现代分离方法与技术绪论PPT学习教案

§1.3 分离过程的本质
分离有时是自发过程、混合有 时也不能自发进行。
总自由能决定体系是趋向分离、 还是趋向混合。
G总＝势能项＋熵项 ＝µi＋RT lnai
均相体系中只第27存页/共5在2页 浓度差 自发混合
分离过程中分子间相互作用
静电相互作用（离子键或带电荷的分子） 范德华力（永久偶极作用、诱导偶极作用、
色散力） 氢键 电荷转移相互作用（形成配合物） 疏水相互作用
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§1.4 分离方法的分类
按被分离物质的性质分类 按分离过程的本质分类
能量或分离剂
原料(混合物)
分离装置
目标产物 残余物
分离过程示意图
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通常用于分离的物质性质
物理性质 化学性质
力学性质、电磁 密度、摩擦、表面张力、熔点、
纯化的操作过程可以是同一分离方法反复 使用，也可以是多种分离方法反复使用。
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纯度（purity）
是用来表示纯化产物主组分含量高低或所 含杂质多少的一个概念。
纯是相对的，不是绝对的。纯度越高，则 纯化操作的成本越高。物质的用途不同， 对纯度的要求也不同。
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富集、浓缩和纯化的区分
浓缩过程也是一个分离过程，是溶剂与溶 质的相互分离，不同溶质并不相互分离， 它们在溶液中的相对含量(摩尔分数)不变。
富集涉及目标溶质与其他溶质的分离。富 集往往伴随着浓缩，因为以富集为目的的 浓缩往往使溶液体积减少。
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纯化（purification）
纯化是通过分离操作使目标产物纯度提高 的过程，是进一步从目标产物中除去杂质 的过程。
获得有用物质；实验室是为了后续分析。 （3）分离规模差异很大：结构鉴定微克级、
工业生产上吨计的大规模分离纯化。 （4）分离技术形形色色：色谱技术为核心 （5）应用领域极为广泛：化工、医药、食品、
环境等，是推动其他学科发展的动力 第16页/共52页
分离科学的主要内容
（1）研究分离过程的共同规律，主要包括用 热力学原理讨论分离体系的功、能量和热 的转换关系，以及物质输运的方向和限度； 用动力学原理研究各种分离过程的速度与 效率；研究分离体系的化学平衡、相平衡 和分配平衡。（物理化学、化工原理）
根据目标组分在原始溶液中的相对含量 （摩尔分数）的不同进行区分：
方法
富集 浓缩 纯化
被分离组分的摩尔分数 < 0.1
0.1~0.9 &分离方法
常用到得分离方法：盐析、萃取分离法 （包括溶剂萃取、胶团萃取、双水相萃取、 超临界流体萃取、固相萃取、固相微萃取、 溶剂微萃取等）、膜分离方法（包括渗析、 微滤、超滤、纳滤、反渗透、电渗析、膜 萃取、膜吸收、渗透汽化、膜蒸馏等）、 层析方法（离子交换层析、尺寸排阻层析、 疏水层析、固定化金属螯合亲和层析IMAC、 亲和层析等）、沉第淀14页/分共52页离法、浮选分离法 等。
（2）研究基于不同分离原理的分离方法、分 离设备及其应用
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分离的基本原则和要求
（1）分离因子尽可能的高；（回收率高） （2）消耗的分离材料、设备和能源费用尽可
能少； （3）分离操作简单、速度快； （4）分离纯度尽可能的高。
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§1.2 分离科学的重要性
（1）认识物质世界的必经之路：获得纯物质、 鉴定结构、了解物理、化学性质
分离的目的
（1）分析前样品处理：检测灵敏度、仪器的 需要
（2）结构鉴定：红外、核磁、质谱 （3）获取有用物质：天然产物提取分离 （4）除去有害物质：如除去废水中的重金属
（选择性吸附或沉淀分离法）
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分离技术特点
（1）分离对象种类繁多：合成、天然 （2）分离的目的各不相同：一般工业上为了
乙醚相； 亲溶剂势能远大于浓度差化学势。
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§1.3 分离过程的本质
宏观上看到的分离过程有时是自 发的过程，混合有时也不能自发 进行。如何判断一个混合或分离 过程能否自发进行，要看整个过 程（吉布斯）自由能的变化。总 自由能决定体系是趋向混合，还 是趋向分离。如果体系的总自由 能降低，则混第合26页或/共52页分离可自发进 行。
