现代分离方法与技术绪论.pptx

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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第1页/共52页参考文献1 丁玉明，现代分离方法与技术，化学工业出版社，2013.62 石影、訾言勤，定量化学分离方法，中国矿业大学出版社，2001.123 耿信笃，现代分离科学理论导引，西北大学出版社，1990.64 陈欢林，新型分离技术，化学工业出版社，2005.75 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，2004.36 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第2页/共52页Journal N

2、ature.J.Memb.Sci.Ind.Eng.Chem.Res.Chemical Engineering Science.Separation Science and Technology.Sep.Puri.Methods Biotechnol.Bioeng.CHEMTECH第3页/共52页杂 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；-第4页/共52页第一章第一章 绪绪 论论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

3、.9 分离富集技术的发展趋势第5页/共52页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可逆或不可逆的过程。近年来，由于精细化工、生物技术和材料科学等新兴学科的发展，加之计算机和现代分离手段的广泛应用，促使分离科学的基础理论日益完善，技术水平不断提高，使其逐渐发展成为一门相对独立的学科。第6页/共52页分离分离（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

4、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质从混合物中100%地分离出来。分离是认识物质世界的必经之路；是各种分析技术的前提。第7页/共52页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

5、等都属于这一类。第8页/共52页富集（enrichment）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。第9页/共52页浓缩(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。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。第10页/共52页纯化（purif

6、ication）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。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。第11页/共52页纯度（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。第12页/共52页富集、浓缩和纯化的区分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：方法方法被分离组分的摩尔分数被分离组分的摩尔分数富集富集 0.9第13页/共52页常用的分离方法 常用到得分离方法：盐析、萃取分离法（包括溶剂

7、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）、沉淀分离法、浮选分离法等。第14页/共52页分离的目的（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）第15页/共52页分离技术特点（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

8、上为了获得有用物质；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）（2）研究基于不同分离原理的分离方法、分离设备及其应用 第17页/共52页分离的基本原则和要求（1）分离因子尽可能的

9、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。第18页/共52页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（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 第19页/共52页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

10、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。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。第20页/共52页实例二：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。这个实例同

11、样也伴随熵效应是指混合，为什么不能自发混合？解释：除熵效应外，还存在己烷分子和水分子疏水相互作用的势能、己烷和水的密度差（重力势能）、以及水分子之间的亲水相互作用的势能，这些势能是对抗混合的。它们的势能要比混合的熵效应大得多。所以，混合过程不能自发进行。第21页/共52页Fe3+6 mol/L的HClTiTi4+4+6 mol/L的HCl抽掉隔板Fe3+、Ti4+6 mol/L的HCl混合均匀FeFe3+3+、TiTi4+4+6 mol/L的HCl 乙醚抽掉隔板Ti4+6 mol/L的HCl乙醚，FeFe3+3+TiTi3+3+的亲水势能大于浓度差产生的化学势（熵效应）FeFe离子的亲溶剂势能

12、大于浓度差产生的化学势均相体系中Fe3+和Ti4+的混合实验非均相体系中Fe3+和Ti4+的混合实验实例三：Fe3+和Ti4+的混合实验第22页/共52页均相体系中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。第23页/共52页

13、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 对于Ti4+而言，主要亲水作用第24页/共52页1.3 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

14、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+进入乙醚相；亲溶剂势能远大于浓度差化学势。第25页/共52页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，则混合或分离可自发进行。第26页/共52页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

15、是趋向混合。G G总势能项熵项 iRT lnai均相体系中只存在浓度差 自发混合非均相体系中除浓度差外，还存在各种相互作用（势能）各组分趋向于分配在低势能相第27页/共52页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）疏水相互作用第28页/共52页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第29页/共52页通常用于分离的物质性质 物理性质物理性质 力学性质、电磁力学性质、电磁性质、输送性质、性质、输送性质、热力学性质热力学性质 密度、摩擦、表面张力、熔点、密度、摩擦、表面张力

16、、熔点、沸点、临界点、溶解度、蒸汽压、沸点、临界点、溶解度、蒸汽压、分配系数、吸附、电导率、扩散分配系数、吸附、电导率、扩散系数系数 化学性质化学性质 热力学性质、反热力学性质、反应速率应速率 化学平衡常数、化学吸附平衡常化学平衡常数、化学吸附平衡常数、解离常数、反应速率常数、数、解离常数、反应速率常数、电离电势电离电势 生物学性质生物学性质 生物亲和力、生物吸附平衡、生生物亲和力、生物吸附平衡、生物学反应速率常数物学反应速率常数 第30页/共52页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；（2）化学分离法：按被分离组分化学性质差异，通过适

17、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。第31页/共52页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，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

18、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。例如:烟道气脱硫工艺中，将SO3与石灰水作用生成石膏分离；污水中有机物被微生物分解为CO2和水而分离。第32页/共52页常见的平衡分离方法第二相第二相第一相第一相气相气相液相液相固相固相超临界流体超临界流体气相气相液相液相固相固相超临界流体超临界流体吸收、蒸馏吸收、蒸馏吸附、逆升华吸附、逆升华汽提、蒸发、蒸汽提、蒸发、蒸馏馏液液-液萃取液萃取结晶、吸附结晶、吸附超临界流体萃取超临界流体萃取升华、脱附升华、脱附区带熔融、固相区带熔融、固相萃取萃取超临界流体萃取超临界流体萃取超临界流体吸收超临界

