物质的分离与纯化技术

关于物质的分离与纯化技术教学要求1、理解平衡分离过程和速率分离过程。2、掌握吸收、吸附和膜分离技术的原理。3、了解常用分离纯化技术的工艺设备。重点：分离纯化原理。难点：平衡过程和速率过程。第2页,共62页，2024年2月25日，星期天吸收操作的理论知识

任务目标：

掌握吸收的相平衡关系；掌握吸收操作的传质机理。技能要求：能正确选择吸收操作的条件；能正确分析吸收的传质机理；学会判断传质过程的方向。第3页,共62页，2024年2月25日，星期天一、吸收过程的相平衡关系（1）按过程有无化学反应分：物理吸收、化学吸收（2）按被吸收的组分数目分：单组分吸收、多组分吸收（3）按吸收过程有无温度变化分：等温吸收、非等温吸收（4）按吸收过程的操作压强分：常压吸收、加压吸收讨论:常压下单组分等温物理吸收过程。1.气体吸收的分类

第4页,共62页，2024年2月25日，星期天（1）亨利定律内容：

当总压不高时，在一定温度下气液两相达到平衡时，稀溶液上方气体溶质的平衡分压与溶质在液相中的摩尔分数成正比。

2.亨利定律（2）亨利定律表达式：

E：亨利系数，随物系而变化。当物系一定时，E随温度而变化。温度升高，E值增大，即气体的溶解度随温度的升高而减小。由实验测定，一般易溶气体的E值小，难溶气体的E值大。第5页,共62页，2024年2月25日，星期天（3）亨利定律其他表达形式：①溶质在液相中的浓度用摩尔浓度表示(kmol/m3），在气相中的浓度用分压表示：

式中H——溶解度系数，kmol/（m3·kPa）；c——溶质在液相中的摩尔浓度，kmol/m3H值越大，溶解度越大。第6页,共62页，2024年2月25日，星期天②溶质在气液两相的浓度均用摩尔分数表示

：

式中m——相平衡常数，无因次；y*——相平衡时溶质在气相中的摩尔分数。X——溶质在液相中的摩尔分数

对于一定的物系，相平衡常数是温度和总压的函数。当总压P一定时，温度升高，E值增大，m值也随之增大；温度一定时，总压P增大，E值不变而m值减小。

可见：降温和加压有利于吸收，升温和减压有利于解吸。

第7页,共62页，2024年2月25日，星期天③气液两相浓度均用摩尔比表示：

当溶液浓度很低时，可简化为：第8页,共62页，2024年2月25日，星期天（1）判别过程的方向3.相平衡关系在吸收过程中的应用

（2）指明过程的极限（3）计算过程的推动力：实际浓度与平衡浓度的差值或——发生吸收——发生解吸或或第9页,共62页，2024年2月25日，星期天（1）溶解度（2）选择性（3）挥发度（4）粘度（5）再生（6）稳定性（7）其它：无毒、无腐蚀性、不易燃、价廉易得。4.吸收剂的选择

第10页,共62页，2024年2月25日，星期天二、吸收传质机理

（1）分子扩散：物质在一相内部有浓度梯度的条件下，由流体分子的无规则热运动而引起的物质传递现象。1.传质的基本方式菲克定律

式中NA——组分A的分子扩散速率，kmol/(m2·s)；CA——组分A的浓度，kmol/m3；Z——沿扩散方向的距离，m；D——扩散系数。表示组分A在介质B中的扩散能力，m2/s。D是物质的物理性质之一。值越大，表示分子扩散越快。第11页,共62页，2024年2月25日，星期天AAABAAAAAAABBBBBBBBBAAABABABBABBABAⅠⅡ分子扩散示意图第12页,共62页，2024年2月25日，星期天

（2）涡流扩散：在有浓度差异的条件下，物质通过湍流流体的传递过程。涡流扩散速率比分子扩散速率大得多。

De不是物质的物性常数，与湍动程度有关，且随位置而不同。

（3）对流扩散：湍流主体与相界面之间的涡流扩散与分子扩散两种传质作用过程。第13页,共62页，2024年2月25日，星期天单相中的传质第14页,共62页，2024年2月25日，星期天相界面QGlpO层流层过渡层湍流主体lGl’湍流主体：层流层:过渡层：单相中的传质第15页,共62页，2024年2月25日，星期天