通过两相界面的平衡关系使均相混合物得以分离。如液 -液萃取（达到平衡时的分配系数不同）；结晶（固-液 平衡）；蒸馏（液-气平衡） （2）速度差分离过程 利用外加能量，强化特殊梯度场（重力梯度、压力梯度、 温度梯度、浓度梯度、电位梯度等）。如高速或超速离 心强化离心力场，使用过滤材料强化不同物质移动的速 度差。电泳强化离子移动速度差等。一般用于非均相混 合物的分离。 （3）反应分离过程 利用外加能量或化学试剂，使发生化学反应或化学反 应被促进，达到分离目的方法。 例分如离:；烟污道水气中脱有硫机工物艺被中微，生将物SO分3与解石为灰CO水2作和用水生而成分石离膏。
Journal
† Nature. † J. Memb. Sci. † Ind. Eng. Chem. Res. † Chemical Engineering Science. † Separation Science and Technology. † Sep. Puri. Methods † Biotechnol. Bioeng. † CHEMTECH
（2）各种分析技术的前提：去除干扰、提高 检测限（浓缩、富集）
（3）其他学科发展的基础：天然产物提取与 分离、环境科学、有机化学、食品科学等
（4）获取有用物质的手段：纯净水、精盐、 天然色素
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§1.3 分离过程的本质
实例一：把食糖放入盛水的杯中，糖溶解后形成均一 的糖水溶液，这是一个混合过程。当要从溶液中把糖 取出时，需要对体系做功，如加热蒸发溶剂（水）， 这是一个分离过程。 糖和水的混合是一个自发进行的过程，而从溶液中取出 糖的过程则不能自发进行。因为： 糖和水的混合熵是增加的过程；从溶液中取出糖的过程 是减小的过程。
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§1.1 分离科学及其研究内容
分离科学是研究分离、富集和纯 化物质的一门学科。从本质上讲， 它是研究被分离组分在空间移动 和再分布的宏观和微观变化规律 的一门学科。
分离过程中伴随着分离与混合(或 定向移动与扩散)、浓集与稀释及 某些情况下分子构象的变化与其 自然形态以及第可6页/逆共52页或不可逆的过 程。
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杂志
化学工程； 化工学报； 膜科学与技术； 高分子材料科学与工程； ---
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第一章 绪 论
§1.1 分离科学及其研究内容 §1.2 分离科学的重要性 §1.3 分离过程的本质 §1.4 分离方法的分类 §1.5 分离富集在分析化学中的应用 §1.6 分离富集方法 §1.7 分离方法的评价 §1.8 直接分离和间接分离 §1.9 分离富集技术的发展趋势
F e 3 + 、Ti4+ 6 mol/L的 HCl
乙醚
抽掉隔板
3+
乙醚，Fe
Ti4+ 6 mol/L的 HCl
非均相体系中Fe3+和Ti4+的混合实验
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Ti3+的亲水势能大于浓 度差产生的化学势（
熵效应）
均相体系中Fe3+和Ti4+的混合实验
用隔板将容器分为左右两部分后，均相体系中Fe3+和 Ti4+的混合是浓度差的贡献。浓度差的贡献属于熵的贡 献，熵增加的趋势驱使Fe3+和Ti4+在整个体系中有有序 向无序变化，最后在整个空间内浓度达到一致。抽掉隔 板后Fe3+和Ti4+将自发混合均匀，这是因为： 体系中除浓度（活度）差外不存在其他势场。 浓度差对化学势的贡献属熵的贡献，熵增势能驱使Fe3+和 Ti4+在整个体系范围内从有序向无序变化。
富集是指在分离过程中使目标化合物在某 空间区域的浓度增加。
富集是分离的目的之一。富集需要借助分 离的手段，富集与分离往往是同时实现。
富集涉及目标溶质与其他溶质的分离。
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浓缩(concentration)
浓缩指将溶液中的一部分溶剂蒸发掉，使 溶液中存在的所有溶质的浓度都同等程度 的提高的过程。
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非均相体系中Fe3+和Ti4+的混合实验
乙醚与水不互溶而形成两相平衡后， Ti4+留在下 面的水相，而Fe3+进入上面的乙醚相中。在非均 相体系中，除了浓度差外，还有其它势能的作用。 结果：乙醚和水为互不相溶的两相。
