物质的分离与纯化技术.ppt

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1、第 六 章 物质的分离与纯化技术,生活中需要用到分离技术的实例：1、提纯物质：多晶硅2、富集：矿物提取3、功能性物质提取：中药成分提取、天然香料提取4、浓缩：中药成分、精油5、除有害物质：从咖啡中脱掉咖啡因6、环境处理：工业、汽车尾气处理,分离：是利用混合物中各组分在物理性质或化学性质上的差异，通过适当的装置或方法，使各组分分配至不同的空间区域或者在不同的时间依次分配至同一空间区域的过程。,基 本 概 念,分离过程的本质,如何判断分离或混合是否自发进行？体系总的自由能 G=势能项+熵项 体系自发变化的方向是使体系的自由能降低的方向！,Ti的亲水势能大于浓度差差生的化学势（熵效应）,Fe离子的亲

2、溶剂势能大于浓度差差生的化学势,分离方法的分类,1、按被分离物质的性质分类（1）物理分离法：离心分离、电磁分离；（2）化学分离法：沉淀、萃取；（3）物理化学分离法：电泳、膜分离。,现代分离方法与技术 p6表1-1,2、按分离过程的本质分类（1）平衡分离过程 是借助外加能量或分离剂使均相混合物系统变成两相系统，再以混合物中各组分在处于相平衡的两相中不等同的分配为依据而实现分离。,现代分离方法与技术 p7表1-2,（2）速率差分离过程 速率分离过程是在某种推动力（重力差、浓度差、压力差、温度差、电位差等）的作用下，有时在选择性透过膜的配合下，利用各组分的分离。,现代分离方法与技术 p7表1-3,（

3、3）反应分离过程 反应分离过程是一种利用外加能量或化学剂，促进化学反应达到分离的方法。,现代分离方法与技术 p7表1-4,去除氟的方法,第一节 吸附分离技术,1、基本概念吸附：气体或液体分子吸着于固体物质表面的趋势，通常形成单分子层，有时形成多分子层，这种现象称为吸附。被吸附的物质 吸附质 液体或气体 吸附物质 吸附剂 具有多孔表面的固体,吸附的分类：,解吸：吸附的逆过程。,再生：是在吸附剂本身的结构基本不发生变化的情况下，用某种方法将吸附质从吸附剂微孔中除去,恢复它的吸附能力。,2、吸附剂特征：多孔结构和具有很大的比表面。,原理：极性分子(或离子)型的吸附剂容易吸附极性分子(或离子)型的吸附

4、质。非极性分子型的吸附剂容易吸附非极性的吸附质。,3、吸附平衡吸附平衡：在一定条件下，吸附质在两相中的浓度不再发生变化。平衡吸附量：达到吸附平衡时，吸附剂对吸附质的吸附量。平衡浓度（分压）：达到吸附平衡时，流体中吸附质的浓度（分压）。发生吸附：当流体中吸附质浓度（分压）平衡浓度（分压）发生解吸：当流体中吸附质浓度（分压）平衡浓度（分压）,吸附平衡关系决定了吸附过程的方向和极限！,对于一定的吸附剂与吸附质的体系，达到吸附平衡时，吸附量是温度和吸附质压力的函数，即：通常固定一个变量，求出另外两个变量之间的关系，例如：T=常数，q=f(p)，得吸附等温线。p=常数，q=f(T)，得吸附等压线。q=常

5、数，p=f(T)，得吸附等量线。吸附平衡关系：平衡吸附量与平衡浓度（分压）之间的关系，通常用吸附等温线表示。,（1）气体吸附平衡（单组分气体的吸附）,课本 p242图11-2,：吸附剂毛细孔的孔径比吸附质分子直径略大使得单分子层吸附：完成单分子吸附后再形成多分子层吸附。：吸附气体量不断随组分分压的增加直至相对饱和值趋于1为止。：为的变形，能形成有限多层的吸附。：偶然见于分子互相吸引效应很大的情况。,（2）液相吸附平衡,液固吸附与气固吸附的区别：（1）溶液吸附比气体吸附复杂（2）溶液吸附速度的影响因素多 如：黏度 分子大小 扩散速度快慢 固体孔径大小等,a：溶质始终优先被吸附b：溶质、溶剂被吸附

