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1、2018/9/18,1,第1节 物质的分离和纯化技术,一、分离和纯化方法的分类及特征,分离,机械分离，对象是两相以上的混合物，例如，过滤、沉降、离心分离、旋风分离和静电除尘等。,传质分离，用于各种均相混合物的分离，特点是由质量传递现象发生；有可分为平衡分离过程和速率分离过程。,2018/9/18,2,平衡分离过程：,该过程是借助分离媒介（如热能、溶剂和吸附剂）是均相混合物系统变成两相系统，再以混合物中各组分处于相平衡的两相中的不同分配为依据而实现分离。,分离媒介：能量媒介（ESA）和物质媒介（MSA）。,2018/9/18,3,速率分离过程：,速率分离过程是在某种推动力（浓度差、压力差、温度差
2、、电位差等）的作用下，有时在选择性透过膜的配合下，利用各组分扩散速率的差异实现组分的分离。这类过程所处理的原料属于同一相态， 仅有组成上的差异。,2018/9/18,4,常见的平衡分离过程有：, 蒸馏蒸馏装置的目的在将 一个容器中的某一成分 利用蒸发和冷凝的过程 将其分离出來，以达到 纯化该物质的结果。,2018/9/18,5,精馏 精馏是一种利用回流使混合液得到高纯度分离的蒸馏方法 精馏的原理：多次而且同时运用部分气化和部分冷凝的方法，使混合液得到较完全分离，以分别获得接近纯组分的操作。,2018/9/18,6, 溶液萃取 用溶剂从液体混合物中提取其中某种组分的操作称为液/液萃取。萃取是利用
3、溶液中各组分在所选用的溶剂中溶解度的差异，使溶质进行液液传质，以达到分离均相液体混合物的操作。溶液萃取是工业上广泛采用的分离技术。,2018/9/18,7,萃取操作全过程可包括： 1原料液与萃取剂充分混合接触，完成溶质传质过程； 2萃取相和萃余相的分离过程； 3从萃取相和萃余相中回收萃取剂的过程。通常用蒸馏方法回收。,2018/9/18,8, 蒸发 蒸发一般是指通过热量的传递，引起汽化使液体转变为气体的过程 。如：蒸馏水的制备,一些晶体的提纯等。,2018/9/18,9, 重结晶重结晶是利用固体混合物中目标组分在某种溶剂中的溶解度随温度变化有明显差异，在较高温度下溶解度大，降低温度时溶解度小，
4、从而能实现分离提纯。,2018/9/18,10, 升华升华是物质由固体不经液体状态直接转化 成气体的过程，一般是在高真空下进行。,2018/9/18,11, 吸附吸附的应用一般仍然限于分离低浓度的组 分。近年来由于吸附剂及工程技术的发展， 使吸附的应用扩大了。已经工业化的过程有多种气体和有机液体的脱水和净化操作。,2018/9/18,12, 离子交换离子交换也是一种重要的单元操作。它采 用离子交换树脂有选择地除去某组分，而树 酯本身能够再生。,2018/9/18,13, 泡沫分离泡沫分离是基于物质有不同的表面性质， 当惰性气体在溶液中鼓泡时，某组分可被选 择地吸附在从溶液上升的气泡表面上，直至
5、 带到溶液上方泡沫层内浓缩并加以分离。为 了使溶液产生稳定的气泡，往往加入表面活 性剂。表面活性和鼓泡特征是泡沫分离的基 础。,2018/9/18,14, 区域熔炼区域熔炼是根据液体混合物在冷凝结晶过 程中组分重新分布的原理，通过对此熔融和 凝固，制备高纯度的金属、半导体材料和有 机化合物的一种提纯方法。,2018/9/18,15,近年来，涌现出的新型平衡分离技术：,新型多级分步结晶技术重复地运用部分凝固和部分熔融，利用原 料中不同组分间凝固点的差异而实现分离， 与精馏相比，能耗可大幅度下降，设备费也 低于精馏。,2018/9/18,16,变压吸附技术 近年来在工业上新崛起的气体分离技术。 其
