結(jié)晶和膜分離

1、第十一章第十一章結(jié)晶和膜分離結(jié)晶和膜分離 11.111.1結(jié)晶概述結(jié)晶概述特點(diǎn)：特點(diǎn)：(1) (1) 選擇性高選擇性高(2) (2) 純度高純度高(3) (3) 設(shè)備簡單，操作方便設(shè)備簡單，操作方便(4) (4) 影響因素多影響因素多結(jié)晶分類結(jié)晶分類1.溶液結(jié)晶溶液結(jié)晶2.熔融結(jié)晶熔融結(jié)晶3.升華結(jié)晶升華結(jié)晶4.沉淀結(jié)晶沉淀結(jié)晶11.1.111.1.1基本概念基本概念晶體的性狀晶體的性狀1.自范性：自發(fā)成長成為結(jié)晶多面體的可能性自范性：自發(fā)成長成為結(jié)晶多面體的可能性2.均勻性：宏觀上物理和化學(xué)性質(zhì)相各向同均勻性：宏觀上物理和化學(xué)性質(zhì)相各向同3.各向異性：晶體的幾何特性及物理效益隨方向不同而各向

2、異性：晶體的幾何特性及物理效益隨方向不同而不同不同結(jié)晶過程：結(jié)晶過程：第一步：成核：產(chǎn)生微小晶粒（晶核）作為結(jié)晶的核心。第一步：成核：產(chǎn)生微小晶粒（晶核）作為結(jié)晶的核心。第二步：成長：晶核變大，成為宏觀意義上的晶體。第二步：成長：晶核變大，成為宏觀意義上的晶體。兩個(gè)概念兩個(gè)概念晶漿：晶體剩余的飽和溶液晶漿：晶體剩余的飽和溶液母液：剩余的溶液母液：剩余的溶液結(jié)晶操作過程結(jié)晶操作過程1.成核成核2.晶體成長晶體成長3.固液分離固液分離4.洗滌洗滌重要的概念：重要的概念：1.1.相平衡：固體的溶解和析出達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡相平衡：固體的溶解和析出達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡2.2.溶解度：相平衡時(shí)單位質(zhì)量的溶劑所能溶解的固

3、體的質(zhì)量溶解度：相平衡時(shí)單位質(zhì)量的溶劑所能溶解的固體的質(zhì)量3.3.溶解度曲線：表示溶解度與溫度的關(guān)系溶解度曲線：表示溶解度與溫度的關(guān)系4.4.飽和溶液：溶質(zhì)的濃度恰好等于溶解度飽和溶液：溶質(zhì)的濃度恰好等于溶解度5.5.過飽和溶液：溶質(zhì)的濃度超過溶質(zhì)的溶解度過飽和溶液：溶質(zhì)的濃度超過溶質(zhì)的溶解度6.6.過飽和度：過飽和溶液與飽和溶液的濃度的差過飽和度：過飽和溶液與飽和溶液的濃度的差11.1.211.1.2結(jié)晶過程的相平衡結(jié)晶過程的相平衡過飽和溶液的形成方式：過飽和溶液的形成方式：(1) (1) 冷卻冷卻(2) (2) 溶劑蒸發(fā)溶劑蒸發(fā)(3) (3) 改變?nèi)軇┬再|(zhì)改變?nèi)軇┬再|(zhì)(4) (4) 化學(xué)反

4、應(yīng)產(chǎn)生低溶解度物質(zhì)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生低溶解度物質(zhì)11.1.211.1.2結(jié)晶過程的相平衡結(jié)晶過程的相平衡A A 穩(wěn)定區(qū)：穩(wěn)定區(qū)： 不飽和區(qū)不飽和區(qū)B B 第一介穩(wěn)區(qū)：加入晶種結(jié)晶會(huì)生長，第一介穩(wěn)區(qū)：加入晶種結(jié)晶會(huì)生長，但不產(chǎn)新晶核但不產(chǎn)新晶核C C 第二介穩(wěn)區(qū)：加入晶種結(jié)晶會(huì)生長，第二介穩(wěn)區(qū)：加入晶種結(jié)晶會(huì)生長，同時(shí)有新晶核產(chǎn)生同時(shí)有新晶核產(chǎn)生D D 不穩(wěn)區(qū)：瞬時(shí)出現(xiàn)大量微小晶核，不穩(wěn)區(qū)：瞬時(shí)出現(xiàn)大量微小晶核，發(fā)生晶核泛濫發(fā)生晶核泛濫11.1.211.1.2結(jié)晶過程的動(dòng)力學(xué)結(jié)晶過程的動(dòng)力學(xué) 成核成核 初級(jí)成核：自發(fā)產(chǎn)生的晶核過程初級(jí)成核：自發(fā)產(chǎn)生的晶核過程均相初級(jí)成核均相初級(jí)成核非均相初級(jí)成核非均相