6、的能力大致相同 C-D段：溶质被优先吸附 D-E段：溶剂优先被吸附 C（纯溶剂）、E（纯溶质）D（吸附比例相等）,4、吸附工艺设备,（1）吸附搅拌槽（2）固定床吸附,课本 p245图11-4,吸附搅拌槽图,将要处理的液体与粉末状吸附剂加入搅拌槽中，在搅拌作用下，固液形成悬浮液，固液充分接触时吸附质被吸附。,设备筒内的多孔支撑板上均匀堆放吸附剂颗粒，成为固定的吸附床。流体由上而下通过固定床而被吸收。,（3）移动床及模拟移动床吸附,气固相移动床吸附塔工作原理课本 p246图11-5,液固相移动床吸附塔工作原理课本 p245图11-6,5、变压吸附技术定义：在恒温条件下通过改变压力进行吸附解吸的操作

7、。工艺流程：一塔吸附（加压），一塔再生（降压），每隔一定时间互相交替。优点：不需要加热和冷却设备，只需要改变压力即可吸附-脱附，其循环周期短，吸附剂利用效率高，设备体积小，操作范围广，气体处理量大，分离产品纯度高。,示意图课本 p248图11-8,6、吸附分离技术在化学工业中的应用气体或溶液的除臭.脱色与溶剂蒸气的回收.气体或溶液的脱水与深度干燥.气体预处理与气体中痕量物质的吸附分离精制.气体本体组分分离.烷烃.烯烃与芳烃馏分的分离.食品工业中的分离精制.环境保护与水处理.海水工业和湿法冶金等工业中的应用.,吸附法在污水处理中的应用,吸附法除汞 活性炭有吸附汞和汞化合物的性能，但因其吸附能力有

8、限，只适宜于处理含汞量低的废水。,第二节 吸收分离技术,1、基本概念吸收分离：利用混合气体中各组分在液体中的溶解度不同而 分离气体的操作。溶解于液体的气体组分 吸收质 用于溶解气体的液体 吸附剂 溶解了吸收质的吸收剂吸收液（完成液）气体在液体中的溶解度与气体、液体的种类、温度、压强有关。提高压强，降低温度，对吸收过程有利；反之，则不利于吸收，而对解吸过程有利。所以说溶解度是吸收操作过程的基础。,与吸附的区别,总压 溶质（A）分压 与溶液中A的浓度成平衡的气相分压,吸收，解吸，平衡，吸收总推动力,解吸：吸收的逆过程。在生产中解吸有两个目的：1、获得所需高纯度的气体溶质 2、使吸收剂 再生,与吸附

9、的区别,常用方法:1、加热解吸 2、减压解吸 3、在惰性气体中解吸 向解吸塔中通入的水蒸汽、空气等气体，降低液面上溶质气体的分压，使吸收剂中的溶质气体更完全的解吸出来。这一过程称为气提，所用的水蒸汽、空气等气体称为气提气。,吸收的分类：,溶解热反应热,强化吸收速率的方法,1、提高吸收系数-正确选择吸收剂2、增大吸收推动力-逆流 3、增大气液传质面积-提供气、液两相有足够大的接触面积，尽可能使气、液两相接触充分.,气体溶质从气相主体到液相主体，共经历了三个过程:对流溶解对流,影响吸收操作的因素,1、吸收质的溶解性能(1)气膜控制 加大气体流速，减少气膜厚度。(2)液膜控制 增大液体流速，减少液膜

10、阻力。(3)中等溶解度的气体 同时增大气体和液体流速。,2、吸收剂的选择,（1）溶解度：吸收质在吸收剂中溶解度大，即吸收质的平衡分压低。（2）选择性：对混合气体中其他组分的溶解度低。（3）挥发性：吸收剂的蒸汽压要低，挥发小。（4）粘度：越低越利于传质和传热。（5）再生性：吸收质在吸收剂中的溶解度对温度的变化要 敏感，即 随温度升高，溶解度迅速下降，平衡分压迅速上升。（6）稳定性：化学稳定性好。（7）经济性：价廉。,3、温度的影响 低温操作可以增大气体在液体中的溶解度，对气体吸收有利.但温度太低时，对吸收又是不利的。所以要选择一个适宜的吸收温度。4、压力 增加吸收塔系统的压力，但过高地增加气体系

