分离科学与技术 第一章 现代分离科学概论 现代分离科学与技术 教学课件

分离科学与技术主讲：

丁霞

分离科学与技术主讲：丁霞1参考文献1.耿信笃著.现代分离科学理论导引.北京：高等教育出版社，20012.大矢晴彦著.

分离的科学与技术.张谨译.北京：中国轻工业出版社，19993.丁明玉等著.现代分离方法与技术.化学工业出版社，20064.胡小玲等著.化学分离原理与技术.化学工业出版社，20065.陈欢林著.新型分离技术.化学工业出版社，20066.袁黎明著.制备色谱技术及应用.北京：化学工业出版社，20057.安树林著.膜科学技术教程.北京：化学工业出版社，2005参考文献1.耿信笃著.现代分离科学理论导引.北京：高等教育2教学计划（32学时）第一章现代分离科学概论第二章经典的分离技术第三章膜分离技术第四章制备色谱技术第五章新型萃取技术第六章手性分离技术第七章生物分离技术教学计划（32学时）第一章现代分离科学概论3第一章现代分离科学概论

第一节现代分离科学的特点与任务第二节分离科学的基本概念第三节分离的热力学限制第四节现代分离法分类学说简介第一章现代分离科学概论

第一节现代分离科学的特点与任务4物质的分离是化学中最基本的研究手段，也是最重要的实验技术.。分离是利用物质的物理,化学,及生物化学性质的差异来实现的。与物质的分离有关常见术语：分离提取富集：摩尔分数小于0.1组分的分离浓缩：摩尔分数处0.1-0.9间组分纯化：摩尔分数大于0.9组分的分离拆分：手性化合物的分离干燥物质的分离是化学中最基本的研究手段，也是最重分离是利用物质的5

人们对“分离”一词的反应是强烈的，比如亲人间、朋友间的分离大多是痛苦的。因此人类社会的分离要考虑是否有必要。物质分离也要考虑是否有必要，因为它是需要付出代价的。作为物质分离，在科学研究和工业生产中，在日常生活中也无处不在。人们对“分离”一词的反应是强烈的，比如亲人间、朋友间6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）;榨果汁环境保护:污水治理;垃圾分类；医药卫生：抗菌素的纯化；血透;病毒的分离能源:铀的富集日常生活中的分离饮食起居:自来水(过滤);净水器（分离膜/吸7分离的定义

分离是利用混合物中各组分在物理性质或化学性质上的差异,通过适当的装置或方法,使各组分分配至不同的空间区域或者在不同时间依次分配至同一空间区域的过程.部分分离与完全分离制备性分离与分析性分离分离的定义分离是利用混合物中各组分在物理性质或化学性质8在分离过程中，组分需迁移（即分子向一定方向移动）并在分离体系的空间中进行再分配，因为迁移还涉及到所需的驱动力、体系的宏观和微观性质、分子本身的结构、试样本身的性质以及分离能进行到什么程度等各方面的因素，分离过程的影响因素极为复杂,这也是分离科学成为一门独立学科的原因.近年来，由于精细化工、生命科学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臻完善，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。在分离过程中，组分需迁移（即分子向一定方向移动）并在分离9分离科学的定义分离科学是研究从混合物中分离、富集或纯化某些组分以获得相对纯物质的规律及其应用一门学科。它是研究物质在分子水平上的空间分布和移动规律的一门科学.分离科学的定义分离科学是研究从混合物中分离、富集或纯化某10分离科学的研究内容分离过程的共同规律

分离过程中的热力学动力学理论等各种不同分离技术的分离原理方法设备与应用分离科学的研究内容分离过程的共同规律11①分离过程中的热力学;功能量方向与限度平衡②分离过程中的动力学;溶质的迁移和扩散速度与效率③分离过程中发生在界面上的计量置换；④平衡分离的分子学基础；⑤疏水效应；⑥分离过程中的最优化；⑦分离方法的简介和比较①分离过程中的热力学;功能量方向与限度平衡12分离科学与技术的发展史与现状经典分离方法与技术历史悠久现代分离技术的产生及分离科学的建立现状是空前活跃分离科学与技术的发展史与现状经典分离方法与技术历史13经典分离方法与技术历史悠久炼铜冶铁（几千年前）酿酒制糖（明[天工开物]）手工作坊,单元操作两个阶段经典分离方法与技术历史悠久14

随着现代工业的发展和科学技术的不断进步，人们对分离技术提出了越来越高的要求，促进了分离理论及新技术的研究，逐步掌握了分离理论及技术的规律，建立了接近于实际情况的数学模型，使各种新的现代分离技术不断涌现，形成了崭新的现代分离科学。

现代分离科学的建立随着现代工业的发展和科学技术的不断进步，人们对分离技术15分离科学的现状从20世纪80年代初开始，在国外愈来愈多的大学里设立了“现代分离科学”课程。课程内容不断更新，国际上每年多次召开以分离科学为内容的学术会议，仅以“高效液相色谱”及“毛细管电泳”命名的国际会议每年就有十几次。近几年来，美国、俄罗斯、日本以及其它许多工业化程度较高的国家都相继建立了各种专门的研究机构和开发公司，新成立的仅以“分离科学”和“分离技术”命名的公司就有上百家。目前在研究分离过程和技术进展方面出现空前未有的踊跃局面。各种新的现代分离技术不断涌现;建立了接近于实际情况的数学模型分离科学的现状从20世纪80年代初开始，在国外16第一节现代分离科学的特点与任务一、分离科学与现代分离科学二、现代分离科学的特点三、现代分离科学研究的内容四、现代分离科学的发展动向第一节现代分离科学的特点与任务一、分离科学与现代分离科学17新型分离技术的分类新型分离技术大致可分为三大类：

第一类：对传统分离过程或方法加以变革后的分离技术：如基于萃取的超临界流体萃取(supercritial-fluidextraction)、液膜萃取(liquidmembraneextraction)以及基于吸附的色谱分离、分子蒸馏（moleculardistillation）又称短程蒸馏。

