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对开设“分离科学与技术前沿” 课程的思考.doc

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对开设“分离科学与技术前沿” 课程的思考.doc

对开设分离科学与技术前沿课程的思考傅延勋,徐铜文(中国科学技术大学化学与材料科学学院,安徽合肥230026)摘要本文阐述了分离工程应用的广泛性、重要性。指出在理科化学与应用化学专业研究生中开设分离科学与技术前沿课程,可使学生了解拓宽这方面的知识面及其一些最新动态,掌握分离工程领域的最新技术,更好地适应毕业后的工作环境。关键词现代大学制度政府文化背景改革中图分类号G423.04文献标识码AReflectionsontheCourseofFrontiersofSeparationScienceandTechnologyFUYanxun,XUTongwen(UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei,Anhui230026)AbstractSeparationtechnologyiswidelyuseful.ThecourseofFrontiersofSeparationScienceandTechnologymayprovidestudentsofchemistrywithlatestinformationandhelpbroadentheirhorizonssoastobetterpreparethemfortheirprofessionalpursuitsaftergraduation.Keywordsmodernuniversitysystemgovernmentculturalbackgroundreform一、分离工程的重要性分离过程是指将某一体系混合物通过物理、化学等手段分离成两个或两个以上组成彼此不同的产物的过程。这种混合物可以是原料、反应产物、中间物体或废弃物料。要将混合物分离,必须采用一定的方法。工业规模上,是要通过适当的装置和技术手段来进行,要消耗一定的能量来实现,这个过程被称为分离工程。分离过程往往贯穿于整个工艺过程,往往是获得最终产品的一个重要而又必须的手段。例如用煤合成氨,必须用氨水脱除硫化氢,用水加氨来吸收二氧化碳,用醋酸铜氨液吸收一氧化碳等。分离过程广泛应用于石油、化工、医药、材料、冶金、食品、生化、原子能和环境治理等工业技术领域。在这些工业领域中,分离过程的装置和能量消耗都占有十分突出地位。例如,在化工生产过程中,分离过程的基建投资占总投资的50~90,消耗的能量也往往占总能量的绝大部分(例如聚乙烯生产过程中,精制所消耗能量占总能量的94,而醋酸生产则占到98%)[1]。随着现代生产和科学技术的飞速发展、人民生活水平的普遍提高,对分离技术也提出了越来越高的要求。例如,在原子能和半导体工业中所需的高纯气体氩、氦及半导体材料硅、锗等,纯度要求都在99.99%,有的甚至超过99.9999%。电子工业中使用的超纯水、核反应堆使用的冷却水,其用量之大、纯度要求之高,是无法用二次蒸发等传统工艺制取的。再如载人空间飞行器及空间站中二氧化碳气体的去除、饮用水的制备及生活废水的再生利用等,对分离技术都提出了新的要求[1]。现代生产和科学技术的飞速发展,不但促使一些常规分离技术,如精馏、吸收、萃取、吸附、结晶、干燥等不断地得到改进和发展,而且如反应精馏、熔融结晶、变压吸附等新技术的出现,更促使一些新型分离方法,如膜分离、泡沫分离、分子精馏、变压吸附、重力场分离、超临界萃取、色谱分离等得到重视、研究和开发。这些新型分离技术,有些已在生产中得到一定规模的应用。这些方法具有良好的前景,并且各具特色。二、在理科研究生中开设分离科学与技术前沿课程的必要性理科化学与应用化学人才的主要培养目标是科研、开发和教学人员[2]。通过在校学习,培养学生的工程意识和经济技术观点,提高他们从事应用与开发研究的能力,使他们在科技成果转化过程中更好地与工程技术人员相互配合[3]。在应用与开发研究中,往往规模较小,体系复杂,分离要求较高,难度较大。