11、统压力，会使动力消耗增大，设备耐压性、密封性增强，设备要求高，使设备投资和日常性生产费用加大。一般能在常压下进行吸收操作的就不要无故地提高压力.6、吸收剂的纯度吸收剂的纯度越高，对吸收越有利。但是，解吸越完全，解吸所需要的费用越高。,5、气、液相流量的影响(1)气流速度:气速大，有利于吸收；气速过大，造成液泛现象或夹带雾沫或气液接触不良等现象。(2)吸收剂流量:吸收剂流量越大，有利于吸收，过大，则增加操作费用。(3）喷淋密度:喷淋密度过大，吸收液质量降低，过小时则不能保证气体被吸收后的纯净度。如在填料吸收塔中，吸收剂的喷淋密度一定要保证全部填料湿润，喷淋密度过小可能会导致填料表面不能被完全润湿

12、喷淋密度过大，则流体阻力增加，可能将引起液泛现象。选择好喷淋装置，也是保证喷淋密度均匀的必要手段。,4、气体吸收技术的应用(1)净化或精制气体：除去气体中的杂质例子：用水吸收黄铁矿焙烧产物，除去HF等。（2）制取某种气体的液态产品例子：用水吸收NO2(HCl）制取硝酸（盐酸）。（3）回收气体例子：用硫酸处理焦炉气以回收其中的氮气。（4）工业废气处理例子：吸收NO2、NO、SO2等有害气体。,补充实例,第三节 膜分离技术,生活中常见的膜：,1、基本概念膜分离技术：是利用膜对混合物中各组分的选择渗透性能的差异来实现分离、提纯和浓缩的新型分离技术。膜：分离膜是指能以特定形式限制和传递流体物质的分隔两

13、相或两部分的界面。膜至少具有两个界面，膜通过这两个界面与被分割的两侧流体（气体或液体）接触并进行传递。广义上讲，膜是指分隔两相的界面，并以特定的形式限制和传递各种化学物质。,膜的分类：（1）完全透过性的，也可以是半透过性的。膜以不同速率传递不同的分子样品，则为半透膜。（2）可以是固态的，也可以是液态或气相的。（3）可以是多孔的，也可以是致密的。多孔膜的分离机理是筛分作用，主要用于超滤、微滤、渗析或用作复合膜的支撑膜；致密膜的分离机理是溶解-扩散作用，主要用于反渗透、气体分离、渗透汽化。（4）可以是对称的，也可以是非对称的。对称膜的各个部分是均匀的，渗透率都相同；非对称膜表面为致密或细孔表皮层，

14、下面是多孔的支撑层。（5）可以是中性的，也可以是荷电性的。（6）可以是高分子膜，也可以是无机膜。,2、膜分离的特点（1）膜分离过程没有相的变化(渗透蒸发膜除外)，常温下即可操作，耗能少；（2）由于避免了高温操作，所浓缩和富集物质的性质不容易发生变化，因此特别适合于热敏性组分、生物物质组分等混合物的分离；（3）膜分离装置简单、操作容易，投资费用低；（4）对无机物、有机物及生物制品均可适用，并且不产生二次污染；（5）特别适合于性质相似组分、同分异构体组分。膜分离过程的共同优点是：能耗少、效率高、成本低、无污染并可回收有用物质。,3、膜分离过程 膜分离过程的推动力有浓度差、压力差和电位差等。膜分离过

15、程可概述为以下三种形式：渗析式膜分离 料液中的某些溶质或离子在浓度差、电位差的推动下，透过膜进入接受液，从而被分离出去。属于渗析式膜分离的有渗析和电渗等；过滤式膜分离 利用组分分子的大小和性质差别所表现出透过膜的速率差别，达到组分的分离。属于过滤式膜分离的有超滤、微滤、反渗透和气体渗透等；液膜分离 液膜与料液和接受液互不混溶，液液两相通过液膜实现渗透，类似于萃取和反萃取的组合。溶质从料液进入液膜相当于萃取，溶质再从液膜进入接受液相当于反萃取。,表42 几种主要分离膜的分离过程,4、微滤、超滤、纳滤 微滤、超滤和纳滤都是一压力差为推动力的，其中微滤、超滤都是在压力推动下进行的筛分分离过程。纳滤膜