第二类：基于材料科学发展形成的分离技术：如反渗透（reverseosmosis)、超滤（ultrafiltration)、气体渗透、渗透汽化（pervaporation）等膜分离技术。

第三类：膜与传统分离相结合形成的分离技术（耦合与集成技术）：如膜吸收（membrane-basedabsorption）、膜萃取（membrane-basedextraction）、亲和超滤（affinityultrafiltration)、膜反应器（membranereaction）等。新型分离技术的分类新型分离技术大致可分为三大类：

第一18现代分离科学与技术的发展趋势利用方法间的共性，探讨方法间的联系和统一理论和数学模式的表达将新技术、新材料引入分析技术中，发展新分离原理和方法;解决现代科技和生产过程中重大的分离和纯化问题;利用现代分析手段，如波谱、电镜、粒子束分析研究分离过程机理，探讨分离过程动力学及其模型;计算机模拟分离过程和数学模型的建立;多种分离方法和技术联用，研究最优化分离条件;分离发现新的重要物质;利用电、磁、光、热等建立无污染的分离过程.现代分离科学与技术的发展趋势利用方法间的共性，探讨方法间的联19二、现代分离科学的特点分离过程使用最新的技术，例如：激光、计算机、微生物及电子技术等；分离的对象为生物工程及现代化工业产品，如生命科学中的蛋白质、核酸、酶及多糖等的分离和纯化，原子能科学中同位素的分离，材料科学中新材料的制备等提出新的分离原理，发展新的分离方法和技术二、现代分离科学的特点分离过程使用最新的技术，例如：激光、计20对分离技术观念上的更新：经典分离法评价分离方法的优劣，仅从宏观效果，如对有关物质的回收率、分离度（如色谱分离中的R值，反映了分离的效果）等指标进行评估。而现代分离科学对某些体系，如蛋白质药物的分离，除上述指标外，还要对其分离过程中微观变化、分子构象进行评估，它将直接影响蛋白质的生物活性。对分离技术观念上的更新：经典分离法评价分离方法的优劣，21三、

现代分离科学的重要性（1）促进传统分离科学的进步。（2）实现本世纪科学目标的重要手段。（3）“三废治理”

（４）新物质的发现与研究（5）探索宇宙的奥秘是生产活动科学研究必不可少的手段三、现代分离科学的重要性22四、现代分离科学研究的内容

各种表面上看来毫无联系的各分离方法之间的共同规律，例如组分在相及界面迁移过程中发生了什么变化，它对分离产生了什么样的影响，如何强化对分离有利的因素和抑制那些不利的因素；选择现代科学技术中对分离和纯化要求最迫切的对象进行研究，以提高经济效益，解决生产中的关键问题；

四、现代分离科学研究的内容各种表面上看来毫无联系的各分离23如何将现代科技中最先进的技术和材料应用于分离技术中

将各种分离方法联用，研究最优化的分离条件分离出迄今尚未发现的新物质

寻求新的分离原理及方法等如何将现代科技中最先进的技术和材料应用于分离技术中24第二节分离科学的基本概念一.回收因子二.分离因子三.纯度四.富集倍数第二节分离科学的基本概念25回收因子回收因子Ri

反映被分离物在分离过程中损失量的多少,是分离方法准确度的表征.

Ri为实际回收量Q占样品中总量Q0的分数。它的数学表达式为:

(1.1)

测定方法:标准加入法与标准样品法回收因子回收因子Ri26分离因子表示某一单元分离操作或某一分离流程中两种物质被分离的程度。它与两种物质的回收率有关.回收率相差越大,分离效果越好.表示两种组分被分离的难易程度分离因子表示某一单元分离操作或某一分离流程中两种物质被分离的27分离因子SB/A

对于A，B二种组分而言，A为欲分离的组分，B为伴随组分，其B对A的分离因子定义为

或（1.2）因在一般定量分离中，RA≈1,所以（1.3）

由此可见，在分离过程中，要求B对A的分离因子愈小愈好，即RB值愈小愈好。反之A对B的分离因子越大越好.分离因子SB/A28分离因子取决于两个因素：（1）样品中B对A的比例即； （2）实现分离后二者的比例即

。

表1.1在不同和时的值

0.1/99.9≈0.0010.055×10－5

1/99≈0.010.022×10－4

10/90≈0.10.010.00150/50＝10.0020.00290/10≈100.0010.0199/1≈1000.0010.1分离因子取决于两个因素：0.1/99.9≈0.0029纯度

纯度系指分离产物中主成分含量高低或所含杂质的多少。生物制品的纯度:蛋白质等物质以比活及杂质含量来确认其纯度.即单位纯蛋白质质量的活性来定义蛋白质的比活。因纯蛋白的比活是一定的，所以比活愈高，则表明该蛋白的纯度愈高。同时测定杂质含量.

纯度30（1）给药次数（2）杂质对人体的有害程度一般95%

(3)对分离指标的要求(结构分析,定量分析)影响纯度的要求的因素影响纯度的要求的因素31

富集倍数富集对象是微量和痕量组分,对富集倍数的要与最初浓度及分析技术的灵敏度高低有关富集倍数=目标组分的回收率/基质组分的回收率ⅠⅡ富集倍数ⅠⅡ32第三节分离的热力学限制

一、混合的熵二、分离-----负熵的生成三、能量的种类四、分离的理论耗能量五、分离的热力学限制第三节分离的热力学限制33分离的热力学限制(a)+（b+c+d)+…(a+b+c+d+…)(a)(a)(稀释)熵值增大的自发过程(单相体系)在分离过程中所做的各种努力不外乎两方面：一、尽可能增大分离的驱动力二、努力减小体系的熵值分离的热力学限制(a)+（b+c+d)+…34

