应用 | 基于润湿性变化的真空膜蒸馏工艺优化及其在烟草纯露浓缩中的应用研究

背景

纯露，又称水精油，是指水蒸馏萃取提炼精油过程中的副产物。纯露中除了含有少量精油成分之外，还含有植物体内全部的水溶性物质，易被皮肤吸收、温和无刺激。烟草纯露是常用的烟叶香料，添加到再造烟叶中可以起到圆和增香的作用。从废弃烟叶中提取的烟草纯露不仅可以变废为宝、保护环境；还可以提质增效、降低生产成本。但在烟草萃取液浓缩过程中得到的烟草纯露常需经过进一步浓缩处理，才能添加到再造烟叶中。

膜蒸馏是一种热驱动膜过程，主要利用疏水膜两侧蒸汽压差作为传质驱动力来实现料液的分离。在膜蒸馏工艺中微孔疏水膜只允许蒸气通过，而其他组分被很好的富集保存。与传统精馏浓缩相比，膜蒸馏具有较低的操作温度和较高的分离效率。真空膜蒸馏是膜蒸馏的一种，真空膜蒸馏利用真空泵在膜渗透侧创造真空条件，冷凝发生在膜组件外。真空膜蒸馏具有传导损失热量低，膜通量高等优点。

本文采用了一种平板式的膜组件，研究了真空膜蒸馏对烟草萃取液的浓缩效果，考察了不同操作条件对烟草纯露浓缩效果的影响，并通过膜表面润湿性和形貌变化对污染的形成进行表征分析。

图 1 真空膜蒸馏实验装置流程图

实验方法与仪器

材料：实验所用聚四氟乙烯（PTFE）平板蒸馏膜相关参数如表1所示。

结果与讨论

不同条件下实验前后膜的接触角变化及分析膜表面的接触角（润湿性）是一种界面特性，主要由固体基材和液体的表面张力决定，对烟草纯露浓缩效果的评价有指导性作用。

 

 

如表2所示，两种蒸馏膜均呈现良好的疏水性，初始的疏水疏油膜接触角为131.5°，而疏水膜的接触角为122.9°，这是因为疏水疏油膜相较疏水膜具有更低的表面活化能，呈现出更高的疏水性和较低的渗透通量。其中，在40 kPa、70℃、2 cm/s的条件下，疏水膜和疏水疏油膜的接触角均有所下降，这是因为烟草纯露中化合物种类复杂，其中存在的一些表面活性剂会附着在膜表面，减小液体与蒸馏膜表面之间的接触角，从而导致润湿性提高。

如表2所示，在70 kPa、70℃、2 cm/s的条件下疏水疏油膜的接触角为69°，而在40 kPa、70℃、2 cm/s的条件下的疏水疏油膜的接触角为84.3°，在40 kPa、50℃、2 cm/s的条件下的疏水疏油膜的接触角为99.6°。这是因为温度、压力下降，膜两侧的绝对蒸气压差下降，降低了膜的渗透通量并且削弱了极化现象，减少了膜表面的污染和润湿。

在40 kPa、60℃、4 cm/s条件下的疏水疏油膜接触角为105.1°，在40 kPa、60℃、0.5 cm/s条件下的疏水疏油膜接触角为96.3°。这是因为提高进液流速可以在膜表面产生不对称干扰，减弱温度和浓度极化的影响，较大的纵向剪切力减少了烟草纯露中表面活性物质在膜表面的积累。

总结

本研究探讨了真空膜蒸馏在不同工艺条件下对烟草纯露浓缩效果的影响，验证了真空膜蒸馏浓缩烟草纯露的有效性和可行性。疏水疏油膜由于其优异的疏水性表现出更高的保留率，进料液温度增加会显著增加渗透通量，降低保留率和能耗；进料液流速增加会显著增加渗透通量、保留率和能耗，并且在一定程度上减弱极化现象，减少膜污染的形成，增加真空膜蒸馏过程中的传质传热效率。在实际工业生产中，针对蒸馏膜表面出现的膜污染进行清洗，恢复膜的疏水性，可以保证连续操作的稳定性和浓缩效率。

参考文献

[1]张朝,李艳芳,章存勇,等.真空膜蒸馏技术在烟草纯露浓缩中的应用研究[J/OL].膜科学与技术,1-12[2025-02-12].http://kns.cnki.net/kcms/detail/62.1049.tb.20241115.1648.005.html.