气液界面污染物扩散方向

气相主体液相主体气膜液膜

双膜理论示意图2.双膜理论第16页,共62页，2024年2月25日，星期天双膜理论的基本要点

①相互接触的气、液两流体间存在着稳定

的相界面，界面两侧各有一个很薄的滞流膜层，吸收质以分子扩散方式通过此二膜层。

②在相界面处，气、液两相处于平衡状态。

③在膜层以外的气、液两相主体中，由于

流体充分湍动，吸收质浓度是均匀的，即两相

主体内不存在浓度梯度，全部浓度变化集中在

两层薄膜层内，吸收传质阻力也在两膜中。

第17页,共62页，2024年2月25日，星期天两相间的传质气相主体

液相主体

相界面pi=ci/Hp

1

2pi

ci

c气膜液膜第18页,共62页，2024年2月25日，星期天定义：吸附是利用吸附剂对液体或气体中某一组分具有选择性吸附的能力，使其富集在吸附剂表面，再用适当的洗脱剂将其解吸达到分离纯化的过程。液相(气相)→固相

——吸附剂、吸附物应用：广泛应用于原料脱色、脱臭，目标产物提取、浓缩和粗分离吸附的理论知识第19页,共62页，2024年2月25日，星期天吸附剂吸附质脱附：吸附的逆过程第20页,共62页，2024年2月25日，星期天吸附过程通常包括：待分离料液与吸附剂混合、吸附质被吸附到吸附剂表面、料液流出、吸附质解吸回收等四个过程。料液与吸附剂混合吸附质被吸附料液流出吸附质解吸附第21页,共62页，2024年2月25日，星期天吸附法的特点：常用于从稀溶液中将溶质分离出来，由于受固体吸附剂的限制，处理能力较小；对溶质的作用较小，这一点在蛋白质分离中特别重要；可直接从发酵液中分离所需的产物，成为发酵与分离的耦合过程，从而可消除某些产物对微生物的抑制作用；溶质和吸附剂之间的相互作用及吸附平衡关系通常是非线性关系，故设计比较复杂，实验的工作量较大。第22页,共62页，2024年2月25日，星期天优点：有机溶剂掺入少操作简便，安全，设备简单

pH变化小，适于稳定性差的物质缺点：选择性差收率低无机吸附剂性能不稳定不能连续操作，劳动强度大碳粉等吸附剂有粉尘污染第23页,共62页，2024年2月25日，星期天吸附机理

固体的表面性质——固体表面分子（或原子）所处的状态与固体内部分子（或原子）所处的状态不同界面固体表面分子(或原子)处于特殊的状态。固体内部分子所受的力是对称的，故彼此处于平衡。但在界面分子的力场是不饱和的，即存在一种固体的表面力，它能从外界吸附分子、原子、或离子，并在吸附表面上形成多分子层或单分子层。第24页,共62页，2024年2月25日，星期天吸附类型物理吸附（活性炭对有机物的吸附）交换吸附极性吸附——极性吸附树脂、活性氧化铝离子交换吸附——离子交换树脂3、化学吸附第25页,共62页，2024年2月25日，星期天气体金属H2W,Fe,Ni,pdO2

多数金属

COW,Fe,NiN2Ta,W,Cr,Fe常见的化学吸附:常用的干燥剂：氯化钙、碱石灰五氧化二磷、硅酸第26页,共62页，2024年2月25日，星期天

实际过程中物理和化学吸附是主要的，其比较如下吸附性能物理吸附化学吸附作用力分子引力（范德华力）剩余化学键力选择性没有选择性有选择性吸附层单分子或多分子吸附层只能形成单分子吸附层吸附热较小，⋖41.9kj/mol较大，相当于化学反应热，83.7-418.7kj/mol吸附速度快，几乎不要活化能较慢，需要活化能温度放热过程，低温有利于吸附温度升高，吸附速度增加可逆性可逆，较易解析化学键大时，吸附不可逆第27页,共62页，2024年2月25日，星期天多孔型：活性炭、硅胶、硅藻土；大网格吸附剂：有机高分子材料，如聚苯乙烯，聚酯。凝胶型：纤维素凝胶，琼脂糖凝胶，匍聚糖凝胶等。