5、初級(jí)成核 二次成核：已存在晶體條件下產(chǎn)生晶核過程二次成核：已存在晶體條件下產(chǎn)生晶核過程剪應(yīng)力成核剪應(yīng)力成核接觸成核接觸成核 一般結(jié)晶過程應(yīng)以二次成核作為晶核的來源一般結(jié)晶過程應(yīng)以二次成核作為晶核的來源11.1.211.1.2結(jié)晶過程的動(dòng)力學(xué)結(jié)晶過程的動(dòng)力學(xué) 結(jié)晶成長過程（擴(kuò)散學(xué)說）結(jié)晶成長過程（擴(kuò)散學(xué)說） 擴(kuò)散過程：溶質(zhì)達(dá)到晶體表面（濃度差，越大，速度越快）擴(kuò)散過程：溶質(zhì)達(dá)到晶體表面（濃度差，越大，速度越快） 表面反應(yīng)過程：溶質(zhì)嵌入晶面（溫度越高，速率越快）表面反應(yīng)過程：溶質(zhì)嵌入晶面（溫度越高，速率越快） 傳熱過程：結(jié)晶熱傳遞到溶液中傳熱過程：結(jié)晶熱傳遞到溶液中結(jié)晶過程控制晶核形成速率的必要性

6、：結(jié)晶過程控制晶核形成速率的必要性：1.1.晶體產(chǎn)品的粒度下降晶體產(chǎn)品的粒度下降2.2.產(chǎn)品粒度分布不合格產(chǎn)品粒度分布不合格控制成核現(xiàn)象的措施：控制成核現(xiàn)象的措施：1.1.維持穩(wěn)定的飽和度維持穩(wěn)定的飽和度2.2.控制晶體生長的速率控制晶體生長的速率3.3.減少晶體的機(jī)械碰撞能量減少晶體的機(jī)械碰撞能量4.4.消除溶液中可能成為晶核的微粒消除溶液中可能成為晶核的微粒5.5.細(xì)消操作細(xì)消操作影響晶體純度的影響因素影響晶體純度的影響因素A.母液在晶體表面的母液在晶體表面的吸藏吸藏B.母液被母液被包藏包藏與晶簇中與晶簇中C.形成不同的形成不同的晶習(xí)晶習(xí)晶體的生存理論和育晶操作晶體的生存理論和育晶操作 生

7、存理論：小粒子具有較大的表面能，微小晶體的溶解度高于粒生存理論：小粒子具有較大的表面能，微小晶體的溶解度高于粒度較大的晶體，因而微小晶體能夠與某一定濃度的過飽和溶液建度較大的晶體，因而微小晶體能夠與某一定濃度的過飽和溶液建立平衡關(guān)系。結(jié)果：微小晶粒溶解而大晶體長大。立平衡關(guān)系。結(jié)果：微小晶粒溶解而大晶體長大。 育晶：微小顆粒變成較大顆粒育晶：微小顆粒變成較大顆粒結(jié)晶過程中過飽和度過大有何不妥？結(jié)晶過程中過飽和度過大有何不妥？ A：初級(jí)成核速度過快，形成過多的晶核，晶體粒度變：初級(jí)成核速度過快，形成過多的晶核，晶體粒度變小，容易出現(xiàn)嚴(yán)重的包藏現(xiàn)象。小，容易出現(xiàn)嚴(yán)重的包藏現(xiàn)象。 B：晶體生長速度過

8、快，出現(xiàn)吸藏現(xiàn)象：晶體生長速度過快，出現(xiàn)吸藏現(xiàn)象雜質(zhì)或添加劑對結(jié)晶的影響雜質(zhì)或添加劑對結(jié)晶的影響1.濃度很低就起作用濃度很低就起作用2.能夠改變結(jié)晶質(zhì)量能夠改變結(jié)晶質(zhì)量膜分離技術(shù)的地位和影響l美國官方文件曾說美國官方文件曾說1818世紀(jì)電器改變了整個(gè)工業(yè)進(jìn)世紀(jì)電器改變了整個(gè)工業(yè)進(jìn)程，而程，而2020世紀(jì)膜技術(shù)將改變整個(gè)面貌世紀(jì)膜技術(shù)將改變整個(gè)面貌”，“目前沒目前沒有一種技術(shù)，能像膜技術(shù)這么廣泛地被應(yīng)用有一種技術(shù)，能像膜技術(shù)這么廣泛地被應(yīng)用”l日本日本和歐洲和歐洲則把膜技術(shù)作為則把膜技術(shù)作為2121世紀(jì)的基盤技術(shù)進(jìn)行世紀(jì)的基盤技術(shù)進(jìn)行研究和開發(fā)研究和開發(fā)l“誰掌握了膜技術(shù)，誰就掌握了化學(xué)工業(yè)的未