一.混合的熵

分离与混合是互为相反的过程，假设在图1.1所示的用隔膜分开的两个小室内，分别存在着处于同一压力p下的，可看作是理想气体纯组分的A和B，其物质的量分别为nA和nB。如果取掉这层隔膜，组分A和B就要进行扩散而相互混合，最终变成均匀的混合物，正如所知那样，此时混合的熵依下式增大：

一.混合的熵35图1.1

成分AnA［mol］

成分BnB［mol］混合分离混合物（A+B)(nA+nB)［mol］

隔膜图1.1成分AnA［mol］成分B36

若混合物为1mol,

则有：其中，分别为组分A和B的摩尔分数。若则若混合物为1mol,37

［例题1.1］常温、常压(300K,101.3kPa)下，空气由摩尔分数为79%的N2和21%的O2组成，试求当N2与O2分别由纯组分按上述组成混合为1m3这样的空气，因混合而增大的熵。［例题1.1］38

解：将xA=0.79,xB=0.21代入（1.7）式中，则1mol空气熵的变化为把空气作为理想气体，使用理想气体状态方程PV=nRT，就可求出1m3空气混合物所相当的物质的量即

则解：将xA=0.79,xB=0.21代入（1.7）式中，则39

［例题1.2］常温海水是由质量分数3.5%的NaCl（摩尔质量5.85×10-2kg/mol）和水组成的。按此组成用水与NaCl混合成为海水1000kg，试求由于混合而增大的熵。（这里，海水可视为理想溶液）。［例题1.2］40解：因为NaCl的质量分数3.5%，所以1000kg海水中，水为965kg。设nA为NaCl的物质的量，nB为水的物质的量，则解：因为NaCl的质量分数3.5%，所以1000kg海水中，41代入式(1.7)中代入式(1.7)中42稀释熵稀释熵43二.分离 负熵的生成（熵的减少）

由上面的讨论可以看到，混合是使熵增大的过程，所以是自然发生的现象。与之相反，要把熵增大了的混合物（A+B）分离成纯组分A和B，返回原先的状态，就必须把增大了的熵用某一方法除去。换句话说，就是必须要把负的熵加到混合物(A+B)上。二.分离 负熵的生成（熵的减少）44

那么怎样做才能产生负熵呢？向体系提供能量（热或功）。让我们先就大家熟知的分离方法蒸馏及其装置来分析一下吧。图1.2所示就是蒸馏器。加热下部的烧瓶，冷却上部的冷凝器，就可以把混合溶液分离成馏出液与釜残液。如果在精馏塔柱的部分是绝热的，与外界没有热量交换，下部烧瓶的温度为T1，稳定地把热量Q供给蒸馏器，上部冷凝器温度为T2且(T2<T1),那么怎样做才能产生负熵呢？45

图1.2蒸馏器覆套式电阻加热器原料烧瓶温度计精馏塔冷却器回流容器冷却水图1.2蒸馏器覆套式电阻加热器原料烧瓶温度计精馏塔冷却器46

则可把这个热量Q稳定地从蒸馏器取出。此时，在烧瓶处进入系统的熵是Q/T1,而在冷凝器处带出系统的熵是-Q/T2，因此,在整个蒸馏装置中，熵的变化可由下式表示:

可见，在蒸馏装置内，熵的变化是负值。则可把这个热量Q稳定地从蒸馏器取出。此时，在47

把这些能量巧妙地作用于混合物各组分那些有差异的性质上，就可进行混合物的分离。上述蒸馏装置的例子，是利用了混合物的蒸气压。为了在装置中能够利用各组分间蒸气压的差异，则需在操作压力下，使下部烧瓶的加热温度为T1，来确保易挥发组分的蒸气压，即从外部提供分离所需的能量——气化潜热。把这些能量巧妙地作用于混合物各组分那些48

但若混合物中各组分的蒸气压大致相同，或混合物是由几乎不能蒸发的组分组成的，上述的蒸馏装置也就失去了分离作用。这就需要根据混合物各组分其他性质的差异来确定分离方法。但若混合物中各组分的蒸气压大致相同，或49三.能量的种类一般地，只要向某个系统投入能量，就可以使之产生负熵。而作为能量的存在形式，有各种各样。（1）力学能：机械能、流体动能、位能；（2）热能；（3）电能；（4）化学能：浓度差、化学结合能；（5）光能；（6）核能。

三.能量的种类50四.分离的理论耗能量

把混合物变成各个纯组分的分离，是一件十分类似于把凌乱的房间收拾整洁的过程。当我们要把散乱的报纸、杂志、CD唱片、坐垫等物品整理归回到报纸架、杂志架、书橱、CD盒、唱片盒、壁橱等处时，我们就要在房间里来回走动，因此而消耗了能量，这是收拾房间的情况。如果不太乱，收拾起来会轻松些，会少消耗些能量。但若乱的一塌糊涂，收拾的工作量就很大，消耗的能量也会比较多。另外对于不同的人，即对于是否擅长收拾的人来说，能量的消耗程度也会有很大差别。四.分离的理论耗能量51

分离混合物的过程也是如此。把只含有少量不纯组分的混合物分离成纯组分，使用较少的能量就可以了。当然，采用的分离方法和过程不一样，所消耗的能量也会不同。分离混合物的过程也是如此。把只含有少52

热力学理论认为，如果分离是在恒温恒压条件下进行的，那么其耗能量即为分离的理论耗能量（最小功）。将图1.1所示的混合气体看作是理想气体，在温度T下分离为各自纯组分A和B则所需的最小功，可由（1.7）式改写为下式:

(1.10)

53

若混合物为1mol则(1.11)

使用上式可以求得无因次功(Wmin.T/RT)与组分A摩尔分数xAF的关系。图1.3给出了这个计算的结果。由图可见，对半的混合物，即xAF＝0.5，分离所需的功最大。图1.4则给出了要得到1molA组分纯产物，其分离所需最小功与组成xAF之间的函数关系。当xAF很小时，最小功急剧增大，若xAF接近0，最小功将趋于无限大。

