第一章分离科学基础

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商陆又名夜呼（《本经》）、 野萝卜，为商陆科多年生草本，多 生于疏林下、林缘、路旁、山沟等 湿润地方，我国大部分地区有分布。 《本草纲目》中记载有“其性下行， 专于行水，与大戟、甘遂盖异性而 同功”。而其性味苦、寒，有毒， 《唐· 本草》记载：“商陆有赤、白 二种，白者入药用，赤者甚有毒， 但贴肿外用。若服之，伤人，乃至 痢血不已而死也。”证实了古人早 已认识到商陆的毒性。早期的研究 中发现，其中含有商陆碱、多量硝 酸钾、皂甙、糖蛋白、脂溶性成分 （棕榈酸、十四酯等）等，具有调 节免疫、抗肿瘤、调节内分泌、镇 咳、祛痰、平喘、抗菌消炎、利尿 等药理作用。随着植物多糖研究的 深入，发现商陆中所含有的多糖成 分是增强免疫、抗肿瘤和保护造血 功能的活性成分。
3）氢键作用力 强氢键： R-X-H„Y-R’ X和Y为半径小、电负性大的F、O、N等。 弱氢键： C-H„O
氢键是一种特殊作用力，键强度随ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ供质子体 的酸度和接受体的碱度的增大而增大，有利于氢键 的分子呈线性构形。
碱度：胺类＞中性氢氧化物＞腈类＞不饱和碳氢 化物＞硫化物 酸度：强酸＞ CH3OH ＞酚类＞醇类＞硫酚类
● 对流、随机流等（寄生流）：非生产型、破坏性 ● 混流（搅动）：对分离的性质并不产生影响 ●（外加）定向流：流动相、载气等
许多分离过程中是以流体方式进行的。流动本 身并不能导致分离，但它可使分离效率提高许多倍， 或者说利用流来实现分离。但无益的流，如寄生流 等，也可能对分离起破坏作用。
例：淘析，引入上升流，小颗粒的沉降速度小 于上升流速而被带走。
淘米或淘金; 半导体掺杂
● 小量与小量（痕量与痕量）间的分离或富集 ● 稀溶液中痕量元素的富集
按分离目的分类 制备型分离/纯化
要求高纯度、高回收率产物（有时不一定要求高收率)。 规模：实验室；生产
分析型分离
突出“定量”概念，即考虑分离程度的完全性；定量分离的可 能性；简单快速；分离结果具有良好的再现性。
三、分离的重要性
• 1 与人类文明发展密切相关。
反渗透的工艺流程
工业用电渗析(8-10吨/时)
多级闪蒸的基本原理
低温多效蒸馏原理
多效蒸馏装置
• 2与科技发展进步密切相关。
• 蔗糖梯度密度离心提取纯化病毒
• 3 对于提高经济效益，建立节约型社会， 发展环境友好型工业等有重要意义。
组分 A
nA mol
组分 B
nB mol
混合 分离
混合物 (A+B) (nA+n B) mol
分离科学实际上是研究如何将热力学第二定律所 说的自发过程，以相反方向进行到最大限度的科学。 即如何给体系增加能量和降低体系的熵值以便增强分 离效果。
混合的熵：
分离的理论耗能量（最小功）：
Wmin, T
nA nB RT[n A ln( ) n B ln( )] nA nB nA nB
分离过程示意图
分离之所以能够进行，是由于混合物 中待分离的组分之间，在物理、化学、生 物学等方面的性质，至少有一个存在着的 差异。 物理性质
力学性质：密度、摩擦因数、表面张力、尺寸、质量 热力学性质：熔点、沸点、临界点、蒸气压、溶解度
、分配系数、吸附平衡
电、磁性质：电导率、介电常数、迁移率、 电荷、淌度 输运性质：扩散系数 化学性质 热力学性质：反应平衡常数、化学吸附平衡 常数、离解常数 反应速度性质：反应速度常数 生物学性质 生物学亲和力、生物学吸附平衡，生物学反 应速度常数
（1）两个永久偶极子间的相互作用（取向力） ● 作用力大小与偶极间的距离及取向有关 ● 定向力与偶极矩的四次方成正比
（2）永久偶极子与诱导偶极间的相互作用
（诱导力）--德拜公式
E ij i 2 j ( 4 0 ) 2 r 6
式中α i为i分子的极化率
（3）非选择性作用力—色散力 色散力与分子间的距离的六次方成反比。 摩尔色散力大体上与分子大小成正比，也与化合物 的折光指数有关。 在分离科学中色散力非常有用，它不仅可以在分 离过程中分子的作用力方向起重要作用，而且是解释 分离科学中许多规律的分子学基础。
高选择性分离：如烷烃、烯烃在“AgCl”柱上的 分离。
表1. 根据相平衡分类
• 气-液 • • • • • • 气-固 液-液 液-固
蒸馏 吸附 气液色谱 挥发 泡沫分离 精馏
萃取 沉淀 液液色谱 区域熔融 分步结晶 离子交换 吸附
表2. 依据速率过程分类
• • • • • 栅栏分离 膜过滤 渗析 电渗析 场分离 电泳 超离心 热扩散 电沉积 其他 分子蒸馏 酶降解
现代分离技术
第一章 分离与分离科学基础
§1.1 概述
一、日常生活中的分离 饮食起居：自来水（过滤），净水器（分 离膜/吸附剂）；泡茶（固体浸出法） 环境保护：垃圾分类；污水处理；铁罐// 铝罐（磁力） 医药卫生：抗菌素的纯化；血透；花粉过 敏（洁净房间）