吸附分离介质第28页,共62页，2024年2月25日，星期天吸附剂孔结构第29页,共62页，2024年2月25日，星期天吸附剂通常应具备以下特征（1）较高的选择性以达到一定的分离要求；（2）较大的吸附容量以减小用量；（3）较好的动力学及传递性质以实现快速吸附；（4）较高的化学及热稳定性，不溶或极难溶于待处理流体以保证吸附剂的数量和性质；（5）较高的硬度及机械强度以减小磨损和侵蚀；（6）较好的流动性以便于装卸；（7）较高的抗污染能力以延长使用寿命；（8）较好的惰性以避免发生不期望的化学反应；（9）易再生；（10）价格便宜。第30页,共62页，2024年2月25日，星期天第31页,共62页，2024年2月25日，星期天粒状碳成品粉状碳成品活化→洗涤→捏合成型→炭化碳化→破碎、造粒原料→干燥→筛分制造过程示意图活化：把碳渣造成发达的多孔结构主要有两种方法：（1）气体法；（2）药剂法。

一般来说，吸附量主要受小孔支配，但对于分子量（或分子直径）较大的吸附质，小孔几乎不起作用。所以，在实际应用中，应根据吸附质的直径大小和活性炭的孔径分布来选择合适的活性炭。1）组成结构：由木屑、兽骨、兽血或煤屑等原料高温（800℃）碳化、活化而成的多孔网状结构活性炭第32页,共62页，2024年2月25日，星期天活性炭的微晶片示意图第33页,共62页，2024年2月25日，星期天第34页,共62页，2024年2月25日，星期天活性炭种类颗粒大小表面积吸附力吸附量洗脱粉末活性炭小大大大难颗粒活性炭较小较大较小较小难锦纶活性炭大小小小易粉末活性炭锦纶活性炭2）种类：粉末活性炭、颗粒活性炭、锦纶活性炭吸附能力为粉末活性炭＞颗粒活性炭＞锦纶活性炭第35页,共62页，2024年2月25日，星期天

活性炭纤维是用炭素纤维活化而制得的一种纤维状吸附剂，可做成毛毡状、纸片状、布料状、蜂巢状等。活性纤维的外表面积比颗粒活性炭大，吸附和解吸速度比颗粒状活性炭大，且阻力小，容易使气体或液体透过，近年来作为活性炭新品种正在推广应用。第36页,共62页，2024年2月25日，星期天球形炭化树脂是采用球形大孔吸附树脂为原料，经炭化、高温裂解及活化制成的吸附剂。与其他形状活性炭相比，球形炭化树脂不易掉屑而污染被处理物系，且可与被处理气体或液体均匀接触，气体和液体通过球形吸附剂床层时的阻力小。通过控制聚合条件，改变原料配比等手段可得到不同孔结构和不同性能的炭化树脂。可用于溶剂回收、过滤器等的煤气处理、水处理等。

第37页,共62页，2024年2月25日，星期天

炭分子筛（CMS）较活性炭具有更小的孔径（2～10Å）和更窄的孔径分布，可用于分离更小的气体分子，如从空气中分离N2。第38页,共62页，2024年2月25日，星期天活性炭对物质的吸附规律非极性吸附剂，具有疏水性和亲有机物质的性质。针对不同的物质，活性炭的吸附遵循以下规律：（1）对极性基团多的化合物的吸附力大于极性基团少的化合物（2）对芳香族化合物的吸附能力大于脂肪族化合物（3）对相对分子量大的化合物的吸附力大于相对分子量小的化合物（4）pH值的影响碱性中性吸附酸性洗脱酸性中性吸附碱性洗脱（5）温度未平衡前随温度升高而增加第39页,共62页，2024年2月25日，星期天活性碳净水处理活性碳应用于工业废水，主要为有机物、氯气及微量不纯物之去除，其亦常与离子交换树脂组合以制造超纯水。用于废水处理，主要是去除一般难处理之有机化合物、卤化物、酚类、水银及一些无机金属离子，如：Sb,As,Bi,Cr及Sn等。活性碳的选择依处理的水別及目的也各不相同。第40页,共62页，2024年2月25日，星期天再生：指在吸附剂本身结构不发生或极少发生变化的情况下，用某种方法将使被吸附的物质，从吸附剂的细孔中除去，以达到能够重复使用的目的。

