第1講 分離技術(shù)(緒論)

本科生課程分離原理與技術(shù)Theprinciplesandtechnologyforseparation自我介紹姓名：丁明玉研究方向：色譜技術(shù)及其應(yīng)用中藥化學(xué)與中藥新劑型研究電話：62781687(O)E-mail:dingmy@授課安排總課時(shí)：32學(xué)時(shí)（16講）授課教師：

丁明玉：前8周；羅國(guó)安：后8周內(nèi)容分配：

前半部分：基本原理＋分離技術(shù)后半部分：分離技術(shù)參考書(shū)目1.《化學(xué)分離富集方法及應(yīng)用》編委會(huì)，化學(xué)分離富集方法及應(yīng)用，中南工業(yè)大學(xué)出版社，19972.陸九芳等，分離過(guò)程化學(xué)，清華大學(xué)出版社，19933.呂一波等，分離技術(shù)，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，20004.劉克本，溶劑萃取在分析化學(xué)中的應(yīng)用，高等教育出版社，19905.J.M.米勒編，葉明呂等譯，化學(xué)分析中的分離方法，

上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，19816.邵令嫻，分離及復(fù)雜物質(zhì)分析，高等教育出版社，19947.大矢晴彥著，張瑾譯，分離的科學(xué)與技術(shù)，中國(guó)輕工業(yè)出版社，1999前半部分目錄第1章緒論（2hr）第2章分離過(guò)程熱力學(xué)（2hr）第3章分子間的相互作用（2hr）第4章實(shí)驗(yàn)試劑的制備與純化（2hr）第5章離子交換分離法（2hr）第6章溶劑萃取分離法（2hr/4hr）第7章固相萃取與超臨界萃取分離法（2hr）第1章緒論1.1分離科學(xué)及其研究?jī)?nèi)容1.2分離科學(xué)的意義1.3分離過(guò)程的本質(zhì)1.4分離方法的類型1.5分離方法的評(píng)價(jià)1.6分離（富集）技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)1.1分離科學(xué)及其研究?jī)?nèi)容分離（separation）的概念分離是一種假設(shè)狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，不同的物質(zhì)被分開(kāi)了（isolation）。含有m種化學(xué)組分的混合物被分成m個(gè)常量范圍。把m種化學(xué)組分分成m種純的形式，并把它們置于m個(gè)獨(dú)立的容器中。利用混合物中各組分在物理或化學(xué)性質(zhì)上的差異，通過(guò)適當(dāng)?shù)难b置或方法，使各組分分配至不同的空間區(qū)域或者在不同的時(shí)間依次分配至同一空間區(qū)域的過(guò)程。1.1分離科學(xué)及其研究?jī)?nèi)容富集（concentration）的概念：在分離的過(guò)程中使對(duì)象物質(zhì)在某空間區(qū)域的濃度增加。從大量基體物質(zhì)中將欲測(cè)量的組分集中到一較小體積的溶液中，從而提高檢測(cè)靈敏度。分離與富集的關(guān)系：富集需要借助分離的手段，在分析過(guò)程中分離與富集往往是同時(shí)實(shí)現(xiàn)的。富集與分離的目不同，富集只是分離的目的之一。1.1分離科學(xué)及其研究?jī)?nèi)容純化（purification）：

通過(guò)分離操作使某種物質(zhì)的純度提高的過(guò)程。純度（purity）：主組分含量高低或所含雜質(zhì)多少的一個(gè)概念；純是相對(duì)的，不純是絕對(duì)的；不同目的對(duì)純度的要求不同；純度越高，成本越高。1.1分離科學(xué)及其研究?jī)?nèi)容分離科學(xué)（separationscience）的定義：

研究從混合物中分離、純化或富集某些組分以獲得相對(duì)純物質(zhì)的過(guò)程的規(guī)律及其應(yīng)用的一門學(xué)科。分離科學(xué)已成為一門獨(dú)立的新學(xué)科

（分離科學(xué)系、分離科學(xué)專業(yè)、分離科學(xué)雜志）1.1分離科學(xué)及其研究?jī)?nèi)容分離的目的確認(rèn)對(duì)象物質(zhì)或準(zhǔn)確測(cè)定其含量；獲取單一純物質(zhì)或某類物質(zhì)以作它用；濃縮（富集）某個(gè)或某類物質(zhì)；消除干擾，提高分析方法選擇性和靈敏度。