Fe3+与乙醚生成离子缔合物：
C2H5O C2H5 ＋ H+ (C2H5)2OH+ Fe3+ + 4 Cl FeCl4 (C2H5)2OH+ + FeCl4 [(C2H5)2OH]+[FeCl4]
（2）化学分离法：按被分离组分化学性质差 异，通过适当的化学过程使其分离。如沉
淀分离、溶剂萃取、色谱分离、选择性溶 解；
（3）物理化学分离法：按被分离组分的物理
化学性质差异进行分离。如电泳、区带熔
融、膜分离。
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按分离过程的本质分类
（1）平衡分离过程 利用外加能量或分离剂使混合物体系形成两相界面，
物体系中分离出来。例如，石油炼制过程中将轻油和重油等一类物质 进行分离就属于族分离。 单一物质的分离是将某种物质以纯物质的形式从混合物中分离出来， 比如从乳酸发酵液中获得纯度较高的乳酸lactic acid，以及生物制药中 从混合物中获得特定的目标物等都属于这一类。
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富集（enrichment）
分离
分离（separation）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 区域或在不同的时间依次分配至 同一空间区域的过程。实际上， 分离是一个相对的概念，人们不 可能将一种物第质7页/共从52页混合物中100% 地分离出来。
分离的形式主要有两种：一种是组分离；另一种是单一物质的分离。 组分离有时也称为族分离，它是将性质相近的一类组分从复杂的混合
现代分离方法与技术绪论
会计学
1
内容简介
第七章 制备色谱技术 第八章 膜分离 第九章 电化学分离法 第十章 其他分离技术 第十一章 分析鉴定方法与分离分析方法的选择
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参考文献
1 丁玉明，现代分离方法与技术，化学工业出版 社，2013.6
2 石影、訾言勤，定量化学分离方法，中国矿 业大学出版社，2001.12
由热力学第二定律可知, 混合过程是一个熵增加的过程, 它是一个自发过程, 而它的逆过程—— 分离过程, 则不 能自发地进行, 需要某种专门的过程和设备, 否则不可 能实现。
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实例二：己烷和水的混合实验。
将己烷和水放在一个烧杯里，它 们不能自发混合形成均匀溶液； 当剧烈搅拌（做功）时，则相互 分散，短时间内形成均匀溶液， 一旦放置（停止搅拌）则形成互 不相溶的两相。在这个实例中， 我们看到混合过程不能自发进行， 而（做功使之混合后的）分离过 程可以自发完成。
3 耿信笃，现代分离科学理论导引，西北大学 出版社，1990.6
4 陈欢林，新型分离技术，化学工业出版社， 2005.7
5 高庆宇，尹文萱，周同龄，耿汝波等，物质 分离与鉴定的方法与实验，中国矿业大学出 版社，2004.3
6 刘镓祺、姜忠义、王春艳，分离过程与技术， 天津大学出版社，2001.12
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性质、输送性质、沸点、临界点、溶解度、蒸汽压、
热力学性质
分配系数、吸附、电导率、扩散
系数
热力学性质、反 化学平衡常数、化学吸附平衡常
应速率
数、解离常数、反应速率常数、
电离电势
生物学性质
生物亲和力、生物吸附平衡、生 物学反应速率常数
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按被分离物质的性质分类
（1）物理分离法：利用物理性质，采用适当 的物理手段进行分离，如离心、蒸馏；
这个实例同样第也21页伴/共52页随熵效应是指 混合，为什么不能自发混合？
实例三：Fe3+和Ti4+的混合实验
Fe3+ 6 mol/L的 HCl
Ti4+
混合均匀
6 mol/L的 HCl
抽掉隔板
Fe3+、 Ti4+
6 mol/L的 HCl
Fe离子的亲溶剂势 能大于浓度差产生
的化学势
均相体系中Fe3+和Ti4+的混合实验
对于Ti4+而言，主要亲水作用
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1.3 分离过程的本质
Ti4+留在水相的原因： Ti4+的亲水作用势能驱使Ti4+留在水相； Ti4+的浓度差产生的化学势驱使Ti4+均匀分布在整个空间； Ti4+的亲水作用势能远大于浓度差化学势。 Fe3+进入乙醚相的原因： Fe3+的浓度差产生的化学势驱使Fe3+均匀分布在整个空间； [(C2H5)2OH]+[FeCl4]的亲溶剂（疏水）势能驱使Fe3+进入