分离技术复习 (2)

分离技术 学习方法概括 1 掌握每个章节的基本概念 基本原理 包括主要机理的步骤和解释 2 掌握主要的工艺过程 流程 和主要的应用3 掌握课堂练习 例题的计算4 认真把思考题做一遍 所学章节 1 分离技术绪论分类 物性 化性与分离的推动力 汽液两相的一些基本概念 2 特殊精馏恒沸精馏 萃取精馏 加盐精馏 反应精馏 分子精馏3 特殊萃取液液萃取基本概念 化学萃取 超临界萃取 反胶束萃取 双水相萃取 4 吸附技术5 色谱技术6 离子交换技术7 膜分离技术膜分离技术概述 反渗透 纳滤 超滤 微滤 渗析 电渗析 液膜分离 课堂练习 在三角形图中表示 1 一个三元组成M M c 0 6 a 0 3 2 设以上三元混合物组成F 100kg 含xa 0 3 在混合物中加入萃取剂S 10kg 确定三元混合物的组成N 3 题1的混合物中 蒸去组分S后 剩下二元混合物的组成 在图中表示P 1 确定M点 M c 0 6 a 0 3 3 确定P点 2 确定N点 F 100kg 含xa 0 3 在混合物中加入萃取剂S 10kg 则S达到20Kg Xs 0 1818 另 M点100kg N点100kg 加入系统蒸去萃取剂求Q点 M c 0 6 a 0 3 N a 0 5 s 0 2 例2某色谱柱长2 1m 测得某组分的调整保留时间为5min42s 在色谱纸上量得色谱峰的宽度为1 2cm 已知纸速为2cm min 1 求塔板高度 解 将色谱峰的宽度换算成时间 答 塔板高度为1 45mm A 流体分子 M 固体表面 推导可得 在吸附平衡温度T及压力p下的吸附量 是在吸附平衡温度T 压力p下吸附剂被盖满一层时的吸附量 b 与吸附热有关的常数 作图 求得b和 公式可改写为 例1 用活性炭吸附CHCl3时 0 时的最大吸附量为100dm3 kg 1 已知该温度下CHCl3的分压力为1 00 104Pa时的平衡吸附量为50dm3 kg 1 试计算 1 朗缪尔吸附定温式中的常数b 2 CHCl3分压力为5 00 103Pa时的平衡吸附量 解 1 设 和 分别为平衡吸附量和最大吸附量 则 解答 解 设 和 分别为平衡吸附量和最大吸附量 则b 1 10 4Pa 1平衡吸附量 0 0333m3 kg 1 例 称取某OH 型阴离子交换树脂3 00g 置于锥型瓶中 加入0 250mol LHCl100mL浸泡一昼夜 用移液管吸取25 00mL 以甲基红为指示剂 用0 100mol LNaOH溶液滴定 消耗31 00mL 计算离子交换树脂的交换容量 交换容量的测定 总交换容量 单位质量 或体积 的树脂中可以交换的化学基团数量 也称理论交换容量 工作交换容量 实际吸附时 A在树脂上的交换量再生交换容量 树脂再生后的总交换容量 再生交换容量 0 5 1 0总交换容量工作交换容量 0 3 0 9再生交换容量 加入浸泡液中HCL总量 0 25 100 1000 0 025mol消耗氢氧化钠 0 1 31 1000 0 0031mol浸泡后液中剩余HCL量 100 25 消耗氢氧化钠 0 0124mol交换容量 加入浸泡液中HCL总量 浸泡后液中剩余HCL量 3 0 0043mol g 3 按分离过程原理分类 1 机械分离 利用机械力将两相混合物分离的过程 分离时 相间无物质传递 几种典型的机械分离过程 平衡分离 依据被分离混合物各组分在两相平衡分配不等的原理来分离的过程 借助于热能 溶剂和吸附剂等媒介 使均相混合物变成两相 包括气 液传质过程 蒸馏 吸收等 液 液传质过程 萃取等 气 固传质过程 吸附等 液 固传质过程 离子交换 浸取 吸附等 速率分离 依据被分离组分在均相中的传递速率差异来分离的过程 在浓度差 压力差 电位差等的推动力作用下 利用各组分的扩散速率差异进行分离 包括膜分离 超滤 反渗透等 场分离 电泳 热扩散等 2 传质分离 通过两相间物质的传递来分离 3 反应分离 通过化学反应将反应物转化成目的cp 几种典型的反应分离技术 对于具有恒沸点的非理想溶液 通过加入一种分离剂与原溶液其中一个或几个组分形成更低沸点的恒沸物 从而使原溶液易于采用蒸馏进行分离的方法 称之为恒沸精馏 第三组分称为恒沸剂或挟带剂 恒沸剂必须 原料液中的一个或几个组分形成更低沸点的二元或三元恒沸物 新恒沸物的沸点比原来的任一组分的沸点和原来恒沸物的沸点要低 新恒沸物从塔顶被分离 五 