1）加热再生法：分为高温再生和低温再生；一般采用高温再生。

2）脱水（活性炭与液体分离）－干燥（100－150度）－炭化（300－700

度）－活化（用蒸汽）－冷却

3）药剂再生法：酸碱、有机溶剂

4）化学氧化法：湿式氧化、臭氧

5）生物再生法：利用微生物作用活性碳的再生第41页,共62页，2024年2月25日，星期天

是氢氧化铝胶体经加热脱水后制成的一种多孔大表面吸附剂。通过控制氢氧化铝晶粒尺寸和堆积配位数可以控制氧化铝的孔容、孔径和表面积。由铝土矿加热脱水可制成天然活性氧化铝。通常所说的“活性氧化铝”是指γ-Al2O3或是γ、χ和η氧化铝的混和物。活性氧化铝具有相当大的比表面积（200～400m2/g），且机械强度高，物化稳定性高，耐高温，抗腐蚀，但不宜在强酸、强碱条件下使用。活性氧化铝表面的活性中心是羟基和路易斯酸中心，极性强，对水有很强的亲和作用。活性氧化铝广泛应用于脱除气体中的水，也常用作色谱柱填充材料。活性氧化铝（Al2O3·nH2O）第42页,共62页，2024年2月25日，星期天是用Na2SiO3与无机酸反应生成H2SiO3，其水合物在适宜的条件下聚合、缩合而成为硅氧四面体的多聚物，即硅溶胶，硅溶胶经凝胶化、洗盐和脱水成为硅胶。硅胶是SiO2微粒的堆积物，因此，通过控制胶团的尺寸和堆积配位数可以控制硅胶的孔容、孔径和表面积。硅胶的表面保留着大约5％的羟基，是硅胶的吸附活性中心。在200℃以上羟基会脱去，所以硅胶的活化温度应低于200℃水、醇、醚、酮、酚、胺、吡啶等能与硅胶表面的羟基生成氢键，吸附力很强。对芳香烃不饱和烃等的吸附能力次之。对饱和烃、环烷烃等只有色散力的作用，吸附力最弱。硅胶常作为干燥剂用于气体或液体的干燥脱水，也可用于分离烷烃与烯烃、烷烃与芳烃，同时硅胶也是常用的色谱柱填充材料。硅胶（SiO2·nH2O）第43页,共62页，2024年2月25日，星期天吸附剂的制备、改性及性能表征实例/link?url=Bfny3MdzWyxy2kqJtvJUcCR27eiqdg9P5XTxOv-wtKXGqmr3GPjvnHVkNEXX07oGT_pS1OI_i8UkV6eMWj8SSFrOuZnWvVQkL5JgEy3b_V3金属离子掺杂硅胶吸附剂的性能与结构表征课题：改性硅胶吸附剂的制备及性能结构表征第44页,共62页，2024年2月25日，星期天是由硅藻类植物死亡后的硅酸盐遗骸形成的，其本质是含水的无定形SiO2，并含有少量Fe2O3、MgO、Al2O3及有机杂质，外观一般呈浅黄色或浅灰色，优质的呈白色，质软，多孔而轻。硅藻土的多孔结构使它成为一种良好吸附剂，在食品、化工生产中常用来作助滤剂及脱色剂。硅藻土第45页,共62页，2024年2月25日，星期天磷酸钙凝胶1）组成结构：Ca3（PO4）2

，多孔网状结构凝胶2）种类：磷酸钙—Ca3（PO4）2

；磷酸氢钙—CaHPO4.