1.1分離科學(xué)及其研究?jī)?nèi)容分離的兩種形式—組分離與單一分離組（族）分離—將性質(zhì)相近的一類組分一起分離。

1.石油煉制中的輕重油分離;2.中藥有效部位的分離.單一分離—將某一組分以純物質(zhì)形式分離出來(lái)。

1.工業(yè)上純物質(zhì)的制備；2.化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)品的制備；3.藥物對(duì)映異構(gòu)體的分離。1.1分離科學(xué)及其研究?jī)?nèi)容單一分離結(jié)果的主要形式相互完全分離(a,b,c,……)

(a)+(b)+(c)+……從混合物中分離出某種物質(zhì)(a,b,c,……)

(a)+(b,c,……)部分分離(a,b,c,……)

(a,b)+(b,a)+……1.1分離科學(xué)及其研究?jī)?nèi)容分離富集技術(shù)的特點(diǎn)分離對(duì)象種類繁多（所有天然和合成物質(zhì)）分離目的各不相同（檢測(cè)、制備、定性定量）分離規(guī)模差別很大（

g級(jí)噸級(jí)）分離技術(shù)形形色色（過(guò)濾、萃取、離心）應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛（生物醫(yī)藥、石油、化工）1.1分離科學(xué)及其研究?jī)?nèi)容分離科學(xué)的研究?jī)?nèi)容分離過(guò)程的共同規(guī)律

1.用熱力學(xué)原理討論分離體系的功、能量和熱的轉(zhuǎn)換關(guān)系，以及物質(zhì)輸運(yùn)的方向和限度。2.用動(dòng)力學(xué)原理研究各種分離過(guò)程的速度與效率。3.研究分離體系的化學(xué)平衡、相平衡和分配平衡。各種分離方法的原理及應(yīng)用1.2分離科學(xué)的意義1.分離是認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界的必經(jīng)之路

物質(zhì)的物理常數(shù)的測(cè)定；物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)的研究；純物質(zhì)特異性研究。1.2分離科學(xué)的意義2.分離是各種分析技術(shù)的前提樣品中存在干擾物質(zhì)；待測(cè)組分在樣品中分布不均勻；沒(méi)有合適的標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)；樣品的物理、化學(xué)狀態(tài)不適合于直接測(cè)定；樣品本身劇毒或具有強(qiáng)放射性。1.2分離科學(xué)的意義3.富集（分離）延伸了分析方法的檢出（下）限富集對(duì)改善分析方法檢出限的作用分析方法檢出限，-log(g/g)未經(jīng)富集富集相差光度法6.99.8-10.52.9-3.6發(fā)射光譜法710-10.53-3.5極譜法7.19.82.7火花源質(zhì)譜1012-132-3中子活化法11-1212-1311.2分離科學(xué)的意義4.分離科學(xué)是其他學(xué)科發(fā)展的基礎(chǔ)化學(xué)－元素的發(fā)現(xiàn)，新化合物的結(jié)構(gòu)確定。物理－物質(zhì)的物理性質(zhì)研究。生物－樣品前處理化工－試劑和化工產(chǎn)品純化醫(yī)學(xué)－治療血友病的血液制劑。藥學(xué)－藥理毒理實(shí)驗(yàn)，新藥開(kāi)發(fā)材料科學(xué)－超純硅環(huán)境－污水處理（沉淀），垃圾分類（磁力分離法）石油－除苯汽油（吸附、萃?。?，石油精煉（蒸餾）。1.2分離科學(xué)的意義5.分離科學(xué)提高了人類的生活品質(zhì)自來(lái)水、純凈水（過(guò)濾、反滲透）、凈水器；色拉油、脫鹽醬油、精鹽；室內(nèi)空氣凈化器；香煙過(guò)濾嘴新劑型（針劑、口服液、膠囊）中藥1.3分離過(guò)程的本質(zhì)實(shí)例：糖的溶解與結(jié)晶糖溶于水

形成均勻溶液混合過(guò)程過(guò)程是自發(fā)的

熵增加從水中取出糖

對(duì)體系做功（如蒸餾法）分離過(guò)程

過(guò)程不能自發(fā)進(jìn)行

熵減少

1.3分離過(guò)程的本質(zhì)有關(guān)分離過(guò)程本質(zhì)的一些描述（是否準(zhǔn)確或全面？）分離不能自發(fā)進(jìn)行（熵減少過(guò)程）分離在熱力學(xué)上受阻（對(duì)抗熱力學(xué)第二定律）分離是逆著大自然的熱力學(xué)是逆著物質(zhì)純化的