6、基本原理是利用气体组分在固体吸附材料 上的吸附性的差异，通过周期性的压力变化 实现气体的分离。在我国有几十年的历史， 已进入世界先进行列。优点：能耗低、流程 简单、产品气体纯度高。举例：合成氨尾 气、甲醇尾气制纯氢。从含CO或CO2混合气 中制纯CO和CO2 ；从空气中制富氧和纯氢 等。,2018/9/18,17,超临界流体萃取技术利用超临界区溶剂的高溶解性和高选择性 将溶质萃取出来，再利用在临界温度和临界 压力以下溶解度急剧降低，使溶质和溶剂迅 速分离。该法用于天然产物中的有效成分和 生化产品的分离提取。,2018/9/18,18,常见的速率分离技术有：,膜分离 膜分离是利用流体中各组分对膜
7、的渗透 速率的差别而实现组分分离的单元操作。膜：固态或液态 所处理的流体：液体、气体 过程的推动力：压力差、浓度差和电位差,2018/9/18,19,二、 吸附分离技术,在吸附分离过程中，流动相中的溶质选择 性地吸附于不溶性固体吸附剂颗粒上。在吸 附过程中，气体或液体中的分子、原子或离 子传递到吸附剂固体的外和内表面，依靠键 或微弱的分子间吸附于固体上。,2018/9/18,20,二、 吸附分离技术,1、概述 （1）吸附过程 利用多孔固体颗粒选择性地吸附流体中一个 或多个组分，从而使流体混合物得以分离的 方法称为吸附操作。 被吸附物质称为吸附质， 具有多孔表面的固体称为吸附剂。,2018/9/
8、18,21,二、 吸附分离技术,1、概述 （1）吸附过程 大多数情况下，吸附为物理吸附，是可逆的，随温 度的升高或被吸附质的分压的降低，吸附质会解吸 。 由吸附质和吸附剂分子间化学键作用而引起的吸附 称为化学吸附，其放出的热量与化学反应热的数量 级相当，过程往往是不可逆的。如加氢催化中镍对 氢的吸附，固体脱硫剂脱除原料气中的微量的硫化 物等。,2018/9/18,22,二、 吸附分离技术,1、概述 （2）吸附剂 吸附剂主要分为四大类: 活性炭，沸石分子 筛、硅胶和活性氧化铝。 主要特征是：多孔结构和很大的比表面。 常用吸附剂的比表面积约为300-1200m2/g。 吸附剂的关键性能是：选择吸附
9、性能。,2018/9/18,23,二、 吸附分离技术,1、概述 （2）吸附剂 活性炭 炭质吸附剂的总称 制备：几乎所有的有机物都可作为活性炭的 原料。将原料在隔绝空气的条件下加热至 600左右，使其热分解，得到的残炭再在 800以上高温下与空气、水蒸汽或二氧化碳 反应使其烧蚀，便生成多孔的活性炭,2018/9/18,24,二、 吸附分离技术,1、概述 （2）吸附剂 活性炭 活性炭的表面为非极性和疏水表面。优点是 性能稳定、抗腐蚀、吸附容量大和解吸容 易，经过多次循环使用，仍可保持原有的吸 附性能。,2018/9/18,25,二、 吸附分离技术,1、概述 （2）吸附剂 活性炭 活性炭常用于回收气
10、体中的有机物，脱除废 水中的有机物，脱除水溶液中的色素等。活 性炭可制成粉末状、球状、圆柱状或碳纤维 等。,2018/9/18,26,二、 吸附分离技术,1、概述 （2）吸附剂 沸石分子筛 Mx/m(AlO2)x(SiO2)yZH2O 表示的含水硅酸 盐，其中M为A和A族金属元素，多数 为钠与钙。 m表示金属离子的价数。沸石分 子筛具有Al-Si晶形结构,2018/9/18,27,二、 吸附分离技术,1、概述 （2）吸附剂 沸石分子筛 沸石分子筛具有高度规则的笼和孔。每一种 分子筛都具有特定的均一孔径，根据其配料 比，组成和制造方法不同，可以制得各种孔 径和形状的分子筛。,2018/9/18,
11、28,二、 吸附分离技术,1、概述 （2）吸附剂 沸石分子筛 沸石分子筛是强极性吸附剂，对极性分子如 H2O、CO2、H2S和其他类似物质有很强的 亲和力，而与有机物亲和力较弱。,2018/9/18,29,二、 吸附分离技术,1、概述 （2）吸附剂 硅胶 化学式为SiO2n H2O制备：用硅酸钠和无机酸反应生成H2SiO3，其水合物在适宜条件下聚合、缩合而成为硅氧四面体的多聚物，经聚集、洗盐、脱水成为硅胶。在制造过程中控制胶团的尺寸和堆积的配位数，可以控制硅胶的孔容、孔径和表面积。,2018/9/18,30,二、 吸附分离技术,1、概述 （2）吸附剂 活性氧化铝 化学式 Al2O3n H2O。