若混合物为1mol54图中是指将1mol双组分理想混合物分离为各自纯组分所需要的最小功图中是指将1mol双组分理想混合物分离为各自纯组分所需要55图中是指从理想的混合物中分离出1mol纯组分A需要的最小功图中是指从理想的混合物中分离出1mol纯组分A需要的最小56

［例题1.3］将例题1.1所述状态的空气1m3，在300K下，分离为纯组分N2和O2，求所需的最小功。解：1mol的混合物把空气作为理想气体，使用理想气体状态方程PV=nRT，就可求出1m3空气混合物所相当的物质的量.［例题1.3］将例题1.1所述状态的空气1m3，在300K57图1.1成分AnA［mol］成分BnB［mol］混合物（A+B)(nA+nB)［mol］图1.1成分AnA［mol］成分B58解：由例题1.1的解可知：

则：解：由例题1.1的解可知：59多组分分离的负熵多组分分离的负熵60分离科学与技术第一章现代分离科学概论现代分离科学与技术教学课件61

而实际中的混合物常常是多组分非理想混合溶液，要想把各个组分都分离为纯产物是不可能的。设混合物F由J个组分组成，要分离为i个产品时，根据King的理论，在恒温、恒压的操作条件下，将1mol混合物进料，从原料浓度的xjF分离提纯至产品浓度xji所需的最小功应为：而实际中的混合物常常是多组分非理想混合溶液，要想把各个62

式中

分别是原料F和产品i中j组分的活度系数；产品i所占进料的摩尔分数；

产品i中j组分的摩尔分数

分离科学与技术第一章现代分离科学概论现代分离科学与技术教学课件63

设一个双组分A和B的混合物,且为理想溶液(为1.0)。则将其分离成产品（1，2）所需的最小功为：

(1.13)设一个双组分A和B的混合物,且为理想溶液64第四节分离过程与分离方法分类分离过程示意图力学能：机械能、流体动能、位能、热能化学能：溶度差、化学结合能、电能、光能、核能等

对各组分所特有的性质差作用能量或分离剂原料物流（一个或数个）分离装置两个以上的产品物流（浓度不同）第四节分离过程与分离方法分类分离过程示意图力学能：机械能、65可用于分离的性质

物理方面的性质

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，磁化率

输送性质扩散系数，分子飞行速度

化学方面的性质

热力学性质反应平衡常数，离解常数，电离电位反应速度性质反应速度常数

生物学方面的性质生物学亲和力，生物学吸附平衡，生物学反应速度常数

可用于分离的性质物理方面的性质力学性质密度66分离方法分类物理分离法如离心分离,电磁分离化学分离法如沉淀分离物理化学分离法如电泳,区带熔融按可被利用的性质分类分离方法分类物理分离法如离心分离,电磁分离按可被利用的67速度差分离过程:输入能量，强化特殊梯度场的方法.

平衡分离过程:输入能量，使原混合物系形成新的相界面的方法.

反应分离过程:输入能量，促进反应的方法.

大矢晴彦的分类法速度差分离过程:输入能量，强化特殊梯度场的方法.大矢晴68速度差分离

利用组分的移动速度差进行分离的方法－－速度差分离当原料是由固体和液体，或者是固体和气体，或者是液体和气体所构成的非均相混合物时，就可以利用力学能量如重力或压力来对它们进行分离。例如，在固－液或者固－气系统中，当固体粒子尺寸较大，处于重力场时短时间内就可以沉下去或是浮上来而实现分离。速度差分离69

然而当固体粒子较小，两相密度差又较小时，粒子下沉或上浮的速度会很低，这时就要用到离心力场，甚至超高速离心力场或者过滤材料等来形成移动速度差，才能实现分离。进一步当粒子尺寸小到与分子的大小相当时，还要用到下面要讲的驱动力来强化移动速度的差别，进行分离。然而当固体粒子较小，两相密度差又较小时，粒子下沉或上浮70

像这样，利用重力梯度、压力梯度、温度梯度、浓度梯度、电位梯度等场中，各组分的移动速度存在差异，而进行分离的方法均为速度差分离操作。例如，将电解质溶液置于直流电场中，并把阳离子交换膜作为分离介质，在电位梯度的作用下，溶液中的荷电离子就要移动。这时具有选择性的阳离子交换膜只允许阳离子优先通过，于是就实现了对阳离子的分离。当然，为了保持电中性，还需再使用一枚阴离子交换膜。成对地使用阴阳离子交换膜，就可对电解质物质进行分离浓缩或是除去。这就是电渗析法。像这样，利用重力梯度、压力梯度、温度梯度、浓度梯度、电71

把各种速度差分离操作，按所利用的能量及其与场的组合整理分类，列表于1.3中。能够产生速度差的场，又可以分为空荡荡的均一空间和存在着某种介质的非均一空间。非均一空间一般指多孔体，其孔径大至毫米，小至分子尺寸，范围很广。把各种速度差分离操作，按所利用的能量及其与场的组合整理72速度分离操作速度分离操作73平衡分离过程

使用不互溶的两个相界面上的平衡关系，来对由气体或者液体的均相混合物进行分离－－平衡分离过程。前述图1.2所示的蒸馏过程，就是利用了下部烧瓶被加热所产生的蒸气与上部冷凝器冷凝所形成的液相，这两者之间的气液平衡关系，使易挥发组分集于气相，使难挥发组分集于液相，从而将液相均相混合物分离成塔顶的馏出组分与塔底的釜残组分。表1.4所列是具有代表性的平衡分离操作。

平衡分离过程74以从第1相移向第2相为主的平衡分离操作示例

第2相第1相气相SCF相液相固相气相××气提脱吸蒸发升华蒸馏（冷冻干燥）SCF相××SCF萃取SCF萃取液相吸收SCF吸收萃取固体萃取蒸馏带域熔融（Zonemelting）固相吸附SCF吸附晶析×逆升华吸附以从第1相移向第2相为主的平衡分离操作示例第1相75超临界流体（SCF）：处于临界温度（Tc）和临界压力（Pc）以上介于气体和液体之间的流体.SCF密度与液体相近，粘度与气体相近，扩散系数比液体大100倍

