纯化与分离科学课件概述第一二章沉淀挥发分离01

中国科学院研究生院《纯化与分离科学》课程教案《纯化与分离科学纯化与分离科学》课程纲要概论结晶沉淀和共沉淀挥发（蒸馏、升华、）萃取（萃取动力学、萃取热力学、串级萃取理论；液液萃取、双水相萃取、超临界萃取，胶团萃取，浸取）色层分离（色谱、离子交换、电泳）膜分离（概论，膜过程，膜材料，极化现象和膜污染，膜表征，膜过程工艺设计，膜传递，膜器设计）泡沫浮选分离法电化学分离其他分离方法溶剂和容器、样品预处理纯化与分离科学课程基本要求纯化与分离科学课程基本要求全面了解纯化与分离科学的各个分支的基本原理、技术特点、适用范围和分离科学的发展，为利用分离技术解决相关领域的科学研究和生产实践问题、也为进一步从事纯化和分离科学领域的研究和开发打下基础。教学时数：60学分：3《纯化与分离科学纯化与分离科学》目录目录概论历史回顾分离的一般过程分离的一般过程分离过程分类第一章沉淀和共沉淀§1。沉淀分离法1.1溶解度、影响溶解度的因素1.2氨基酸和蛋白质的沉淀1.3．蛋白质沉淀§2共沉淀分离§2.1共结晶共沉淀§2.2均匀体积分配共沉淀§2.3非均匀体积分配共沉淀§2.4共沉淀分离方法1.一级共沉淀分离2.多级结晶分离3一级浓集系数4最简浓集条件§2.5表面分配共沉淀，吸附分离1.一级交换吸附3.二级交换吸附3.内吸附4.微量物质在无定形沉淀上的吸附第二章挥发分离§1。蒸馏1.1分配比1.2恒容蒸馏1.3减容蒸馏（Rayleigh蒸馏）1.4温度和压力对分离系数的影响§2。分子蒸馏§3。气化（升华）法预修课程：物理化学、有机化学、分析化学、无机化学，化工原理第三章色层分离色层分离的一般原理色谱分离（吸附色谱、分配色谱、萃取色谱、凝胶色谱、亲和色谱等）离子交换色层分离第一部分色层分离的一般理论§3-1。色层分离的一般原理1-1迎头色谱法1-2顶替色谱法(置换色谱法)1-3洗脱色谱法§3-2色层法参数§3-3色层分离过程的热力学参数§3-4色层分离理论（平衡塔板理论）§3-5多组分分离§3-6目标组分的回收率和产品纯度§3-6速率理论方程§3-7分离柱的优化——分离度§3-8分离柱分离多组分的能力§3-9分离分析时间第二部分色层分离操作概述§1-1色层体系的组成§2色层分离种类§3色谱固定相(3-1)气相色谱固定相（3-2）固定相分类（3-3）固定液的选择（3-4）正相色谱和反相色谱法液相色谱固定相正相键合固定相反相键合固定相§4离子交换色层分离4-1。离子交换色层和离子交换树脂概况4-2。离子交换热力学和动力学4-3离子交换色层法4-4离子交换色层实践第三部分非离子物质的分离§3－10液固色谱(吸附色谱)法10-1.液固色谱原理和分离对象10-2液固色谱固定相10-3液固色谱分离对象§3－11液液色谱和键合色谱（萃取色谱法）11-1反相键合色谱操作11-2流动相中有机溶剂的比例11-3流动相的离子强度11-4水的纯度11-5萃取色谱§3－12排阻色谱法1.原理和分离对象2.排阻色谱分离特性2.3.固定相选择4.流动相的选择§3－13亲和色谱法1.基本原理2.载体3.固相载体的选择4.连接载体和配体的手臂5.配体§3－14液相色谱流动相(1)选择流动相的原则（2）流动相的溶剂特性(3)纯溶剂的极性和保留值的关系(4).液相色谱流动相选择的一般原则§3－15选择制备色谱分离体系的基本原则第四章萃取分离第一部分萃取分离（一）１互不相容液－液萃取2溶剂分类和溶解度规律3萃取热力学(空腔理论)4影响萃取率的因素5萃取动力学（1-1）萃取过程控制步骤的分类及判断（1-2）影响萃取速率的因素（1-3）萃取速率的表达6萃取体系（1）基本反应（2）萃取机理的确立第一部分萃取分离（二）7双水相萃取8超临界流体萃取9串级萃取理论1.单级萃取2.重复萃取3.间歇逆流萃取4.连续逆流串级萃取第三部分萃取分离（三）10胶团萃取第五章膜分离方法膜分离概论膜过程膜材料极化现象和膜污染膜表征膜过程工艺设计膜传递膜器设计第三部分膜分离方法（一）§5-1.