材料制備技術(shù) 第1節(jié) 物質(zhì)的分離和純化技術(shù).ppt

1、2020/8/12,1,第1節(jié) 物質(zhì)的分離和純化技術(shù),一、分離和純化方法的分類及特征,分離,機(jī)械分離，對(duì)象是兩相以上的混合物，例如，過濾、沉降、離心分離、旋風(fēng)分離和靜電除塵等。,傳質(zhì)分離，用于各種均相混合物的分離，特點(diǎn)是由質(zhì)量傳遞現(xiàn)象發(fā)生；有可分為平衡分離過程和速率分離過程。,2020/8/12,2,平衡分離過程：,該過程是借助分離媒介（如熱能、溶劑 和吸附劑）是均相混合物系統(tǒng)變成兩相系統(tǒng)，再以混合物中各組分處于相平衡的兩相中的不同分配為依據(jù)而實(shí)現(xiàn)分離。,分離媒介： 能量媒介（ESA）和物質(zhì)媒介（MSA）。,2020/8/12,3,速率分離過程：,速率分離過程是在某種推動(dòng)力（濃度差、壓力差、溫

2、度差、電位差等）的作用下，有時(shí)在選擇性透過膜的配合下，利用各組分?jǐn)U散速率的差異實(shí)現(xiàn)組分的分離。 這類過程所處理的原料屬于同一相態(tài)， 僅有組成上的差異。,2020/8/12,4,常見的平衡分離過程有：, 蒸餾 蒸餾裝置的目的在將 一個(gè)容器中的某一成分 利用蒸發(fā)和冷凝的過程 將其分離出來，以達(dá)到 純化該物質(zhì)的結(jié)果。,2020/8/12,5,精餾 精餾是一種利用回流使混合液得到高純度分離的蒸餾方法 精餾的原理：多次而且同時(shí)運(yùn)用部分氣化和部分冷凝的方法，使混合液得到較完全分離，以分別獲得接近純組分的操作。,2020/8/12,6, 溶液萃取 用溶劑從液體混合物中提取其中某種組分的操作稱為液/液萃取。萃

3、取是利用溶液中各組分在所選用的溶劑中溶解度的差異，使溶質(zhì)進(jìn)行液液傳質(zhì)，以達(dá)到分離均相液體混合物的操作。溶液萃取是工業(yè)上廣泛采用的分離技術(shù)。,2020/8/12,7,萃取操作全過程可包括：1原料液與萃取劑充分混合接觸，完成溶質(zhì)傳質(zhì)過程；2萃取相和萃余相的分離過程；3從萃取相和萃余相中回收萃取劑的過程。通常用蒸餾方法回收。,2020/8/12,8, 蒸發(fā) 蒸發(fā)一般是指通過熱量的傳遞，引起汽化使液體轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w的過程 。 如：蒸餾水的制備,一些晶體的提純等。,2020/8/12,9, 重結(jié)晶 重結(jié)晶是利用固體混合物中目標(biāo)組分在某種溶劑中的溶解度隨溫度變化有明顯差異，在較高溫度下溶解度大，降低溫度時(shí)溶解

4、度小，從而能實(shí)現(xiàn)分離提純。,2020/8/12,10, 升華 升華是物質(zhì)由固體不經(jīng)液體狀態(tài)直接轉(zhuǎn)化 成氣體的過程，一般是在高真空下進(jìn)行。,2020/8/12,11, 吸附 吸附的應(yīng)用一般仍然限于分離低濃度的組 分。近年來由于吸附劑及工程技術(shù)的發(fā)展， 使吸附的應(yīng)用擴(kuò)大了。已經(jīng)工業(yè)化的過程有多種氣體和有機(jī)液體的脫水和凈化操作。,2020/8/12,12, 離子交換 離子交換也是一種重要的單元操作。它采 用離子交換樹脂有選擇地除去某組分，而樹 酯本身能夠再生。,2020/8/12,13, 泡沫分離 泡沫分離是基于物質(zhì)有不同的表面性質(zhì)， 當(dāng)惰性氣體在溶液中鼓泡時(shí)，某組分可被選 擇地吸附在從溶液上升的氣