9、誰掌握了膜技術(shù)，誰就掌握了化學(xué)工業(yè)的未來來”- - Norman N. LiNorman N. Li，美國科學(xué)院院士，著名華裔美國科學(xué)院院士，著名華裔科學(xué)家科學(xué)家l膜分離已得到廣泛應(yīng)用膜分離已得到廣泛應(yīng)用。2121世紀(jì)是工業(yè)生物技術(shù)的世紀(jì)是工業(yè)生物技術(shù)的世紀(jì)，膜技術(shù)將扮演重要角色世紀(jì)，膜技術(shù)將扮演重要角色11.211.2膜分離概述膜分離概述1.1.近近2020年發(fā)展起來的膜分離技術(shù)，已廣泛用于生物工程、食品、醫(yī)藥、年發(fā)展起來的膜分離技術(shù)，已廣泛用于生物工程、食品、醫(yī)藥、化工等工業(yè)生產(chǎn)及水處理等各個(gè)領(lǐng)域；化工等工業(yè)生產(chǎn)及水處理等各個(gè)領(lǐng)域；2.2.膜分離技術(shù)是用半透膜作為選擇障礙層，允許某些組分透

10、過而保留膜分離技術(shù)是用半透膜作為選擇障礙層，允許某些組分透過而保留混合物中其它組分，從而達(dá)到分離目的的技術(shù)?；旌衔镏衅渌M分，從而達(dá)到分離目的的技術(shù)。3.3.膜分離技術(shù)它具有設(shè)備簡單、操作方便、無相變、無化學(xué)變化、處膜分離技術(shù)它具有設(shè)備簡單、操作方便、無相變、無化學(xué)變化、處理效率高和節(jié)省能量等優(yōu)點(diǎn)，已作為一種單元操作日益受到人們極理效率高和節(jié)省能量等優(yōu)點(diǎn)，已作為一種單元操作日益受到人們極大重視。大重視。膜分離的特點(diǎn)膜分離的特點(diǎn)操作在常溫下進(jìn)行；操作在常溫下進(jìn)行；是物理過程，不需加入化學(xué)試劑；是物理過程，不需加入化學(xué)試劑；不發(fā)生相變化（因而能耗較低）；不發(fā)生相變化（因而能耗較低）；在很多情況下選

11、擇性較高；在很多情況下選擇性較高；濃縮和純化可在一個(gè)步驟內(nèi)完成；濃縮和純化可在一個(gè)步驟內(nèi)完成；設(shè)備易放大，可以分批或連續(xù)操作。設(shè)備易放大，可以分批或連續(xù)操作。因而在生物產(chǎn)品的處理中占有重要地位因而在生物產(chǎn)品的處理中占有重要地位11.211.2膜分離概述膜分離概述微微 濾濾透析透析1.利用具有一定孔徑大小、高分子溶質(zhì)不能透過的親水膜，將含有高分利用具有一定孔徑大小、高分子溶質(zhì)不能透過的親水膜，將含有高分子溶質(zhì)和其它小分子溶質(zhì)的溶液；與水溶液，或緩沖液分隔；由于膜子溶質(zhì)和其它小分子溶質(zhì)的溶液；與水溶液，或緩沖液分隔；由于膜兩側(cè)的溶質(zhì)濃度不同，在濃差的作用下，左側(cè)高分子溶液中的小分子兩側(cè)的溶質(zhì)濃度不

12、同，在濃差的作用下，左側(cè)高分子溶液中的小分子溶質(zhì)（如無機(jī)鹽）透向右側(cè)，右側(cè)的水透向左側(cè)，這就是透析。溶質(zhì)（如無機(jī)鹽）透向右側(cè)，右側(cè)的水透向左側(cè)，這就是透析。2.純水或緩沖溶液稱為透析液；純水或緩沖溶液稱為透析液；3.所用的親水膜稱為透析膜；所用的親水膜稱為透析膜；4.透析過程中透析膜內(nèi)無流體流動(dòng)，溶質(zhì)以擴(kuò)散的形式移動(dòng)透析過程中透析膜內(nèi)無流體流動(dòng)，溶質(zhì)以擴(kuò)散的形式移動(dòng)。水分子水分子大分子大分子小分子小分子透析膜透析膜電滲析分離原理示意圖電滲析分離原理示意圖滲透蒸發(fā)滲透蒸發(fā)n它是利用膜與被分離有機(jī)液體混合物中各組分的親合力不同，而有選擇性地它是利用膜與被分離有機(jī)液體混合物中各組分的親合力不同，而有選擇性地優(yōu)先吸附溶液某一組分，及各組分在膜中擴(kuò)散速度不同，來達(dá)到分離的目的。優(yōu)先吸附溶液某一組分，及各組分在膜中擴(kuò)散速度不同，來達(dá)到分離的目的。它不存在蒸餾法中的共沸點(diǎn)的限制，可連續(xù)分離、濃縮，直至得到純有機(jī)物。它不存在蒸餾法中的共沸點(diǎn)的限制，可連續(xù)分離、濃縮，直至得到純有機(jī)物。n分離過程是用一張滲透蒸發(fā)膜分離過程是用一張滲透蒸發(fā)膜, ,將進(jìn)料液相和透過氣相分隔開將進(jìn)料液相和透過氣相分隔開, ,并在氣相側(cè)抽并在氣相側(cè)抽真空或通以惰性氣流真空或通以惰性氣流, ,把滲透組分的蒸氣壓控制到