超临界流体（SCF）：处于临界温度（Tc）和临界压力（Pc）76反应分离利用反应进行分离操作的方法很多。例如，通过调整PH值，把溶解于水中的重金属变成氢氧化物的不溶性结晶而沉淀分离的方法；利用离子交换树脂的交换平衡反应的离子交换分离法；以及通过微生物进行生物反应，将溶解于水中的有机物质分离除去的方法等等，都可以看作是反应分离操作。

反应分离利用反应进行分离操作的方法很多。例如，通过调整P77

反应分离操作

反应体

再生型可逆的或平衡交换反应分离离子交换，螯合交换反应，反应萃取，反应吸收一次性不可逆反应分离反应吸收，反应晶析，中和沉淀，氧化，还原（化学解吸）生物体活性污泥无反应体

电化学反应

湿式精炼反应分离操作再生型可逆的或平衡交换反应分离离子交78分离的实质是溶质在空间的迁移和再分配Giddings认为分离过程是由化学势和流共同控制。所有的分离都是在沿着流的方向，在化学势模式的控制下实现的。流:表示一个相相对于另一相依照外加场的方向或相对于膜进行的移动。

化学势(偏摩尔势能):恒温恒压条件下，在指定组成的无限体系中，加入1mol的B物质引起体系的Gibbs能的改变。也就是说，在指定条件下1mol的B物质对体系的G的贡献(表示成分变化对能量变化的影响)。

化学势：连续c、不连续d、混合cd

流：静止S、平行F(=)、垂直F(+)Giddings场－流分类法分离的实质是溶质在空间的迁移和再分配Giddings场－流分79在分离过程中的五种化学势模式c1模式d1模式cd模式c2有极小值的连续模式d2模式0化学势距离在分离过程中的五种化学势模式c1模式d1模式cd模式c2有极80连续μ*模式不连续μ*模式连续与非连续μ*相结合模式ScSdScdF(=)cF(=)dF(=)cdF(+)cF(+)dF(+)cd九种基本分离领域连续μ*模式不连续μ*模式连续与非连续μ*相结合模式ScSd81各种分离方法的基本归类

流\化学势cdcdS电泳萃取电沉积等电聚焦吸附电沉降速率-区带沉降结晶电渗等密度沉降等蒸发等平衡沉降等F(=)淘析过滤逆流电泳超滤可逆电渗等F(+)色谱场级分馏逆流分配热重分离精馏电倾析浮选分离等各种分离方法的基本归类

流\化学势cdcdS电泳萃取电沉积等82表中的分组排列或多或少地改变了大部分分离方法传统的分类，如：（1）色谱、逆流分配与精馏；（2）电泳与速率－区带沉降；（3）等电聚焦与等密度沉降；（4）可逆电渗与超滤；（5）萃取与沉淀等分别列在同一领域中。

表中的分组排列或多或少地改变了大部分分离方法传统的分类，如：83

课后作业:

1.写出有关分离科学的专著中英文各5本.2.列举有关分离科学的中英文期刊各5本.3.重点推荐有关分离科学一本期刊与专著.4.出练习题５.与课题研究相关的分离技术．

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分离科学与技术主讲：

丁霞

分离科学与技术主讲：丁霞85参考文献1.耿信笃著.现代分离科学理论导引.北京：高等教育出版社，20012.大矢晴彦著.

分离的科学与技术.张谨译.北京：中国轻工业出版社，19993.丁明玉等著.现代分离方法与技术.化学工业出版社，20064.胡小玲等著.化学分离原理与技术.化学工业出版社，20065.陈欢林著.新型分离技术.化学工业出版社，20066.袁黎明著.制备色谱技术及应用.北京：化学工业出版社，20057.安树林著.膜科学技术教程.北京：化学工业出版社，2005参考文献1.耿信笃著.现代分离科学理论导引.北京：高等教育86教学计划（32学时）第一章现代分离科学概论第二章经典的分离技术第三章膜分离技术第四章制备色谱技术第五章新型萃取技术第六章手性分离技术第七章生物分离技术教学计划（32学时）第一章现代分离科学概论87第一章现代分离科学概论

第一节现代分离科学的特点与任务第二节分离科学的基本概念第三节分离的热力学限制第四节现代分离法分类学说简介第一章现代分离科学概论

第一节现代分离科学的特点与任务88物质的分离是化学中最基本的研究手段，也是最重要的实验技术.。分离是利用物质的物理,化学,及生物化学性质的差异来实现的。与物质的分离有关常见术语：分离提取富集：摩尔分数小于0.1组分的分离浓缩：摩尔分数处0.1-0.9间组分纯化：摩尔分数大于0.9组分的分离拆分：手性化合物的分离干燥物质的分离是化学中最基本的研究手段，也是最重分离是利用物质的89

人们对“分离”一词的反应是强烈的，比如亲人间、朋友间的分离大多是痛苦的。因此人类社会的分离要考虑是否有必要。物质分离也要考虑是否有必要，因为它是需要付出代价的。作为物质分离，在科学研究和工业生产中，在日常生活中也无处不在。人们对“分离”一词的反应是强烈的，比如亲人间、朋友间90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）;榨果汁环境保护:污水治理;垃圾分类；医药卫生：抗菌素的纯化；血透;病毒的分离能源:铀的富集日常生活中的分离饮食起居:自来水(过滤);净水器（分离膜/吸91分离的定义