5、泡表面上，直至 帶到溶液上方泡沫層內(nèi)濃縮并加以分離。為 了使溶液產(chǎn)生穩(wěn)定的氣泡，往往加入表面活 性劑。表面活性和鼓泡特征是泡沫分離的基 礎(chǔ)。,2020/8/12,14, 區(qū)域熔煉 區(qū)域熔煉是根據(jù)液體混合物在冷凝結(jié)晶過 程中組分重新分布的原理，通過對(duì)此熔融和 凝固，制備高純度的金屬、半導(dǎo)體材料和有 機(jī)化合物的一種提純方法。,2020/8/12,15,近年來，涌現(xiàn)出的新型平衡分離技術(shù)：,新型多級(jí)分步結(jié)晶技術(shù) 重復(fù)地運(yùn)用部分凝固和部分熔融，利用原 料中不同組分間凝固點(diǎn)的差異而實(shí)現(xiàn)分離， 與精餾相比，能耗可大幅度下降，設(shè)備費(fèi)也 低于精餾。,2020/8/12,16,變壓吸附技術(shù) 近年來在工業(yè)上新崛起的

6、氣體分離技術(shù)。 其基本原理是利用氣體組分在固體吸附材料 上的吸附性的差異，通過周期性的壓力變化 實(shí)現(xiàn)氣體的分離。在我國有幾十年的歷史， 已進(jìn)入世界先進(jìn)行列。優(yōu)點(diǎn)：能耗低、流程 簡單、產(chǎn)品氣體純度高。舉例：合成氨尾 氣、甲醇尾氣制純氫。從含CO或CO2混合氣 中制純CO和CO2 ；從空氣中制富氧和純氫 等。,2020/8/12,17,超臨界流體萃取技術(shù) 利用超臨界區(qū)溶劑的高溶解性和高選擇性 將溶質(zhì)萃取出來，再利用在臨界溫度和臨界 壓力以下溶解度急劇降低，使溶質(zhì)和溶劑迅 速分離。該法用于天然產(chǎn)物中的有效成分和 生化產(chǎn)品的分離提取。,2020/8/12,18,常見的速率分離技術(shù)有：,膜分離 膜分離是

7、利用流體中各組分對(duì)膜的滲透 速率的差別而實(shí)現(xiàn)組分分離的單元操作。 膜：固態(tài)或液態(tài) 所處理的流體：液體、氣體 過程的推動(dòng)力：壓力差、濃度差和電位差,2020/8/12,19,二、 吸附分離技術(shù),在吸附分離過程中，流動(dòng)相中的溶質(zhì)選擇 性地吸附于不溶性固體吸附劑顆粒上。在吸 附過程中，氣體或液體中的分子、原子或離 子傳遞到吸附劑固體的外和內(nèi)表面，依靠鍵 或微弱的分子間吸附于固體上。,2020/8/12,20,二、 吸附分離技術(shù),1、概述 （1）吸附過程 利用多孔固體顆粒選擇性地吸附流體中一個(gè) 或多個(gè)組分，從而使流體混合物得以分離的 方法稱為吸附操作。 被吸附物質(zhì)稱為吸附質(zhì)， 具有多孔表面的固體稱為吸

8、附劑。,2020/8/12,21,二、 吸附分離技術(shù),1、概述 （1）吸附過程 大多數(shù)情況下，吸附為物理吸附，是可逆的，隨溫 度的升高或被吸附質(zhì)的分壓的降低，吸附質(zhì)會(huì)解吸 。 由吸附質(zhì)和吸附劑分子間化學(xué)鍵作用而引起的吸附 稱為化學(xué)吸附，其放出的熱量與化學(xué)反應(yīng)熱的數(shù)量 級(jí)相當(dāng)，過程往往是不可逆的。如加氫催化中鎳對(duì) 氫的吸附，固體脫硫劑脫除原料氣中的微量的硫化 物等。,2020/8/12,22,二、 吸附分離技術(shù),1、概述 （2）吸附劑 吸附劑主要分為四大類: 活性炭，沸石分子 篩、硅膠和活性氧化鋁。 主要特征是：多孔結(jié)構(gòu)和很大的比表面。 常用吸附劑的比表面積約為300-1200m2/g。 吸附劑

