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：32學(xué)時（16講）授課教師：

丁明玉：前8周；羅國安：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)參考書目1.《化學(xué)分離富集方法及應(yīng)用》編委會，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，分離過程化學(xué)，清華大學(xué)出版社，19933.呂一波等，分離技術(shù)，中國礦業(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)及其研究內(nèi)容1.2分離科學(xué)的意義1.3分離過程的本質(zhì)1.4分離方法的類型1.5分離方法的評價1.6分離（富集）技術(shù)的發(fā)展趨勢1.1分離科學(xué)及其研究內(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)被分開了（isolation）。含有m種化學(xué)組分的混合物被分成m個常量范圍。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)域或者在不同的時間依次分配至同一空間區(qū)域的過程。1.1分離科學(xué)及其研究內(nèi)容富集（concentration）的概念：在分離的過程中使對象物質(zhì)在某空間區(qū)域的濃度增加。從大量基體物質(zhì)中將欲測量的組分集中到一較小體積的溶液中，從而提高檢測靈敏度。分離與富集的關(guān)系：富集需要借助分離的手段，在分析過程中分離與富集往往是同時實(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)及其研究內(nèi)容純化（purification）：

通過分離操作使某種物質(zhì)的純度提高的過程。純度（purity）：主組分含量高低或所含雜質(zhì)多少的一個概念；純是相對的，不純是絕對的；不同目的對純度的要求不同；純度越高，成本越高。1.1分離科學(xué)及其研究內(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純物質(zhì)的過程的規(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)及其研究內(nèi)容分離的目的確認(rèn)對象物質(zhì)或準(zhǔn)確測定其含量；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)及其研究內(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。

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.藥物對映異構(gòu)體的分離。1.1分離科學(xué)及其研究內(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)及其研究內(nèi)容分離富集技術(shù)的特點(diǎn)分離對象種類繁多（所有天然和合成物質(zhì)）分離目的各不相同（檢測、制備、定性定量）分離規(guī)模差別很大（

g級噸級）分離技術(shù)形形色色（過濾、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)及其研究內(nèi)容分離科學(xué)的研究內(nèi)容分離過程的共同規(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.用動力學(xué)原理研究各種分離過程的速度與效率。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)識物質(zhì)世界的必經(jīng)之路

物質(zhì)的物理常數(shù)的測定；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)；待測組分在樣品中分布不均勻；沒有合適的標(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)自來水、純凈水（過濾、反滲透）、凈水器；色拉油、脫鹽醬油、精鹽；室內(nèi)空氣凈化器；香煙過濾嘴新劑型（針劑、口服液、膠囊）中藥1.3分離過程的本質(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程過程是自發(fā)的

熵增加從水中取出糖

對體系做功（如蒸餾法）分離過程

過程不能自發(fā)進(jìn)行

熵減少

1.3分離過程的本質(zhì)有關(guān)分離過程本質(zhì)的一些描述（是否準(zhǔn)確或全面？）分離不能自發(fā)進(jìn)行（熵減少過程）分離在熱力學(xué)上受阻（對抗熱力學(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能對抗混合水分子和己烷分子間的疏水相互作用勢能對抗混合水和己烷的密度差（重力勢能）對抗混合

1.3分離過程的本質(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）差外不存在其他勢場。濃度差對化學(xué)勢的貢獻(xiàn)屬熵的貢獻(xiàn)，熵增勢能驅(qū)使Fe3+和Ti4+在整個體系范圍內(nèi)從有序向無序變化。1.3分離過程的本質(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分離過程的本質(zhì)Ti4+留在水相Ti4+的親水作用勢能驅(qū)使Ti4+留在水相；Ti4+的濃度差產(chǎn)生的化學(xué)勢驅(qū)使Ti4+均勻分布在整個空間；Ti4+的親水作用勢能遠(yuǎn)大于濃度差化學(xué)勢，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)勢驅(qū)使Fe3+均勻分布在整個空間；

[(C2H5)2OH]+[FeCl4]

的親溶劑（疏水）勢能驅(qū)使Fe3+進(jìn)入乙醚相；親溶劑勢能遠(yuǎn)大于濃度差化學(xué)勢，所以，F(xiàn)e3+進(jìn)入乙醚相1.3分離過程的本質(zhì)結(jié)論：分離有時是自發(fā)過程、混合有時也不能自發(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（勢能）

各組分趨向于分配在低勢能相。（自由能降低）1.4分離方法的類型

一般分離過程

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