12、 制法：用无机酸的铝盐与碱反应生成氢氧化 铝的溶胶，然后转变为凝胶，经灼烧脱水即 成活性氧化铝。其活性中心是：羟基和路易 斯酸中心，极性强，对水有很高的亲和作用 。与沸石分子筛相似，水分子与氧化铝表面 的亲和作用不像与沸石分子筛那样强，所以 氧化铝可在适中温度下重生。,2018/9/18,31,二、 吸附分离技术,1、概述 （3）吸附平衡 当流体与固体吸附剂接触时，流体中的吸附质将被吸附质吸附，经过足够长的时间，吸附质在两相中的浓度不再变化，称为吸附平衡。吸附平衡关系通常用等温下吸附剂中吸附质的含量与流体相中吸附质的浓度或分压间的关系表示，称为吸附等温线。,2018/9/18,32,二、 吸附
13、分离技术,1、概述 （3）吸附平衡 气体吸附平衡单组分气体吸附平衡 单组分气体吸附等温线可分为五种基本类型（如物化所示）多组分气体的吸附 一个组分的增加可增加、降低或不影响另外组分的吸附，这取决于被吸附分子的相互作用。,2018/9/18,33,二、 吸附分离技术,1、概述 （3）吸附平衡液相吸附平衡 液相吸附的机理远比气相复杂，除温度和溶质的浓度外，吸附剂对溶剂和溶质的吸附、溶质的溶解度和离子化、各种溶质之间的相互作用以及共吸附现象等都会对吸附产生不同的影响。,2018/9/18,34,二、 吸附分离技术,2. 吸附机理 吸附质在吸附剂的多孔表面被吸附分为四步 外扩散过程-吸附质从流体主体通
14、过分子扩散与对流扩散穿过薄膜或边界层传递到吸附剂的外表面 内扩散过程-通过孔扩散从吸附剂的外表面传递到微孔结构的内表面。 表面扩散吸附质沿孔表面扩散 吸附质被吸附在孔的表面,2018/9/18,35,二、 吸附分离技术,3. 吸附分离工艺简介根据待分离物系中各组分性质和过程的 分离要求（如纯度、回收率、能耗等），在 选择适当吸附剂和解吸剂的基础上，采用相 应的工艺流程和设备。常用的吸附分离设备 有：吸附搅拌槽、固定床吸附器、移动床和 流化床吸附塔。,2018/9/18,36,二、 吸附分离技术,3. 吸附分离工艺简介 （1）吸附搅拌槽 用于液体的吸附分离。 将要处理的液体与粉末状（或颗粒状）吸
15、附 剂加入搅拌槽中，在良好的搅拌下，固液形 成悬浮液，在液固充分接触中吸附质被吸 附。搅拌槽式吸附操作多用于液体的精制， 例如脱水、脱色、脱臭等。,2018/9/18,37,二、 吸附分离技术,植物油脱色的吸附设备,3. 吸附分离工艺简介 （1）吸附搅拌槽,2018/9/18,38,二、 吸附分离技术,3. 吸附分离工艺简介 （2）固定床吸附多数为圆柱形立式筒体设 备。在筒体内的多孔支撑板 上堆放吸附剂颗粒，成为固 定的吸附床层。欲处理的流 体至上而下或至下而上通过 固定吸附床层时，吸附质被 吸附在吸附剂上，其余流体 则有出口排出,回收工业废气中的苯蒸气,2018/9/18,39,二、 吸附分
16、离技术,3. 吸附分离工艺简介,连续再生吸 附塔示意图,（回收混合气体中的有机溶剂）,2018/9/18,40,三、膜分离技术,膜分离是指通过特定 的膜的渗透作用，借 助于外界能量或化学 位差的推动，对两组 分或多组分混合物的 气体或液体进行分 离、分级、提纯和富 集。,2018/9/18,41,三、膜分离技术,特点：大多数膜分离过程不发生相变化，能 耗低；在常温下进行，适合热敏性物质的分 离、分级和浓缩；膜分离过程适用的对象广 泛，大到肉眼能看到的颗粒，小到离子和气 体分子；膜分离过程装置简单、操作溶液、 易于控制和维修，投资费用低。,2018/9/18,42,三、膜分离技术,1. 膜的定义和分类 膜是把两个物相空间隔开而又使之互相关联、发生质量和能量传输过程的一个中间介入相，可以使液相、固相和气相，也可以是它们的组合。 膜是分离技术的核心，通常对膜的要求是：具有良好的成膜性，热稳定性，化学稳定性，耐酸、碱、微生物侵蚀和耐氧化性。,2018/9/18,