9、的關(guān)鍵性能是：選擇吸附性能。,2020/8/12,23,二、 吸附分離技術(shù),1、概述 （2）吸附劑 活性炭 炭質(zhì)吸附劑的總稱 制備：幾乎所有的有機(jī)物都可作為活性炭的 原料。將原料在隔絕空氣的條件下加熱至 600左右，使其熱分解，得到的殘?zhí)吭僭?800以上高溫下與空氣、水蒸汽或二氧化碳 反應(yīng)使其燒蝕，便生成多孔的活性炭,2020/8/12,24,二、 吸附分離技術(shù),1、概述 （2）吸附劑 活性炭 活性炭的表面為非極性和疏水表面。優(yōu)點(diǎn)是 性能穩(wěn)定、抗腐蝕、吸附容量大和解吸容 易，經(jīng)過多次循環(huán)使用，仍可保持原有的吸 附性能。,2020/8/12,25,二、 吸附分離技術(shù),1、概述 （2）吸附劑 活性

10、炭 活性炭常用于回收氣體中的有機(jī)物，脫除廢 水中的有機(jī)物，脫除水溶液中的色素等?；?性炭可制成粉末狀、球狀、圓柱狀或碳纖維 等。,2020/8/12,26,二、 吸附分離技術(shù),1、概述 （2）吸附劑 沸石分子篩 Mx/m(AlO2)x(SiO2)yZH2O 表示的含水硅酸 鹽，其中M為A和A族金屬元素，多數(shù) 為鈉與鈣。 m表示金屬離子的價(jià)數(shù)。沸石分 子篩具有Al-Si晶形結(jié)構(gòu),2020/8/12,27,二、 吸附分離技術(shù),1、概述 （2）吸附劑 沸石分子篩 沸石分子篩具有高度規(guī)則的籠和孔。每一種 分子篩都具有特定的均一孔徑，根據(jù)其配料 比，組成和制造方法不同，可以制得各種孔 徑和形狀的分子篩。

11、,2020/8/12,28,二、 吸附分離技術(shù),1、概述 （2）吸附劑 沸石分子篩 沸石分子篩是強(qiáng)極性吸附劑，對(duì)極性分子如 H2O、CO2、H2S和其他類似物質(zhì)有很強(qiáng)的 親和力，而與有機(jī)物親和力較弱。,2020/8/12,29,二、 吸附分離技術(shù),1、概述 （2）吸附劑 硅膠 化學(xué)式為SiO2n H2O 制備：用硅酸鈉和無機(jī)酸反應(yīng)生成H2SiO3，其水合物在適宜條件下聚合、縮合而成為硅氧四面體的多聚物，經(jīng)聚集、洗鹽、脫水成為硅膠。在制造過程中控制膠團(tuán)的尺寸和堆積的配位數(shù)，可以控制硅膠的孔容、孔徑和表面積。,2020/8/12,30,二、 吸附分離技術(shù),1、概述 （2）吸附劑 活性氧化鋁 化學(xué)式

12、 Al2O3n H2O。 制法：用無機(jī)酸的鋁鹽與堿反應(yīng)生成氫氧化 鋁的溶膠，然后轉(zhuǎn)變?yōu)槟z，經(jīng)灼燒脫水即 成活性氧化鋁。其活性中心是：羥基和路易 斯酸中心，極性強(qiáng)，對(duì)水有很高的親和作用 。與沸石分子篩相似，水分子與氧化鋁表面 的親和作用不像與沸石分子篩那樣強(qiáng)，所以 氧化鋁可在適中溫度下重生。,2020/8/12,31,二、 吸附分離技術(shù),1、概述 （3）吸附平衡 當(dāng)流體與固體吸附劑接觸時(shí)，流體中的吸附質(zhì)將被吸附質(zhì)吸附，經(jīng)過足夠長的時(shí)間，吸附質(zhì)在兩相中的濃度不再變化，稱為吸附平衡。 吸附平衡關(guān)系通常用等溫下吸附劑中吸附質(zhì)的含量與流體相中吸附質(zhì)的濃度或分壓間的關(guān)系表示，稱為吸附等溫線。,2020/