16、除截留筛分外，其表面分离层由聚电解质构成，对离子有静电作用，因此对无机盐有一定的截留率。,现代分离方法与技术 p187图8-5,（1）微孔过滤技术应用领域1）微粒和细菌的过滤。可用于水的高度净化、食品和饮料的除菌、药液的过滤、发酵工业的空气净化和除菌等。2）微粒和细菌的检测。微孔膜可作为微粒和细菌的富集器，从而进行微粒和细菌含量的测定。3）气体、溶液和水的净化。大气中悬浮的尘埃、纤维、花粉、细菌、病毒等；溶液和水中存在的微小固体颗粒和微生物，都可借助微孔膜去除。,4）食糖与酒类的精制。微孔膜对食糖溶液和啤、黄酒等酒类进行过滤，可除去食糖中的杂质、酒类中的酵母、霉菌和其他微生物，提高食糖的纯度和

17、酒类产品的清澈度，延长存放期。由于是常温操作，不会使酒类产品变味。5）药物的除菌和除微粒。以前药物的灭菌主要采用热压法。但是热压法灭菌时，细菌的尸体仍留在药品中。而且对于热敏性药物，如胰岛素、血清蛋白等不能采用热压法灭菌。对于这类情况，微孔膜有突出的优点，经过微孔膜过滤后，细菌被截留，无细菌尸体残留在药物中。常温操作也不会引起药物的受热破坏和变性。,（2）超滤技术应用领域1）纯水的制备。超滤技术广泛用于水中的细菌、病毒和其他异物的除去，用于制备高纯饮用水、电子工业超净水和医用无菌水等。2）汽车、家具等制品电泳涂装淋洗水的处理。汽车、家具等制品的电泳涂装淋洗水中常含有12的涂料（高分子物质），用

18、超滤装置可分离出清水重复用于清洗，同时又使涂料得到浓缩重新用于电泳涂装。3）食品工业中的废水处理。在牛奶加工厂中用超滤技术可从乳清中分离蛋白和低分子量的乳糖。4）果汁、酒等饮料的消毒与澄清。应用超滤技术可除去果汁的果胶和酒中的微生物等杂质，使果汁和酒在净化处理的同时保持原有的色、香、味，操作方便，成本较低。5）在医药和生化工业中用于处理热敏性物质，分离浓缩生物活性物质，从生物中提取药物等。6）造纸厂的废水处理。,（2）纳滤技术应用领域1)饮用水的制备2）低聚糖的 分离和精制3）果汁的浓缩4）肽和氨基酸的分离5）抗生素的浓缩与纯化,5、反渗透,图44 渗透与反渗透原理示意图,渗透和反渗透的原理如

19、图44所示。如果用一张只能透过水而不能透过溶质的半透膜将两种不同浓度的水溶液隔开，水会自然地透过半透膜渗透从低浓度水溶液向高浓度水溶液一侧迁移，这一现象称渗透（图44a）。这一过程的推动力是低浓度溶液中水的化学位与高浓度溶液中水的化学位之差，表现为水的渗透压。随着水的渗透，高浓度水溶液一侧的液面升高，压力增大。当液面升高至H时，渗透达到平衡，两侧的压力差就称为渗透压（图44b）。渗透过程达到平衡后，水不再有渗透，渗透通量为零。如果在高浓度水溶液一侧加压，使高浓度水溶液侧与低浓度水溶液侧的压差大于渗透压，则高浓度水溶液中的水将通过半透膜流向低浓度水溶液侧，这一过程就称为反渗透（图44c）。,表4

20、3 反渗透、超滤和微孔过滤技术的原理和操作特点比较,反渗透与纳滤、超滤、微滤的比较：反渗透、超滤和微孔过滤都是以压力差为推动力使溶剂通过膜的分离过程，它们组成了分离溶液中的离子、分子到固体微粒的三级膜分离过程。一般来说，分离溶液中分子量低于500的低分子物质，应该采用反渗透膜；分离溶液中分子量大于500的大分子或极细的胶体粒子（0.05um-1nm）可以选择超滤，粒子（0.1nm-1nm）可以选择纳滤，而分离溶液中的直径0.110m的粒子应该选微滤。以上关于反渗透膜、超滤膜和微孔膜之间的分界并不是十分严格、明确的，之间可能存在一定的相互重叠。,反渗透膜技术应用领域：反渗透膜最早应用于苦咸水淡化