萃取精馏与恒沸精馏的比较 共同点 均需在待分离混合物中加入第三组分 以提高组分间的相对挥发度 异同点 1 恒沸精馏的夹带剂必须与待分离组分的一个或两个形成恒沸物 因此可供选择的夹带剂很有限 而萃取剂无此限制 2 恒沸精馏的夹带剂大都从塔顶蒸出 热能消耗较大 而萃取剂则从塔底排出 热量消耗较低 3 萃取剂一般从塔上部不断加入 不适宜间隙操作 而恒沸精馏的夹带剂可与料液一起从塔底或塔中加入 可用于大规模的连续生产和实验室的间隙精馏 4 恒沸精馏的操作温度通常比萃取精馏更低 更适合热敏性组分的分离 在液体混合物 原料液 中加入一个与其基本不相混溶的液体作为溶剂 造成第二相 利用原料液中各组分在两个液相中的溶解度不同 依靠两相间的密度差分相后 而使原料液混合物得以分离的单元操作 亦称溶剂萃取 简称萃取 联结线可以为无穷多个 各线均有一定的斜率 并且互不平行 在一定温度下 同一物系的联结线倾斜方向一般是一致的 但也有极少数物系的联结线倾斜方向是不一致的 常用的分离单元操作 选用的溶剂称为萃取剂 以S表示 原料液中易溶于S的组分 称为溶质 以A表示 难溶于S的组分称为原溶剂 或稀释剂 富含目的产物 A 的一相称为萃取相 E 另一相称为萃余相 R 碘与水的混合物用CCl4萃取 1 萃取过程中相互接触的两相均为液相 2 分离依靠两相间的密度差或外界输入能量而分离 界面张力以及两相的黏度等物理性质非常重要 3 与吸收相仿 萃取操作并未有得到纯净的组分 而是新的混合液 操作工序 分离装置必须联合 吸收 解吸联合 萃取 脱溶剂联合4 可以在任何温度和压力下进行操作 5 处理能力大 分离效果好 回收率高 可以连续操作和易于自动化 过程特点 3 萃取剂回收的难易与经济性萃取后的E相和R相 通常以蒸馏的方法进行分离 萃取剂回收的难易直接影响萃取操作的费用 从而在很大程度上决定萃取过程的经济性 因此 要求萃取剂S与原料液中的组分的相对挥发度要大 不应形成恒沸物 并且最好是组成低的组分为易挥发组分 若被萃取的溶质不挥发或挥发度很低时 则要求S的汽化热要小 以节省能耗 4 萃取剂的其它物性密度差 萃取剂与被分离混合物有较大的密度差 特别是对没有外加能量的设备 可使两相在萃取器中能较快的分层 提高设备的生产能力 界面张力 萃取物系的界面张力较大时 分散相液滴易聚结 有利于分层 但界面张力过大 则液体不易分散 难以使两相充分混合 反而使萃取效果降低 界面张力过小 虽然液体容易分散 但易产生乳化现象 使两相较难分离 因之 界面张力要适中 溶剂的粘度 溶剂的粘度低 有利于两相的混合与分层 也有利于流动与传质 故当萃取剂的粘度较大时 往往加入其它溶剂以降低其粘度 其它因素 如具有化学稳定性和热稳定性 对设备的腐蚀性要小 来源充分 价格较低廉 不易燃易爆等 溶质和萃取剂之间的化学作用 1 络合反应如果被萃物以中性分子存在 萃取剂也以中性分子存在 两者通过络合 结合成中性的溶剂络合物 实现相转移 进入有机相 这类化学作用为络合反应 在湿法核燃料处理工艺中 用磷酸三丁酯 TBP 萃取硝酸铀酰是典型的络合反应萃取 2 阳离子交换反应在阳离子交换反应中 萃取剂一般为弱酸性有机物HA或者H2A 金属离子在水相中以阳离子Mn 或者能解离为阳离子的络合离子存在 萃取过程中 水相中的金属离子Mn 取代萃取剂中的H 因而被结合转移到萃取相中 Mn w n H A o MAn o nH w 例如 使用可显阴离子的有机萃取物萃取金属离子 3 离子缔合反应常见于金属萃取中的离子缔合反应主要用于阴离子萃取 金属离子在水相中形成络合阴离子 萃取剂则与H 结合成阳离子 二者形成离子缔合物进人有机相 除了上述几种化学反应类型外 在协同萃取体系中还利用了加合反应 2 超临界流体的特性 2 传递性能优异 扩散系数比液体大约10 100倍 热导率与液体接近 表超临界流体的传递特性气体 液体和SCF物理特征比较 1 兼有气体及液体双重特性 密度接近液体 粘度接近气体 降低了与之相平衡的液相黏度和表面张力 并且提高了平衡液相的扩散系数和热导率 有利于传质和热传导性 3 超临界萃取的原理 超临界流体萃取分离过程的原理是利用超临界流体的溶解能力与其密度的关系 即利用压力和温度对超临界流体溶解能力的影响而进行的 在超临界状态下 超临界流体具有很好的流动性和渗透性 将超临界流体与待分离的物质接触 使其有选择性地把极性大小 沸点高低和分子量大小的成分依次萃取出来 