分离过程2.膜的定义与膜过程§5-2膜材料及其性质（2-1）聚合物(2-2)制膜聚合物（2-3）基本膜材料类型①多孔膜②无孔膜③载体膜§5-3膜的制备(3-1)合成膜制备(3-2)无机膜制备§5-4膜表征多孔膜的表征（1）微滤膜的表征（2）超滤膜的表征（3）离子膜的表征（4）无孔膜的表征§5-5通过膜的传递1)反渗透2)透析3)气体渗透4)全蒸发5)离子交换膜传递第二部分膜分离方法（二）§5-6膜过程(6-1)热力学（1）化学势（2）渗透压（6-2）过程参数（6-3）压力推动膜过程（6-3-1）微滤（6-3-2）超滤（6-3-3）纳滤和反渗透（6-3-4）压力延迟渗透（PRO）（6-3-5）加压渗析（6-4）浓差（活度差）推动膜过程第三部分膜分离方法（三）（6-5）电推动膜过程（6-5-1）电渗析（1）电渗过程（2）电渗析膜（3）电渗析中的浓差极化（4）电渗析应用（6-5-2）膜电解（1）氯碱过程（2）双极性膜（3）燃料电池（6-6）．热推动膜过程（6-6-1）膜蒸馏（1）过程（2）膜蒸馏应用（6-7）．膜接触器（6-7-1）膜接触器操作（1）气液接触器（2）液液接触器（3）无孔膜接触器(4)无孔膜接触器应用（6-8）．膜反应器和生物膜反应器第六章泡沫分离方法（6—1）泡沫吸附原理表面张力和表面活性剂吉布斯公式泡沫的形成与性质泡沫分离流程（6—2）影响泡沫分离的主要因素第七章浸取过程（7-1）浸取过程热力学（7-2）电位—pH图的应用（7-3）常用浸出过程（7-4）浸出过程动力学与影响浸出过程的因素（7-5）有机物质的浸取（6-4-1）气体分离（1）多孔膜的气体分离（2）无孔膜的气体分离（3）气体分离膜(4)完全混合条件下的气体分离（6-4-2）全蒸发（1）全蒸发的传递过程(2)全蒸发膜（6-4-3）载体介导传递（1）液膜（2）液膜制备支撑液膜（SCM）的制备（3）有机溶剂的选择（4）载体的选择（5）应用（6-4-4）透析（6-4-5）扩散透析纯化与分离科学纯化与分离科学ScienceofSeparationandPurification•基本要求：全面了解纯化与分离科学的各个分支的基本原理、技术特点、适用范围和分离科学的发展，为利用分离技术解决相关领域的科学研究和生产实践问题、也为进一步从事纯化和分离科学领域的研究打下基础。•预修课程：物理化学、有机化学、物理化学、有机化学、分析化学、无机化学，（化工分析化学、无机化学，（化工原理）原理）•教学时数60，学分3在中国科学院研究生院化学与化工学院讲授《纯化与分离科学》课程时使用的教学课件课程基本内容概述结晶沉淀和共沉淀挥发（蒸馏、升华、）萃取（液液萃取、双水相萃取、超临界萃取，浸取）色层分离（色谱、离子交换、电泳）膜分离泡沫浮选分离法电化学分离其他分离方法溶剂和容器、样品预处理概论历史回顾自从人类利用物质开始就有分离过程。特别是人们对物质的认识有了单质、化合物、混合物等概念之后，分离技术对人类对物质世界的认识、利用，对推动社会生产、经济、科学技术的进步都起着重大的作用。我们生活的自然界是混合物的世界，我们通常利用的许多物质都是混合物，但有时候我们需要将混合物分离后才能利用。因此分离技术的出现是人类社会生活、生产的需要。分离方法和技术成为一门独立的科学技术分支则首先是原子能科学技术发展的要求。现在分离过程已经融入到原子能、化工、矿冶、石化、制药、生化、环保等许多部门，成为许多工业的中心问题、联系经济效益的关键，也是许多科学研究课题的组成部分。分离方法是分析化学进步的组成部分，首先在分析化学的推动下得到发展。现代工业生产包含的大量分离过程几乎全都是分析化学中的分离方法的工业化成果。分离科学应包含分析化学的有关内容。物理化学有关熵的讨论指出：混合过程是熵增加过程，是可以自发进行的。分离和提纯过程是混合的逆过程，不能自发进行，需要消耗能量在专门设备内经历专门的过程，否则不能实现。