2H2O；羟基磷酸钙—Ca5（PO4）3.OH

3）吸附性质：其中Ca2+与蛋白质负电荷基团的静电吸附作用第46页,共62页，2024年2月25日，星期天是结晶铝硅酸金属盐的水合物，其化学通式为：Mx/m[(AlO2)x·(SiO2)y]·zH2O。M代表阳离子，m表示其价态数，z表示水合数，x和y是整数。沸石分子筛活化后，水分子被除去，余下的原子形成笼形结构，孔径为3～10Å。分子筛晶体中有许多一定大小的空穴，空穴之间有许多同直径的孔（也称“窗口”）相连。由于分子筛能将比其孔径小的分子吸附到空穴内部，而把比孔径大的分子排斥在其空穴外，起到筛分分子的作用，故得名分子筛。沸石分子筛第47页,共62页，2024年2月25日，星期天（a）A型（b）X型两种常用沸石分子筛的结构沸石分子筛的结构与合成[平装]~徐如人等

(作者)出版社:

吉林大学出版社第48页,共62页，2024年2月25日，星期天指的是一类高分子聚合物。常用的有聚苯乙烯树脂和聚丙烯酸酯树脂等。吸附树脂品种很多，单体的变化和单体上官能团的变化可赋予树脂以各种特殊的性能。吸附树脂可分为非极性、中极性、极性及强极性四类。吸附树脂可用于除去废水中的有机物，糖液脱色，天然产物和生物化学制品的分离与精制等。吸附树脂1)组成结构：有机高分子聚合物的多孔网状结构2)特点：选择性好；解吸容易；机械强度好；流体阻力较小；价格高3）类型：非极性吸附剂——芳香族（苯乙烯等）中等极性吸附剂——脂肪族（甲基丙烯酸酯等）极性吸附剂——含硫氧、酰氨、氮氧等基团第49页,共62页，2024年2月25日，星期天

大孔吸附树脂广泛应用于制药及天然植物中活性成分如皂甙、黄酮、内脂、生物碱等大分子化合物的提取分离。对人参皂甙、三七皂甙、绞股兰皂甙、薯蓣皂甙、甜菊皂甙、甘草甜素、银杏黄酮内脂，山楂黄酮、黄芪皂甙、橙皮甙、淫羊藿黄酮、大豆异黄酮、茶多酚、洋地黄强心甙、麻黄精粉、柚甙、毛冬青黄酮甙、红豆杉生物碱、多种天然色素、中药复方药物提取等以及生物化学制品的净化、分离、回收都有良好的效果。并在抗生素、维生素、氨基酸、蛋白质提纯,生化制药方面有很广泛的应用。第50页,共62页，2024年2月25日，星期天吸附过程的影响因素1.吸附剂的特性（组成结构、容量、稳定性）2.吸附物的性质（熔点、缔合、离解、氢键等）3.溶剂（单、混合）4.吸附操作条件1）温度2）pH值3）盐的浓度第51页,共62页，2024年2月25日，星期天三、吸附平衡理论

一定条件下，流体（气体或液体）与吸附剂接触，流体中的吸附质被吸附剂吸附，经足够长时间后，吸附质在两相中的含量不再改变，即吸附质在流体和吸附剂上的分配达到一种动态平衡，称为吸附平衡。

相同条件下，流体中吸附质的浓度高于平衡浓度时，吸附质将被吸附；反之，流体中吸附质浓度低于平衡浓度时，吸附剂上已吸附的吸附质将解吸进入流体相，直到达到新的吸附平衡。可见，吸附平衡关系决定着吸附过程的方向和极限，是吸附过程的基本依据。第52页,共62页，2024年2月25日，星期天

吸附平衡的常用表示方法有两种：（1）吸附质在流体中的浓度（液体）或分压（气体）；（2）吸附剂上吸附的吸附质的量，克（或摩尔）吸附质／克（或表面积）吸附剂。第53页,共62页，2024年2月25日，星期天

目前尚没有成熟的理论来估计流体－固体之间的吸附平衡关系。因此，需要对特定的物系实验测定一定温度下的吸附平衡数据，并绘制成吸附剂上吸附质的吸附量与流体中吸附质浓度或分压的关系曲线，这种曲线称为吸附等温线。另外，在等压情况下，表示吸附量和温度的关系曲