然后借助减压 升温或吸附的方法使超临界流体变成普通气体 被萃取物质则完全或基本析出 从而达到分离提纯的目的 所以在超临界流体萃取过程是集萃取和分离于一体的分离过程 2 什么是吸附 在一定条件下 一种物质的分子 原子或离子能自动地附着在某固体表面上的现象 或者在任意两相之间的界面层中 某物质的浓度能自动地发生变化的现象 皆称为吸附 adsorption 吸附质 被吸附的物质 氮气 水蒸气 苯或环己烷的蒸汽等吸附剂 起吸附作用的固体 硅胶 分子筛 活性炭等 固体表面是不均匀的 有表面张力和过剩吉布斯自由能 不能弯曲 靠吸附来降低 吸附的本质 固体物质表面对气体或液体分子的吸着现象称为吸附 其中的固体物质称为吸附剂 被吸附的物质称为吸附质 吸附可分为物理吸附与化学吸附两类 物理吸附也称为范德华吸附 它是吸附剂分子与吸附质分子间吸引力作用的结果 其结合力较弱 容易脱附 提高温度和降低吸附质在气相中的分压 吸附质将以原来的形态从吸附剂解吸下来 所以物理吸附是可逆的 吸附分离过程正是利用物理吸附的这种可逆性 2 两水相体系的类型 可形成双水相的体系很多 主要有两大类 1 高聚物 高聚物体系 如聚乙二醇 PEG 葡聚糖 dextran Dx 聚丙二醇 polypropyleneglycol 聚乙二醇和甲基纤维素 methylcellulose 葡聚糖等 2 高聚物 盐体系 如PEG 磷酸钾 KPi PEG 磷酸铵 PEG 硫酸钠等 PEG 无机盐系统的上相富含PEG 下相富含无机盐 绝大多数天然的或者合成的亲水性高聚物的水溶液在与第二种亲水性高聚物混合时 超过一定的浓度范围时就会产生两相 两种高聚物分别溶于互不相溶的两相中 形成所谓的双水相体系 高聚物之间的不相溶性 使高聚物分子之间有空间阻碍作用 使之相互之间无法渗透 出现分相的倾向 当满足一定的成相条件时 即可分为两相 影响物质分配平衡的因素除了静电作用 疏水作用 界面作用等因素外 影响双水相分配平衡的因素还有很多主要包括 1 聚合物的种类 平均分子量及浓度 2 成相盐的种类及浓度 3 体系pH值及其它盐的种类及浓度 4 体系所含茵体或细胞的种类及含量 5 体系温度 离子交换树脂的性能参数 1 交联度表征骨架性能的参数 是指交联剂在反应物中所占的质量分数 一般以4 14 为宜 交联度大 树脂孔隙小 交换反应速度慢 选择性高 交联度小 树脂孔隙大 交换反应速度快 选择性低 2 粒度 通常为粒状 粒径为0 3 1 2mm 特殊用途小到0 04mm 3 亲水性 都具有亲水性 因此含有水分 含水量与官能团的性质和交联度有关 一般为40 50 4 密度 随水含量而异 阳离子交换树脂的密度为1300kg m3 阴离子为1100kg m3左右 5 溶胀性 离子交换树脂在水中由于水的渗透作用使体积增大 溶胀 溶胀与树脂的交联度 交联结构 基团及反离子的种类等有关 交联度大 溶胀小 弱酸和弱碱型树脂的溶胀度较大 6 稳定性 包括机械稳定性 热和化学稳定性 离子交换树脂 经历交换再生 膨胀收缩 机械强度是很重要的要求 树脂的使用温度范围 阳离子 120 阴 100 7 选择性 是树脂对不同反离子亲和力强弱的反映 亲和能力强 易吸附 表征活性基团的性能参数 每克干树脂所能交换的物质的量 mmol 决定于网状结构中活性基团的数目 交换容量由实验测得 一般为3 6mmol g 8 交换容量 补充一混合物内含Cl K Na Ag 各物质 现有强酸型和强碱型离子交换树脂 请写出如何完全分离各物质及具体步骤和原理 解 所需分离各物质均为阳离子故选用阳离子交换树脂 具体步骤 1物理处理 水洗 过筛 去杂 以获得粒度均匀的树脂颗粒 化学处理 酸 碱 酸最后以去离子水或缓冲液浸泡平衡 2湿法装柱 3将混合液通过强酸型阳离子交换柱交换 4用水淋洗分出Cl 再用0 1mol LHCl淋洗收集先后的洗脱液 先者为Na 后者为K 再后为Ag 所用原理为同性离子交换 并根据亲和力的不同 原子序数越后选择性越强 亲合力大小H Na K Ag Cl K Na Ag 的分离 K 亲和力 H Na K Ag 交换反应 强酸型阳离子交换树脂分离示例 Na K Ag 前一状态 洗脱 淋洗曲线 膜分离技术的特点 高效 简单 节能 大多数无相变 条件温和不损坏热敏感和热不稳定的物质 对药制剂 酶制剂 果汁等分离浓缩非常适用 易放大 易自动化 毒 害