分离科学基础

三、分离方法的选择
● 分离的必要性和要求；被分离物的物理化 学性质；表征或检测方法的特点。 ● 各种可能的分离方法的比较：实验室设备、 及熟悉程度等（技术条件）。 ● 分离费用：制备分离要高回收率和低消耗 （经济分析）。
§1.4 分离过程机理
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
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
化合物M
分离对象：物质组分 空间：容器、位置 纯度：100%是“理想状态”；无论5个9，6个9还是有
杂质
“假设”的含义：
☆ 绝对的（完全）分离是不可能的
air
分离 “液化空气”气化
N2
O2
H2
Ar H2O 。。。。。。
纯度99.999%：0.001%杂质（包含分析仪器的检测灵敏度限制）
分离的图解定义
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
4)电子给予体-电子接受体间的作用力（电荷 迁移，荷移配合物）
电荷迁移是一种特殊的相互作用，即两个 分子结合成一个荷移配合物，如Ａ＋Ｂ-。这 种力叫荷移力，实际上是一种电子转移。
5）集团电荷力 分子内存在着一种集团的电荷力,而这种
一、常见的分离的一些情况
● 大量与大量物质间的分离 ● 大量与小量或痕量物质间的分离与富集
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。
•
b.如何将现代最先进的技术与材料应用于分离技术。
•
c.选择现代科学技术和生产中对分离要求最为紧迫的对象进行
研究。
•
d.将各种分离方法联用，选择最为有利的分离条件。寻找新的
分离原理及方法。
•
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。
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。
● 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
ln( n A nA nB
) nB
ln( nB nA nB
)]
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
场是有选择性的，它对不同的组分 有不同的作用。与场对应的是梯度概念。
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 e2 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，
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
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
RT[n A
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。
3 .化学势
化学势控制组分在分离过程的相对迁移和平衡状 态。分离过程的总化学势
所以静电力属于长程力。
2）范德华力
（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 )ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ r 6
式中αi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
力的作用又与分子结构的空间构型是否相适 应而起作用。
分离模式*
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。
• 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。
•
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
强制分离
完全分离
（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）。
其他 分子蒸馏 酶降解
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
3 分离因子（Separation Factor）
QB
A+B?
SB/ A
QA QB0
RB RA
A+B
Q
0 A
分离因子表示两种组分分离的难易程度，当
SB/A<<1或SA/B>>1时，两者越易分离。
对分离因子SB/A大小的要求，不仅与样品中A、B的 含量有关，而且与B对A测定的干扰程度有关。通常应
SB/A < 10-4。
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 摩尔分数小于0.1组分的分
离
浓缩：Concentration 摩尔分数处于0.1~0.9间
组分
纯化：Purification 摩尔分数大于0.9组分的
、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
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。
分离
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：
RA
QA
Q
0 A
QA Q0A
在任何分离过程中，欲回收组分的回收率都是越 大越好。
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。
2 浓集因数（Concentration Factor)
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。
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