13、8/12,32,二、 吸附分離技術(shù),1、概述 （3）吸附平衡 氣體吸附平衡 單組分氣體吸附平衡 單組分氣體吸附等溫線可分為五種基本類型（如物化所示） 多組分氣體的吸附 一個(gè)組分的增加可增加、降低或不影響另外組分的吸附，這取決于被吸附分子的相互作用。,2020/8/12,33,二、 吸附分離技術(shù),1、概述 （3）吸附平衡 液相吸附平衡 液相吸附的機(jī)理遠(yuǎn)比氣相復(fù)雜，除溫度和溶質(zhì)的濃度外，吸附劑對(duì)溶劑和溶質(zhì)的吸附、溶質(zhì)的溶解度和離子化、各種溶質(zhì)之間的相互作用以及共吸附現(xiàn)象等都會(huì)對(duì)吸附產(chǎn)生不同的影響。,2020/8/12,34,二、 吸附分離技術(shù),2. 吸附機(jī)理 吸附質(zhì)在吸附劑的多孔表面被吸附分為四步

14、 外擴(kuò)散過程-吸附質(zhì)從流體主體通過分子擴(kuò)散與對(duì)流擴(kuò)散穿過薄膜或邊界層傳遞到吸附劑的外表面 內(nèi)擴(kuò)散過程-通過孔擴(kuò)散從吸附劑的外表面?zhèn)鬟f到微孔結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面。 表面擴(kuò)散吸附質(zhì)沿孔表面擴(kuò)散 吸附質(zhì)被吸附在孔的表面,2020/8/12,35,二、 吸附分離技術(shù),3. 吸附分離工藝簡介 根據(jù)待分離物系中各組分性質(zhì)和過程的 分離要求（如純度、回收率、能耗等），在 選擇適當(dāng)吸附劑和解吸劑的基礎(chǔ)上，采用相 應(yīng)的工藝流程和設(shè)備。常用的吸附分離設(shè)備 有：吸附攪拌槽、固定床吸附器、移動(dòng)床和 流化床吸附塔。,2020/8/12,36,二、 吸附分離技術(shù),3. 吸附分離工藝簡介 （1）吸附攪拌槽 用于液體的吸附分離。 將

15、要處理的液體與粉末狀（或顆粒狀）吸附 劑加入攪拌槽中，在良好的攪拌下，固液形 成懸浮液，在液固充分接觸中吸附質(zhì)被吸 附。攪拌槽式吸附操作多用于液體的精制， 例如脫水、脫色、脫臭等。,2020/8/12,37,二、 吸附分離技術(shù),植物油脫色的吸附設(shè)備,3. 吸附分離工藝簡介 （1）吸附攪拌槽,2020/8/12,38,二、 吸附分離技術(shù),3. 吸附分離工藝簡介 （2）固定床吸附 多數(shù)為圓柱形立式筒體設(shè) 備。在筒體內(nèi)的多孔支撐板 上堆放吸附劑顆粒，成為固 定的吸附床層。欲處理的流 體至上而下或至下而上通過 固定吸附床層時(shí)，吸附質(zhì)被 吸附在吸附劑上，其余流體 則有出口排出,回收工業(yè)廢氣中的苯蒸氣,2

16、020/8/12,39,二、 吸附分離技術(shù),3. 吸附分離工藝簡介,連續(xù)再生吸 附塔示意圖,（回收混合氣體中的有機(jī)溶劑）,2020/8/12,40,三、膜分離技術(shù),膜分離是指通過特定 的膜的滲透作用，借 助于外界能量或化學(xué) 位差的推動(dòng)，對(duì)兩組 分或多組分混合物的 氣體或液體進(jìn)行分 離、分級(jí)、提純和富 集。,2020/8/12,41,三、膜分離技術(shù),特點(diǎn)：大多數(shù)膜分離過程不發(fā)生相變化，能 耗低；在常溫下進(jìn)行，適合熱敏性物質(zhì)的分 離、分級(jí)和濃縮；膜分離過程適用的對(duì)象廣 泛，大到肉眼能看到的顆粒，小到離子和氣 體分子；膜分離過程裝置簡單、操作溶液、 易于控制和維修，投資費(fèi)用低。,2020/8/12,

17、42,三、膜分離技術(shù),1. 膜的定義和分類 膜是把兩個(gè)物相空間隔開而又使之互相關(guān)聯(lián)、發(fā)生質(zhì)量和能量傳輸過程的一個(gè)中間介入相，可以使液相、固相和氣相，也可以是它們的組合。 膜是分離技術(shù)的核心，通常對(duì)膜的要求是：具有良好的成膜性，熱穩(wěn)定性，化學(xué)穩(wěn)定性，耐酸、堿、微生物侵蝕和耐氧化性。,2020/8/12,43,三、膜分離技術(shù),膜的種類繁多，性能各異，現(xiàn)歸納如下： 按成膜材料分：有機(jī)高分子材料膜和無機(jī)膜。 從膜的形狀分：有平板式、管式、中空纖維式、毛細(xì)管。 從膜的用途分：海水膜、苦咸水膜、廢水處理膜等。,2020/8/12,44,三、膜分離技術(shù),2. 傳統(tǒng)膜分離技術(shù) 反滲透 是與自然滲透過程相反的膜