21、。随着膜技术的发展，反渗透技术已扩展到化工、电子及医药等领域。1）海水、苦咸水的淡化制取生活用水，硬水软化制备锅炉用水，高纯水的制备。近年来，反渗透技术在家用饮水机及直饮水给水系统中的应用更体现了其优越性。2）在医药、食品工业中用以浓缩药液、果汁、咖啡浸液等。与常用的冷冻干燥和蒸发脱水浓缩等工艺比较，反渗透法脱水浓缩成本较低，而且产品的疗效、风味和营养等均不受影响。3）印染、食品、造纸等工业中用于处理污水，回收利用废业中有用的物质等。,5、透析（渗析）透析现象：容器中，在半透膜两边分别放置一种溶液和水，溶液中大分子不能通过半透膜，而小分子可以穿过半透膜而相互渗透。水分自渗透压低侧向渗透压高侧移

22、动，电解质及其他小分子物质从浓度高侧向浓度低册方向移动。透析与超滤的区别：1）透析的驱动力是浓度差，超滤是压力差；2）透析过程是膜的小分子自身的净流，超滤过程是小分子溶剂和溶质的混合流。,6、渗透蒸发（膜蒸馏）是指液体混合物在膜两侧组分的蒸气分压差的推动力下，透过膜并部分蒸发，从而达到分离目的的一种膜分离方法。可用于传统分离手段较难处理的恒沸物及近沸点物系的分离。渗透蒸发的实质是利用高分子膜的选择性透过来分离液体混合物。,两者一致吗？,由高分子膜将装置分为两个室，上侧为存放待分离混合物的液相室，下侧是与真空系统相连接或用惰性气体吹扫的气相室。混合物通过高分子膜的选择渗透，其中某一组分渗透到膜的

23、另一侧。由于在气相室中该组分的蒸气分压小于其饱和蒸气压，因而在膜表面汽化。蒸气随后进入冷凝系统，通过液氮将蒸气冷凝下来即得渗透产物。渗透蒸发过程的推动力是膜内渗透组分的浓度梯度。,图46a 渗透蒸发分离示意图(真空气化),7、膜蒸馏膜蒸馏是膜技术与蒸发过程相结合的方法。其传质推动力是膜热侧和冷侧水溶液间的 温度差引起的传质组分的气相分压差。原理：当不同温度的水溶液被疏水微孔膜分开时，由于膜的 疏水性，两侧的水溶液不能透过膜孔进入另一侧，但由于暖侧水溶液与膜界面的 水蒸汽压高于冷侧，水蒸汽会透过膜进入冷侧而冷凝。膜蒸馏具有相变化。,8、气体分离膜 气体分离膜有两种类型：非多孔均质膜和多孔膜。它们

24、的分离机理各不相同。（1）非多孔均质膜的溶解扩散机理 该理论认为，气体选择性透过非多孔均质膜分四步进行：气体与膜接触，分子溶解在膜中，溶解的分子由于浓度梯度进行活性扩散，分子在膜的另一侧逸出。（2）多孔膜的透过扩散机理 用多孔膜分离混合气体，是借助于各种气体流过膜中细孔时产生的速度差来进行的。,9、液膜（1）液膜的概念和特点 液膜是一层很薄的液体膜。它能把两个互溶的、但组成不同的溶液隔开，并通过这层液膜的选择性渗透作用实现物质的分离。根据形成液膜的材料不同，液膜可以是水性的，也可是溶剂型的。（2）液膜的组成 1）膜溶剂 膜溶剂是形成液膜的基体物质。选择膜溶剂主要考虑膜的稳定性和对溶剂的溶解性。