分离是利用混合物中各组分在物理性质或化学性质上的差异,通过适当的装置或方法,使各组分分配至不同的空间区域或者在不同时间依次分配至同一空间区域的过程.部分分离与完全分离制备性分离与分析性分离分离的定义分离是利用混合物中各组分在物理性质或化学性质92在分离过程中，组分需迁移（即分子向一定方向移动）并在分离体系的空间中进行再分配，因为迁移还涉及到所需的驱动力、体系的宏观和微观性质、分子本身的结构、试样本身的性质以及分离能进行到什么程度等各方面的因素，分离过程的影响因素极为复杂,这也是分离科学成为一门独立学科的原因.近年来，由于精细化工、生命科学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臻完善，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。在分离过程中，组分需迁移（即分子向一定方向移动）并在分离93分离科学的定义分离科学是研究从混合物中分离、富集或纯化某些组分以获得相对纯物质的规律及其应用一门学科。它是研究物质在分子水平上的空间分布和移动规律的一门科学.分离科学的定义分离科学是研究从混合物中分离、富集或纯化某94分离科学的研究内容分离过程的共同规律

分离过程中的热力学动力学理论等各种不同分离技术的分离原理方法设备与应用分离科学的研究内容分离过程的共同规律95①分离过程中的热力学;功能量方向与限度平衡②分离过程中的动力学;溶质的迁移和扩散速度与效率③分离过程中发生在界面上的计量置换；④平衡分离的分子学基础；⑤疏水效应；⑥分离过程中的最优化；⑦分离方法的简介和比较①分离过程中的热力学;功能量方向与限度平衡96分离科学与技术的发展史与现状经典分离方法与技术历史悠久现代分离技术的产生及分离科学的建立现状是空前活跃分离科学与技术的发展史与现状经典分离方法与技术历史97经典分离方法与技术历史悠久炼铜冶铁（几千年前）酿酒制糖（明[天工开物]）手工作坊,单元操作两个阶段经典分离方法与技术历史悠久98

随着现代工业的发展和科学技术的不断进步，人们对分离技术提出了越来越高的要求，促进了分离理论及新技术的研究，逐步掌握了分离理论及技术的规律，建立了接近于实际情况的数学模型，使各种新的现代分离技术不断涌现，形成了崭新的现代分离科学。

现代分离科学的建立随着现代工业的发展和科学技术的不断进步，人们对分离技术99分离科学的现状从20世纪80年代初开始，在国外愈来愈多的大学里设立了“现代分离科学”课程。课程内容不断更新，国际上每年多次召开以分离科学为内容的学术会议，仅以“高效液相色谱”及“毛细管电泳”命名的国际会议每年就有十几次。近几年来，美国、俄罗斯、日本以及其它许多工业化程度较高的国家都相继建立了各种专门的研究机构和开发公司，新成立的仅以“分离科学”和“分离技术”命名的公司就有上百家。目前在研究分离过程和技术进展方面出现空前未有的踊跃局面。各种新的现代分离技术不断涌现;建立了接近于实际情况的数学模型分离科学的现状从20世纪80年代初开始，在国外100第一节现代分离科学的特点与任务一、分离科学与现代分离科学二、现代分离科学的特点三、现代分离科学研究的内容四、现代分离科学的发展动向第一节现代分离科学的特点与任务一、分离科学与现代分离科学101新型分离技术的分类新型分离技术大致可分为三大类：

第一类：对传统分离过程或方法加以变革后的分离技术：如基于萃取的超临界流体萃取(supercritial-fluidextraction)、液膜萃取(liquidmembraneextraction)以及基于吸附的色谱分离、分子蒸馏（moleculardistillation）又称短程蒸馏。

第二类：基于材料科学发展形成的分离技术：如反渗透（reverseosmosis)、超滤（ultrafiltration)、气体渗透、渗透汽化（pervaporation）等膜分离技术。

第三类：膜与传统分离相结合形成的分离技术（耦合与集成技术）：如膜吸收（membrane-basedabsorption）、膜萃取（membrane-basedextraction）、亲和超滤（affinityultrafiltration)、膜反应器（membranereaction）等。新型分离技术的分类新型分离技术大致可分为三大类：

第一102现代分离科学与技术的发展趋势利用方法间的共性，探讨方法间的联系和统一理论和数学模式的表达将新技术、新材料引入分析技术中，发展新分离原理和方法;解决现代科技和生产过程中重大的分离和纯化问题;利用现代分析手段，如波谱、电镜、粒子束分析研究分离过程机理，探讨分离过程动力学及其模型;计算机模拟分离过程和数学模型的建立;多种分离方法和技术联用，研究最优化分离条件;分离发现新的重要物质;利用电、磁、光、热等建立无污染的分离过程.现代分离科学与技术的发展趋势利用方法间的共性，探讨方法间的联103二、现代分离科学的特点分离过程使用最新的技术，例如：激光、计算机、微生物及电子技术等；分离的对象为生物工程及现代化工业产品，如生命科学中的蛋白质、核酸、酶及多糖等的分离和纯化，原子能科学中同位素的分离，材料科学中新材料的制备等提出新的分离原理，发展新的分离方法和技术二、现代分离科学的特点分离过程使用最新的技术，例如：激光、计104对分离技术观念上的更新：经典分离法评价分离方法的优劣，仅从宏观效果，如对有关物质的回收率、分离度（如色谱分离中的R值，反映了分离的效果）等指标进行评估。而现代分离科学对某些体系，如蛋白质药物的分离，除上述指标外，还要对其分离过程中微观变化、分子构象进行评估，它将直接影响蛋白质的生物活性。对分离技术观念上的更新：经典分离法评价分离方法的优劣，105三、

现代分离科学的重要性（1）促进传统分离科学的进步。（2）实现本世纪科学目标的重要手段。（3）“三废治理”

（４）新物质的发现与研究（5）探索宇宙的奥秘是生产活动科学研究必不可少的手段三、现代分离科学的重要性106四、现代分离科学研究的内容

各种表面上看来毫无联系的各分离方法之间的共同规律，例如组分在相及界面迁移过程中发生了什么变化，它对分离产生了什么样的影响，如何强化对分离有利的因素和抑制那些不利的因素；选择现代科学技术中对分离和纯化要求最迫切的对象进行研究，以提高经济效益，解决生产中的关键问题；

四、现代分离科学研究的内容各种表面上看来毫无联系的各分离107如何将现代科技中最先进的技术和材料应用于分离技术中

将各种分离方法联用，研究最优化的分离条件分离出迄今尚未发现的新物质

寻求新的分离原理及方法等如何将现代科技中最先进的技术和材料应用于分离技术中108第二节分离科学的基本概念一.回收因子二.分离因子三.纯度四.富集倍数第二节分离科学的基本概念109回收因子回收因子Ri

反映被分离物在分离过程中损失量的多少,是分离方法准确度的表征.