1.3分離過(guò)程的本質(zhì)實(shí)例：己烷與水混合的實(shí)驗(yàn)不能自發(fā)混合劇烈攪拌或振蕩混合放置（停止攪拌或振蕩）自發(fā)分離

體系中除濃度差（熵效應(yīng)）外，還有：水分子間的親水相互作用勢(shì)能對(duì)抗混合水分子和己烷分子間的疏水相互作用勢(shì)能對(duì)抗混合水和己烷的密度差（重力勢(shì)能）對(duì)抗混合

1.3分離過(guò)程的本質(zhì)實(shí)例：Fe3+和Ti4+的混合實(shí)驗(yàn)（一）

混合均勻

Fe3+

Ti4+Fe3+

Fe3+

抽掉隔板Ti4+Ti4+6mol/LHCl6mol/LHCl6mol/LHCl6mol/LHCl抽調(diào)隔板后Fe3+和Ti4+將自發(fā)混合均勻，這是因?yàn)椋后w系中除濃度（活度）差外不存在其他勢(shì)場(chǎng)。濃度差對(duì)化學(xué)勢(shì)的貢獻(xiàn)屬熵的貢獻(xiàn)，熵增勢(shì)能驅(qū)使Fe3+和Ti4+在整個(gè)體系范圍內(nèi)從有序向無(wú)序變化。1.3分離過(guò)程的本質(zhì)實(shí)例：Fe3+和Ti4+的分離實(shí)驗(yàn)（二）Fe3+、Ti4+乙醚，F(xiàn)e3+

抽掉隔板6mol/LHCl乙醚6mol/LHCl，Ti4+

結(jié)果：乙醚和水為互不相溶的兩相。Fe3+與乙醚生成離子締合物：

C2H5OC2H5

＋H+

(C2H5)2OH+

Fe3++4Cl

FeCl4

(C2H5)2OH++FeCl4

[(C2H5)2OH]+[FeCl4]

1.3分離過(guò)程的本質(zhì)Ti4+留在水相Ti4+的親水作用勢(shì)能驅(qū)使Ti4+留在水相；Ti4+的濃度差產(chǎn)生的化學(xué)勢(shì)驅(qū)使Ti4+均勻分布在整個(gè)空間；Ti4+的親水作用勢(shì)能遠(yuǎn)大于濃度差化學(xué)勢(shì)，所以，Ti4+留在水相Fe3+進(jìn)入乙醚相Fe3+的濃度差產(chǎn)生的化學(xué)勢(shì)驅(qū)使Fe3+均勻分布在整個(gè)空間；

[(C2H5)2OH]+[FeCl4]

的親溶劑（疏水）勢(shì)能驅(qū)使Fe3+進(jìn)入乙醚相；親溶劑勢(shì)能遠(yuǎn)大于濃度差化學(xué)勢(shì)，所以，F(xiàn)e3+進(jìn)入乙醚相1.3分離過(guò)程的本質(zhì)結(jié)論：分離有時(shí)是自發(fā)過(guò)程、混合有時(shí)也不能自發(fā)進(jìn)行；總自由能決定體系是趨向分離、還是趨向混合，即：

G總＝勢(shì)能項(xiàng)＋熵項(xiàng)＝μi＋RTlnai均相體系中只存在濃度差

自發(fā)混合。非均相體系中除濃度差外，還存在各種相互作用（勢(shì)能）

各組分趨向于分配在低勢(shì)能相。（自由能降低）1.4分離方法的類型

一般分離過(guò)程

能量或分離劑

原料（混合物）目標(biāo)產(chǎn)物

分離裝置

殘余物1.4分離方法的類型可用于分離的物質(zhì)性質(zhì)物理性質(zhì)力學(xué)性質(zhì)密度、摩擦因素、表面張力、尺寸、質(zhì)量熱力學(xué)性質(zhì)熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、臨界點(diǎn)、蒸汽壓、溶解度、分配系數(shù)、吸附電磁性質(zhì)電導(dǎo)率、介電常數(shù)、遷移率、電