25、为了保持膜的稳定性，就要求膜溶剂具有一定的粘度。膜溶剂对溶质的溶解性则首先希望它对欲提取的溶质能优先溶解，对其他欲除去溶质的溶解度尽可能小。当然膜溶剂不能溶于欲被液膜分隔的溶液，并希望膜溶剂与被其分隔的溶液有一定的相对密度差（一般要求相差0.025g/cm3）。,2）表面活性剂 表面活性剂是分子中含有亲水基和疏水基两个部分的化合物，在液体中可以定向排列，显著改变液体表面张力或相互间界面张力。表面活性剂是制备液膜的最重要的组分，它直接影响膜的稳定性、渗透速度等性能。在实际使用中，表面活性剂的选择是一个较复杂的问题，需根据不同的应用对象进行实验选择。3）流动载体 流动载体的作用使指定的溶质或离子进

26、行选择性迁移，对分离指定的溶质或离子的选择性和渗透通量起着决定性的影响，其作用相当于萃取剂。它的研究是液膜分离技术的关键。,（3）液膜的类型 从形状来分类，可将液膜分为支撑型液膜和球形液膜两类，后者又可分为单滴型液膜和乳液型液膜两种。1）支撑型液膜 把微孔聚合物膜浸在有机溶剂中，有机溶剂即充满膜中的微孔而形成液膜。,支撑型液膜示意图,此类液膜目前主要用于物质的萃取。当支撑型液膜作为萃取剂将料液和反萃液分隔开时，被萃组分即从膜的料液侧传递到反萃液侧，然后被反萃液萃取，从而完成物质的分离。这种液膜的操作虽然较简便，但存在传质面积小，稳定性较差，支撑液体容易流失的缺点。,2）乳液型液膜 首先把两种互

27、不相溶的液体在高剪切下制成乳液，然后再将该乳液分散在第三相（连续相），即外相中。乳状液滴内被包裹的相为内相，内、外相之间的部分是液膜。一般情况下乳液颗粒直径为0.11 mm，液膜本身厚度为110 m。根据成膜材料也分为水膜和油膜两种。,上述三种液膜中，乳液型液膜的传质比表面最大，膜的厚度最小，因此传质速度快，分离效果较好，具有较好的工业化前景。,乳液型液膜示意图,10、无机膜无机膜是指采用陶瓷、金属、金属氧化物、玻璃、硅酸盐、沸石及炭素等无机材料制成的半透膜。优点：化学性质温度；耐高温，用于高温分离；机械强度高；应用于膜催化反应。,第四节 萃取,萃取分离：是将样品中的目标化合物选择性地转移到另

28、一相中，或选择性的保留在原来的相中（转移非目标化合物），从而使目标化合物和原来的复杂基体相互分离。分类：,1、溶剂萃取（solvent extraction)溶剂萃取：利用不同物质在互不相溶的两液相间的分配系数的差异。对于有机物：可直接进行溶剂萃取 对于水溶性的无机物：通常要在溶剂中加入能与被分离离子形成疏 水性化合物的试剂萃取剂萃取过程：,处理传统的溶剂萃取方法，还出现了一些新型萃取技术：（1）溶剂微萃取（solvent microextraction),现代分离方法与技术 P68图5-6,（2）微波辅助溶剂萃取（microwave assisted solvent microextract

29、ion),（3）胶团萃取（micellar microextraction),（4）双水相萃取主要用于生物活性物质,2、超临界流萃取,（1）超临界流体：当物质处于其临界温度（Tc）和临界压力（Pc）以上时，即使继续加压，也不会液化，只是密度增加而已，其具有类似液体的性质，而且还保留了气体的性能，这种状态称为超临界流体（supercritical fluid)。,现代分离方法与技术 P21图2-2,（2）超临界流体特性1）密度与液体相近，但粘度接近气体。即具有液体对物质的高溶解特性，也具有气体易扩散、流动特性。2）在此状态中,液态的密度与其饱和蒸汽的密度相同,因此界面消失。3）临界点附近温度和压力的微小变化，会引起密度的显著变化，即使流体溶解物质的能力显著变化。,现代分离方法与技术 P85表5-8,超临界流萃取的原理,（3）超临界流萃取：以超临界流体作流动相，直接从固体（粉末）或液体样品中萃取目标物质的分离方法。2是SFE法最常用的溶剂(超临界压2 9atm,临界温度313)价廉、操作简便、尤其对亲油组份溶解性好。（4）超临界萃取工艺流程,现代分离方法与技术 P88表5-22,高压下溶解度大,高温下溶解度大,吸附剂,