Ri为实际回收量Q占样品中总量Q0的分数。它的数学表达式为:

(1.1)

测定方法:标准加入法与标准样品法回收因子回收因子Ri110分离因子表示某一单元分离操作或某一分离流程中两种物质被分离的程度。它与两种物质的回收率有关.回收率相差越大,分离效果越好.表示两种组分被分离的难易程度分离因子表示某一单元分离操作或某一分离流程中两种物质被分离的111分离因子SB/A

对于A，B二种组分而言，A为欲分离的组分，B为伴随组分，其B对A的分离因子定义为

或（1.2）因在一般定量分离中，RA≈1,所以（1.3）

由此可见，在分离过程中，要求B对A的分离因子愈小愈好，即RB值愈小愈好。反之A对B的分离因子越大越好.分离因子SB/A112分离因子取决于两个因素：（1）样品中B对A的比例即； （2）实现分离后二者的比例即

。

表1.1在不同和时的值

0.1/99.9≈0.0010.055×10－5

1/99≈0.010.022×10－4

10/90≈0.10.010.00150/50＝10.0020.00290/10≈100.0010.0199/1≈1000.0010.1分离因子取决于两个因素：0.1/99.9≈0.00113纯度

纯度系指分离产物中主成分含量高低或所含杂质的多少。生物制品的纯度:蛋白质等物质以比活及杂质含量来确认其纯度.即单位纯蛋白质质量的活性来定义蛋白质的比活。因纯蛋白的比活是一定的，所以比活愈高，则表明该蛋白的纯度愈高。同时测定杂质含量.

纯度114（1）给药次数（2）杂质对人体的有害程度一般95%

(3)对分离指标的要求(结构分析,定量分析)影响纯度的要求的因素影响纯度的要求的因素115

富集倍数富集对象是微量和痕量组分,对富集倍数的要与最初浓度及分析技术的灵敏度高低有关富集倍数=目标组分的回收率/基质组分的回收率ⅠⅡ富集倍数ⅠⅡ116第三节分离的热力学限制

一、混合的熵二、分离-----负熵的生成三、能量的种类四、分离的理论耗能量五、分离的热力学限制第三节分离的热力学限制117分离的热力学限制(a)+（b+c+d)+…(a+b+c+d+…)(a)(a)(稀释)熵值增大的自发过程(单相体系)在分离过程中所做的各种努力不外乎两方面：一、尽可能增大分离的驱动力二、努力减小体系的熵值分离的热力学限制(a)+（b+c+d)+…118

一.混合的熵

分离与混合是互为相反的过程，假设在图1.1所示的用隔膜分开的两个小室内，分别存在着处于同一压力p下的，可看作是理想气体纯组分的A和B，其物质的量分别为nA和nB。如果取掉这层隔膜，组分A和B就要进行扩散而相互混合，最终变成均匀的混合物，正如所知那样，此时混合的熵依下式增大：

一.混合的熵119图1.1

成分AnA［mol］

成分BnB［mol］混合分离混合物（A+B)(nA+nB)［mol］

隔膜图1.1成分AnA［mol］成分B120

若混合物为1mol,

则有：其中，分别为组分A和B的摩尔分数。若则若混合物为1mol,121

［例题1.1］常温、常压(300K,101.3kPa)下，空气由摩尔分数为79%的N2和21%的O2组成，试求当N2与O2分别由纯组分按上述组成混合为1m3这样的空气，因混合而增大的熵。［例题1.1］122

解：将xA=0.79,xB=0.21代入（1.7）式中，则1mol空气熵的变化为把空气作为理想气体，使用理想气体状态方程PV=nRT，就可求出1m3空气混合物所相当的物质的量即

则解：将xA=0.79,xB=0.21代入（1.7）式中，则123

［例题1.2］常温海水是由质量分数3.5%的NaCl（摩尔质量5.85×10-2kg/mol）和水组成的。按此组成用水与NaCl混合成为海水1000kg，试求由于混合而增大的熵。（这里，海水可视为理想溶液）。［例题1.2］124解：因为NaCl的质量分数3.5%，所以1000kg海水中，水为965kg。设nA为NaCl的物质的量，nB为水的物质的量，则解：因为NaCl的质量分数3.5%，所以1000kg海水中，125代入式(1.7)中代入式(1.7)中126稀释熵稀释熵127二.分离 负熵的生成（熵的减少）

由上面的讨论可以看到，混合是使熵增大的过程，所以是自然发生的现象。与之相反，要把熵增大了的混合物（A+B）分离成纯组分A和B，返回原先的状态，就必须把增大了的熵用某一方法除去。换句话说，就是必须要把负的熵加到混合物(A+B)上。二.分离 负熵的生成（熵的减少）128

那么怎样做才能产生负熵呢？向体系提供能量（热或功）。让我们先就大家熟知的分离方法蒸馏及其装置来分析一下吧。图1.2所示就是蒸馏器。加热下部的烧瓶，冷却上部的冷凝器，就可以把混合溶液分离成馏出液与釜残液。如果在精馏塔柱的部分是绝热的，与外界没有热量交换，下部烧瓶的温度为T1，稳定地把热量Q供给蒸馏器，上部冷凝器温度为T2且(T2<T1),那么怎样做才能产生负熵呢？129