分离的一般过程分离设备（分离工艺）原料产品分离剂（物质、能量）残余•分离剂是指：分离过程所需要的能量或者分离辅助物质，例如蒸馏过程的热量、萃取过程的萃取剂，离子交换过程的交换树脂等•残余：是指除产品外的剩余物质，不一定就是废弃物。•原料：是一种混合物可以是单相或多相的。分离过程分类从原理上分为物理分离和化学分离，从过程上可分为机械分离和传质分离。传质分离又可以分为平衡分离过程和速率控制分离过程。机械分离过程中，被分离物质可以是两相或多相的，不存在物质在不同物相间传递。传质分离的原料可以是单相也可以是多相的，分离剂的加入可以形成另一相（或第二相，蒸馏过程的气相、萃取过程加入的萃取相（剂）等）速率控制分离过程主要是指：利用了不同组分的传质速率不同而引起的分离•分离过程的分类.传质分离平衡过程分离原理分离剂实例1蒸发蒸汽压不同热浓缩2蒸馏蒸汽压不同热石油馏分分离3吸收溶解度不同非挥发性液体除去有害气体4萃取溶解度不同液体芳烃提炼5结晶溶解度不同（过饱和度不同）热量（冷量）晶体制备6吸附吸附等温线不同吸附剂干燥7离子交换质量作用定律交换树脂水纯化处理8干燥水蒸发（相图）热脱水9凝胶过滤分子大小凝胶蛋白质分离10泡沫吸附表面吸附表面活性剂-气泡贵金属回收除去污水中洗涤剂11浸取溶解度不同液体湿法冶金12浮选表面吸附表面活性剂-气泡矿物分离，速率控制分离分离原理分离剂实例1气体扩散穿过多孔膜扩散速率差异压力梯度同位素分离2热扩散热扩散速率温度梯度同位素分离3电渗析不同电荷粒子对膜的选择电场、离子交换膜脱盐4电泳胶体在电场中扩散速率电场蛋白质分离5反渗透渗透压压力梯度和膜脱盐处理6超滤不同大小分子对膜的透过率不同压力梯度和膜废水处理.机械分离1过滤固体颗粒大小过滤介质浆状物回收2沉降密度差重力按密度分级3离心分离密度差离心力按重度或分子量分级4旋风分离密度差惯性力除尘5静电除尘细颗粒带电电场除尘第一章沉淀和共沉淀§1。沉淀分离法1。1溶解度、影响溶解度的因素（1）溶解度曲线和超溶解度曲线物质的溶解度取决于物质在一定溶液条件下的条件溶度积常数K’sp。沉淀过程只能发生在过饱和溶液内。但是在过饱和溶液中并不一定立即发生沉淀。浓度温度不稳定区稳定区介稳区ABD’DC’CEFF’G’G’’G溶液的过饱和与超溶解度曲线图中，AB为溶解度曲线，曲线以下区域溶液是稳定的；曲线上方有两个区域：AB与CD之间是介稳区，处于此区域的溶液不会自发生成晶核，认为加入晶核，则晶种会长大。CD以上的区域称为不稳定区域。处于此区域的溶液会自发生成晶核，晶核长大形成沉淀结晶。CD为(纯溶液无搅拌缓慢降温)溶液能够自发生成晶核的浓度曲线，称为超溶解度曲线。一般AB与CD大致平行，之间的距离与溶质和容剂的性质有关，与搅拌情况以及降温速度、晶种多少有关。若存在悬浮晶种，温和搅拌，降温速度中等，超溶解度曲线变为CD稳定的溶液E在降温时，通过AB上的F点进入介稳区而不会生成沉淀；只有到达CD上的G点时（达入不稳定区）才会产生结晶，越是深入不稳定区（例如H点），自发产生的晶核就越多。由E经过F’到达G’是蒸发过程曲线，由E到G’’代表蒸发和降温的合并过程。（2）影响溶解度的因素•物质在溶液中的溶解度和它的条件溶度积常数有密切关系：.'增加增大，溶解度SKsp)71('iajbSPspKK例如，对于沉淀反应：)81()()(lnAlmMAMmnnm)91('nAmMSPspnAmMKK•1。盐效应：溶液的离子强度I—活度系数γ,I增加γ下降，K’sp变大，溶解度S增加•2。同离子效应，溶解度S降低•3。副反应的存在。副反应系数使K’sp变大，溶解度S增加。副反应包含酸效应（氢离子效应）、络合效应（配位效应，包括能与沉淀金属离子配合的物质、能与沉淀阴离子配位的物质所产生副反应），•4。溶剂的影响：难溶盐先取得晶格能使质点离开晶格，然后溶剂化进入溶液放出溶剂化热。溶解度取决于这两种能量的大小。一般极