19、流体吸收超临界流体吸收超临界流体吸收第33页/共52页速度差分离方法 能量种类能量种类场场热能热能化学能化学能(浓度差浓度差)机械能机械能电能电能压力梯度压力梯度重力重力离心力离心力均匀空均匀空间间真空真空分子蒸馏分子蒸馏分离扩散分离扩散沉降沉降超速离心、旋风分离超速离心、旋风分离质谱、电集尘质谱、电集尘气相气相热扩散热扩散沉降沉降旋液分离、离心旋液分离、离心电泳电泳液相液相浮选浮选超速离心超速离心磁力分离磁力分离非均匀非均匀空间空间多孔滤多孔滤材材气相气相气体扩散、气体扩散、过滤集尘过滤集尘液相液相过滤过滤压力过滤压力过滤离心过滤离心过滤多孔膜多孔膜凝胶相凝胶相渗透汽化渗透汽化透析透析气体渗

20、透气体渗透电泳电泳固相固相反渗透反渗透电渗析电渗析第34页/共52页常见的反应分离方法反应体反应体反应体类型反应体类型反应类型反应类型分离方法分离方法有反应体有反应体再生型再生型可逆反应或平衡交换反应可逆反应或平衡交换反应离子交换、螯合交换、反应萃取、反应吸离子交换、螯合交换、反应萃取、反应吸收收一次性一次性不可逆反应不可逆反应反应吸收、反应结晶、中和沉淀、氧化、反应吸收、反应结晶、中和沉淀、氧化、还原还原(化学平衡化学平衡)生物体生物体生物反应生物反应活性污泥活性污泥无反应体无反应体电化学反应电化学反应湿式精炼湿式精炼第35页/共52页1.5 分离富集在分析化学中的应用1.需用分离技术进行前

21、处理的几种情况2.分离富集的目的第36页/共52页1.需用分离技术进行前处理的几种情况（1）基体组成非常复杂，并且干扰组分量相对比较大的条件下分离。（2）试样中待测组分的含量较低，而现有测定方法的灵敏度又不够高富集或分离富集。第37页/共52页2.分离富集的目的 定量分析的试样通常是复杂物质，试样中其他组分的存在常常影响某些组分的定量测定，干扰严重时甚至使分析工作无法进行。这时必须根据试样的具体情况，采用适当的分离方法，把干扰组分分离除去，然后才能进行定量测定。第38页/共52页2.分离富集的目的 如果要进行试样的全分析，往往需要把各种组分适当的分离，而后分别加以鉴定或测定。而对于试样中的某些

22、痕量组分，进行分离的同时往往也就进行了必要的浓缩和富集，于是就便于测定。因此物质的化学分离和测定具有同样重要意义。第39页/共52页1.6 分离富集方法1 依据分离方法的性质分类物理分离法和化学分离法2 物理分离法的定义及分类 依据被分离对象所具有的某些物理性质的差异所建立的分离方法。如离心分离法、电磁分离法、质谱分离法、气体扩散法、热扩散法等。第40页/共52页1.6 分离富集方法3 化学分离法的定义及分类 依据被分离对象所具有的某些化学或物理化学性质的差异所建立的分离方法。如共沉淀法、溶剂萃取法、离子交换法、色谱分离法、蒸馏挥发法、气泡浮选法、电化学分离法等。第41页/共52页1.7 分离

23、方法的评价1 回收率的定义及公式2 分离因子的定义及公式3 富集倍数的定义及公式第42页/共52页1 回收率的定义及公式 被分离物质在分离过程中损失量的多少，某组分的回收程度，用回收率来表示。待测组分A的回收率，用RA表示，QA-为富集前待测物的量；QA-富集后待测物的量。常量组分（1%）：R99%微量组分：R95%痕量组分（0.01%）：R90%第43页/共52页2 分离因子的定义及公式分离因子：两组分的分离程度。用SA，B表示。A待测组分；B干扰组分如果待测组分A符合定量要求，即可认为QA QA SA,B QB/QB=1/RB常量组分测定：SA,B 103；分离因子越大，分离效果越好。第4

24、4页/共52页3 富集倍数的定义及公式富集倍数：目标组分和基体组分的回收率之比，用F表示，RT为组分的回收率；RM为基体的回收率；QT为富集前待测物的量；QT为富集后待测物的量；QM为富集前基体的量；QM为富集后基体的量。第45页/共52页对F的要求：a 待测组分的浓度与基体的比值。比值小，要求F大。b 测定方法的灵敏度。灵敏度，要求F大。第46页/共52页1.8 直接分离和间接分离1 直接分离和间接分离的定义2 直接分离和间接分离的优缺点第47页/共52页直接分离和间接分离的定义 直接分离是将待测组分从复杂的干扰组分分离出来；间接分离是将干扰组分转入新相，而将待测组分留在原水相中。第48页/

25、共52页直接分离和间接分离的优缺点 直接分离的优点：除可保持一定的准确度外，可与测定方法相结合，简化了操作步骤；还可与富集待测组分相结合，提高了分析方法的灵敏度。而间接分离法则难以简化操作步骤，不能富集待测组分，且当干扰组分量较大时，将其从微量待测组分中分离出来，易将后者带走，造成待测组分的损失，而降低了分析方法的准确度。第49页/共52页1.9 分离富集技术的发展趋势1 经典的分离富集技术在理论和实践上不断完善、发展2 色谱当今研究最活跃、发展最快的分离技术3 各种分离技术的相互渗透，发展新的分离方法4 分离富集方法与测量方法的有机结合5 分离富集技术的机械化和自动化6 在线分离技术第50页/共52页思考题1 分离富集的目的是什么？2 什么是直接分离和间接分离？3 分离和富集技术的发展趋势如何？4 阐述浓缩、富集和纯化三个概念的差异与联系？5 回收率、分离因子和富集倍数有什么区别和联系？第51页/共52页感谢您的观看！第52页/共52页