图1.2蒸馏器覆套式电阻加热器原料烧瓶温度计精馏塔冷却器回流容器冷却水图1.2蒸馏器覆套式电阻加热器原料烧瓶温度计精馏塔冷却器130

则可把这个热量Q稳定地从蒸馏器取出。此时，在烧瓶处进入系统的熵是Q/T1,而在冷凝器处带出系统的熵是-Q/T2，因此,在整个蒸馏装置中，熵的变化可由下式表示:

可见，在蒸馏装置内，熵的变化是负值。则可把这个热量Q稳定地从蒸馏器取出。此时，在131

把这些能量巧妙地作用于混合物各组分那些有差异的性质上，就可进行混合物的分离。上述蒸馏装置的例子，是利用了混合物的蒸气压。为了在装置中能够利用各组分间蒸气压的差异，则需在操作压力下，使下部烧瓶的加热温度为T1，来确保易挥发组分的蒸气压，即从外部提供分离所需的能量——气化潜热。把这些能量巧妙地作用于混合物各组分那些132

但若混合物中各组分的蒸气压大致相同，或混合物是由几乎不能蒸发的组分组成的，上述的蒸馏装置也就失去了分离作用。这就需要根据混合物各组分其他性质的差异来确定分离方法。但若混合物中各组分的蒸气压大致相同，或133三.能量的种类一般地，只要向某个系统投入能量，就可以使之产生负熵。而作为能量的存在形式，有各种各样。（1）力学能：机械能、流体动能、位能；（2）热能；（3）电能；（4）化学能：浓度差、化学结合能；（5）光能；（6）核能。

三.能量的种类134四.分离的理论耗能量

把混合物变成各个纯组分的分离，是一件十分类似于把凌乱的房间收拾整洁的过程。当我们要把散乱的报纸、杂志、CD唱片、坐垫等物品整理归回到报纸架、杂志架、书橱、CD盒、唱片盒、壁橱等处时，我们就要在房间里来回走动，因此而消耗了能量，这是收拾房间的情况。如果不太乱，收拾起来会轻松些，会少消耗些能量。但若乱的一塌糊涂，收拾的工作量就很大，消耗的能量也会比较多。另外对于不同的人，即对于是否擅长收拾的人来说，能量的消耗程度也会有很大差别。四.分离的理论耗能量135

分离混合物的过程也是如此。把只含有少量不纯组分的混合物分离成纯组分，使用较少的能量就可以了。当然，采用的分离方法和过程不一样，所消耗的能量也会不同。分离混合物的过程也是如此。把只含有少136

热力学理论认为，如果分离是在恒温恒压条件下进行的，那么其耗能量即为分离的理论耗能量（最小功）。将图1.1所示的混合气体看作是理想气体，在温度T下分离为各自纯组分A和B则所需的最小功，可由（1.7）式改写为下式:

(1.10)

137

若混合物为1mol则(1.11)

使用上式可以求得无因次功(Wmin.T/RT)与组分A摩尔分数xAF的关系。图1.3给出了这个计算的结果。由图可见，对半的混合物，即xAF＝0.5，分离所需的功最大。图1.4则给出了要得到1molA组分纯产物，其分离所需最小功与组成xAF之间的函数关系。当xAF很小时，最小功急剧增大，若xAF接近0，最小功将趋于无限大。

若混合物为1mol138图中是指将1mol双组分理想混合物分离为各自纯组分所需要的最小功图中是指将1mol双组分理想混合物分离为各自纯组分所需要139图中是指从理想的混合物中分离出1mol纯组分A需要的最小功图中是指从理想的混合物中分离出1mol纯组分A需要的最小140

［例题1.3］将例题1.1所述状态的空气1m3，在300K下，分离为纯组分N2和O2，求所需的最小功。解：1mol的混合物把空气作为理想气体，使用理想气体状态方程PV=nRT，就可求出1m3空气混合物所相当的物质的量.［例题1.3］将例题1.1所述状态的空气1m3，在300K141图1.1成分AnA［mol］成分BnB［mol］混合物（A+B)(nA+nB)［mol］图1.1成分AnA［mol］成分B142解：由例题1.1的解可知：

则：解：由例题1.1的解可知：143多组分分离的负熵多组分分离的负熵144分离科学与技术第一章现代分离科学概论现代分离科学与技术教学课件145

而实际中的混合物常常是多组分非理想混合溶液，要想把各个组分都分离为纯产物是不可能的。设混合物F由J个组分组成，要分离为i个产品时，根据King的理论，在恒温、恒压的操作条件下，将1mol混合物进料，从原料浓度的xjF分离提纯至产品浓度xji所需的最小功应为：而实际中的混合物常常是多组分非理想混合溶液，要想把各个146

式中

分别是原料F和产品i中j组分的活度系数；产品i所占进料的摩尔分数；

产品i中j组分的摩尔分数

分离科学与技术第一章现代分离科学概论现代分离科学与技术教学课件147

设一个双组分A和B的混合物,且为理想溶液(为1.0)。则将其分离成产品（1，2）所需的最小功为：

(1.13)设一个双组分A和B的混合物,且为理想溶液148第四节分离过程与分离方法分类分离过程示意图力学能：机械能、流体动能、位能、热能化学能：溶度差、化学结合能、电能、光能、核能等

对各组分所特有的性质差作用能量或分离剂原料物流（一个或数个）分离装置两个以上的产品物流（浓度不同）第四节分离过程与分离方法分类分离过程示意图力学能：机械能、149可用于分离的性质

物理方面的性质

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，磁化率

输送性质扩散系数，分子飞行速度

化学方面的性质

热力学性质反应平衡常数，离解常数，电离电位反应速度性质反应速度常数

生物学方面的性质生物学亲和力，生物学吸附平衡，生物学反应速度常数

可用于分离的性质物理方面的性质力学性质密度150分离方法分类物理分离法如离心分离,电磁分离化学分离法如沉淀分离物理化学分离法如电泳,区带熔融按可被利用的性质分类分离方法分类物理分离法如离心分离,电磁分离按可被利用的151速度差分离过程:输入能量，强化特殊梯度场的方法.

平衡分离过程:输入能量