18、分離過 程。滲透和反滲透是通過半透膜來完成的。 在濃溶液的一側(cè)施加比自然滲透壓更高的壓 力，迫使?jié)馊芤褐械娜軇┓聪蛲高^膜，流向 稀溶液的一側(cè)，從而達(dá)到分離提純的目的。 滲透壓的大小與溶液性質(zhì)有關(guān)而與膜的性質(zhì) 無關(guān)。,2020/8/12,45,三、膜分離技術(shù),2. 傳統(tǒng)膜分離技術(shù) 超濾 主要是以篩孔作用為主的薄膜過濾。 在一定壓力下，溶劑或小分子量的物質(zhì)可透 過膜，而大分子物質(zhì)及微細(xì)顆粒卻被阻留， 從而達(dá)到凈化分離的目的。,2020/8/12,46,三、膜分離技術(shù),2. 傳統(tǒng)膜分離技術(shù) 電滲析 在直流電場的作用下，以電位差為 推動(dòng)力，利用離子交換膜的選擇透過性，把 電解質(zhì)從溶液中分離出來，從而實(shí)

19、現(xiàn)溶液淡 化、精制或純化目的。,2020/8/12,47,電滲析過程,2020/8/12,48,三、膜分離技術(shù),2. 傳統(tǒng)膜分離技術(shù) 膜蒸餾 是膜技術(shù)和蒸發(fā)過程相結(jié)合的膜分離過程，所用的膜是不被待處理的溶液潤濕的疏水微孔膜。膜的一側(cè)與熱的待處理溶液直接接觸，另一側(cè)直接或間接與冷的水溶液接觸，熱側(cè)溶液中易揮發(fā)的組分在膜面處氣化，通過膜進(jìn)入冷側(cè)并被冷凝成液相，其他組分則被疏水膜阻擋在熱側(cè)，從而實(shí)現(xiàn)混合物分離或提純的目的,2020/8/12,49,三、膜分離技術(shù),2. 傳統(tǒng)膜分離技術(shù) 膜蒸餾 膜蒸餾是熱量和質(zhì)量同時(shí)傳遞的過程，是 有相變的膜過程，傳質(zhì)推動(dòng)力是膜兩側(cè)透過 組分的蒸汽壓差。因此，實(shí)現(xiàn)膜蒸

20、餾需要兩 個(gè)條件：（1）膜蒸餾必須是疏水微孔膜； （2）膜兩側(cè)要有一定的溫度差存在，以提供 傳質(zhì)所需的推動(dòng)力,2020/8/12,50,三、膜分離技術(shù),2. 傳統(tǒng)膜分離技術(shù) 液膜分離技術(shù) 是膜分離技術(shù)的主要分支， 具有高選擇高傳質(zhì)速率。它通過兩液相間形 成的界面-液相膜，將兩種組成不同但又相互 混溶的溶液隔開，經(jīng)選擇性滲透，使物質(zhì)分 離提純。液膜主要由膜溶劑（水或有機(jī)溶 劑）、表面活性劑和添加劑組成。,2020/8/12,51,三、膜分離技術(shù),液膜根據(jù)其結(jié)構(gòu)可分為多種，但具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的主要有以下三種。 a. 乳狀液膜 乳狀液膜(emulsion liquid membrane，ELM)是N.N.Li 發(fā)明專利中使用的液膜。乳狀液膜根據(jù)成膜液體的不同，分為(W/O)/W (水-油-水)和(O/W)/O(油-水-油)兩種。,2020/8/12,52,三、膜分離技術(shù),(W/O)/W (水-油-水),2020/8/12,53,三、膜分離技術(shù),b.支撐液膜 將液膜 溶液牢固地吸附在多 孔支撐體的微孔中， 在膜的兩側(cè)則是原料 相和透過相，以濃度 差為推動(dòng)力，通過促 進(jìn)傳遞，分離