二、分离的定义
化工词典：把混合物中某些组分或各组分彼 此分开，或把混合物中各相间彼此分开的过 程叫分离。 罗尼（Rony）定义：分离（Separation）是一 种假设的状态, 在这种状态下物质完全被分开 （Isolation）了。就是说，含有m种化学组分 的混合物被分隔成m种纯的形式，并把它们置 于个独立的容器中（如玻璃瓶或聚乙烯瓶）。
分离的图解定义
完全分离
强制分离
（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋…） → （Ａ）＋（Ｂ）＋ （Ｃ）… 部分分离
（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋…）→（Ａ）＋（Ｂ＋Ｃ ＋…） （Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋…）→（Ａ，Ｂ）＋（Ｂ， Ａ）…
组分：A, B。。。 空间： （） 丰度：A “主成分”
分离过程要克服混合和稀释两个自发 过程，在热力学上是受阻的，因此分离必 须付出代价，分离过程必须做功（耗能）。
从商陆根中提取活性多糖 PEP-I、 PEP- II
• 商陆根 • 乙醇 乙醇液 残渣
水
水提液
残渣
浓缩，加2倍乙醇
醇液
沉淀物
除蛋白，透析，醇沉
醇液
沉淀物
干燥
粗多糖
DEAE-纤维素柱色谱
水
0.05moll-1NaOAc
0.1moll-1 NaOAc
超滤 浓缩
0.5moll-1NaOAc
超滤 浓缩
浓缩液
分离
摩尔分数大于0.9组分的
拆分：Resolution
手性化合物的分离
1 回收因子（Recovery Factor）
被分离物质A分离的完全程度：
QA
QA RA 0 QA
大越好。
Q0A
在任何分离过程中，欲回收组分的回收率都是越
但是，确定回收率的大小要根据分离目的、分 离组分的浓度含量和分离费用等考虑。
二、现代分离科学的特点
1.现代技术手段的广泛采用。
2.分离对象集中在生物工程、生物技术及 新材料领域产品。 3.提出了新的分离原理，发展了大量新的 分离技术。 4.对分离技术做到了观念的更新。
三 、可被分离利用的物质性质
能量或分离介质
原料物流
分离 装置
两个以上的产品物流
（浓度不同）
对各组分所特有 的性质差别产生 作用
2 浓集因数（Concentration Factor)
CF
C A ( ) C A( )
Ⅰ
Ⅱ
当基体只是部分移去时的分离操作，称为浓缩或浓 集，相应的参数称为浓集因数：
CF
m A ( ) mM ( )

m A( ) mM ( )
回收率和浓集因数仅关心分离得到的被分离对象的 “量”的大小，而无法表示被分离物的“质”的高低。 因此，需要进一步介绍表示两种溶质的分离效率的参数。
5 .分子和离子间的作用力
分子间或离子间的相互作用是分离的分子
学基础，其大小又与它们的分子结构，环境条
件等有关。
1）静电力---库仑定律
E ij
Zi Z j e 2 4 r
由于静电力与两个电荷之间距离的平方成反比，
而其它一些分子间作用力与距离的更高次方成反比， 所以静电力属于长程力。
2）范德华力
2.场-流分类法
分离的实质是溶质在分离空间内的迁移和再 分布。Giddings认为分离过程是由化学势和流共同 控制。 ● 化学势：连续c、不连续d、混合cd
● 流：静止S、平行F(=)、垂直F(+) 表3. 九种基本分离领域
连续μ*模式 Sc F(=)c F(+)c 不连续μ*模式 Sd F(=)d F(+)d 连续与非连续μ* 相结合模式 Scd F(=)cd F(+)cd
四、重要的分离术语
1. 相
分离过程涉及的物态有：气态、液态、固 态、超临界流体状态。 欲分离的物质以一定的方式在两相间分配， 然后用物理方法将它们分开，从而达到分离。 有的分离过程中，根据相的相对位置或运 动状态，它们被分成固定相和流动相。
2.流
流描述所有流体的位移。分离可以在静 止（非流）体系和流体系进行。
分离分析
是一类仪器分析方法，其特征就是分离分析系统化，即分离过程与检测技术 有机结合起来构成一种新型的分析技术。
二、表征分离效率的参数
与物质的分离有关的几个概念：
富集：Enrichment
离
摩尔分数小于0.1组分的分
浓缩：Concentration
组分
摩尔分数处于0.1~0.9间
纯化：Purification
任何一种分离方式都是以下四个过程的 单独、同时或依次进行的过程： （1）化学转换 （2）两相中的分配 （3）相的物理分离 （4）外场作用下的迁移速率差异
五、 分离方法的分类
1. 现象学分类法（过程分类法） ●平衡分离过程：利用相间平衡（相平衡和分 布平衡）。 ●速度差分离过程：利用外场作用。 ●反应分离：只对混合物中某些特定组分发生 化学、生物反应。通常能对指定物质进行充分 的分离。