战。膜结晶(MCr)是一种新兴耦合技术,近年来取得了长足的进步,有望实现上述目标。本文综述了MCr的基本概念及其在结晶控制和过程强化中的应用前景,对MCr用的关键膜材料、过程控制机制以及基于多种混合膜和结晶工艺的优化策略进行简述。最后,概述了将MCr技术推广到工业应用的尝试,以及需要解决的问题和研究方向。

1. 引言

结晶是化工过程工程和产品工程中经典且基础的分离技术,在化工、医药、生物化工和食品工程等领域得到了广泛的应用[1–6]。促进成核和控制成核与生长之间的竞争是结晶过程的核心问题,直接影响分离效率和产品纯度[7–11]。

膜结晶(MCr)是一种通过膜传递调控将溶液变成过饱和状态,同时实现溶液分离和组分固化的耦合过程,近十年来取得了巨大的进展[12–16]。作为一种高度可调且环境友好的技术,MCr最具启发性的应用之一是将膜作为异相成核界面来触发成核过程[17–20],为 MCr定制化膜材料开辟了一个新的研究方向。利用膜技术的独特优势和提高的能源利用效率[13,15,21–23], MCr可以在相对较低的能量消耗下制备所需的固体颗粒和超纯溶剂[24–26]。

此外,由于定制化的MCr材料可以提高装置的装填性能、生产能力,膜组件和相关的耦合工艺与传统结晶过程相比,可以实现更高的制造能力和强化分离过程 [27–30]。膜组件的总传质(或传热)系数可以确保多种结晶模式(如蒸发结晶、溶析结晶和冷却结晶)具有充足的过饱和度。同时,结晶过程的强化也一直期待更小、更清洁、更节能的技术和设备,这一点与MCr的特征优势完全相符[31–33]。

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MAAC流程示意图

上述所有特点使MCr研究充满了活力和挑战,包括特定的材料制备、设备开发和工艺设计等。本文将简述 MCr在精确过程控制和强化方面的新贡献,概述目前仍然存在的挑战和亟待解决的问题。

节选自:中国工程院院刊《Engineering》2021年第1期

全文http://www.engineering.org.cn/ch/10.1016/j.eng.2020.06.024