例如药物的精制和提纯、抗生素的净制和病毒的分离、矿产中金属的提取和精选、同位素的分离和重水的制备等。在应用与开发研究中,不仅要使用一些常规分离技术,如精馏、吸收、萃取、吸附、结晶、干燥等,而且更要用到一些新型分离技术,如膜分离、分子精馏、变压吸附、重力场分离、超临界萃取、色谱分离等。例如用纳滤膜分离糖和盐的水溶液。随着对环境保护和资源综合利用认识的不断提高,人们希望在治理废水的同时实现有价物质的回收,譬如大豆乳清废液中含有1左右的低聚糖和少量的盐,亚硫酸盐法制备化纤浆和造纸浆过程出现的亚硫酸钙废液中含有2~2.5的六碳糖和五碳糖,制糖工业中出现的废糖蜜中含有少量的盐等等。这些废液处理过程中都涉及到糖和盐的分离问题。根据纳滤膜的特点,可以用纳滤膜实现糖和盐的分离。再如用凝胶色谱法分离照相明胶水溶液。照相明胶是胶原解旋的产物,主要含有αp、α2、α1、β、γ、γp组分。α1、α2组分分子量略小于十万[4],他们对照相乳剂的感光性能和理化指标有着举足轻重的影响。研究它们的影响及机理是十分重要而有意义的课题。要研究首先要将它们进行分离。用常规的分离技术分离不行,而采用新型的凝胶色谱技术方可以分离它们。又如微滤-离子交换-反渗透工艺制备超纯水,可以使水的电导率达到2μS/cm,这是常规分离技术所达不到的。再如反应精馏法制乙酸乙酯。该方法使化学反应与分离操作同时进行,能显著提高转化率,降低消耗。该方法目前在工业上已获得比较广泛的应用,例如在酯化、皂化、胺化、异构化、烃化、乙酰化等反应中都采用这一方法。如以乙酸和乙醇为原料,在酸催化下生成乙酸乙酯的可逆反应。该反应乙醇、水、乙酸乙酯三个组分可形成二元共沸物,水酯、水醇共沸物沸点较低,醇和酯不断地从塔顶排出,从而使转化率提高。若控制反应原料比例,可使组分转化完全[5]。从这些例子我们可以看到,一些新型分离技术在应用、开发、科研、生产中已广泛出现。对于理科化学与应用化学研究生,光掌握和了解一些常规分离技术是远远不够的,必须掌握和了解新型分离技术。在中国科学技术大学教务处和化学与材料科学学院的大力支持下,我们从去年开始在理科化学和应用化学专业研究生(博士生、硕士生)中开设了分离科学与技术前沿必修课程。我们认为,这对拓宽研究生在分离工程技术领域的知识面,了解分离科学与技术的一些最新动态,掌握分离工程领域的最新技术具有重要的意义,可使他们毕业后能更好地适应日新月异的现代化建设,解决他们在实际工作中所面临的一些基本问题。在讲授这门课程时,我们认为,既要与基本的化工原理或单元操作相区别,又要由浅入深地讲述一些新的分离理论和分离方法。因此,分离科学与技术前沿的课程内容大致拟1.分离科学与工程的简单回顾、分离工程的重要性2.分离过程的基本理论,包括分离过程的热力学和动力学,典型分离过程的基本理论3.新型分离技术的发展与应用,这些分离技术包括膜分离技术、分子精馏、变压吸附、重力场分离、结晶分离、色谱分离技术、超临界萃取4.集成分离技术以及分离科学与技术的展望。为使教学直观、生动、有趣且信息量大,我们采用了多媒体教学。课程考试采用学生写专题综述,并上讲台用多媒体讲述,考试成绩由教师和学生组成的评议组现场评定。通过这门课程的学习,同学们普遍认为学习这门课程是非常必要的,也是及时的。他们普遍认为,通过学习这门课程,充分认识到分离过程的重要性。原来没有想到分离物系还有这么多新型分离方法。有的同学说我们毕业后如果从事应用与开发研究,或者技术转让,所做的工作往往都是些开创性工作,规模不大,体系复杂,但分离技术要求高。学习了这门课以后,我们心里有谱了,我们掌握和了解了这些新型分离技术,就可以帮助我们在今后的参考文献[1]刘茉莉,陈欢林.新型分离技术基础[M].杭州浙江大学出版社,1993.[2]傅延勋,杨伟华,瞿其曙,徐铜文.对理科化工基础实验内容的设置与改革构想[J].大学化学,2004,19130[3]武汉大学.化学工程基础[M].北京高等教育出版社,2002.[4]傅延勋,阎天堂,饶秀芝.热处理对照相明胶溶液粘度和分子量分布的影响[J].感光科学与光化学,1996,14(1)14[5]温瑞媛,严世强,江洪,等.化学工程基础[M].北京北京大学出版社,2002.1.141.

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