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1、分离科学与技术,主讲： 丁 霞,参考文献,1.耿信笃著. 现代分离科学理论导引.北京：高等教育出版社，2001 2.大矢晴彦著. 分离的科学与技术.张谨译.北京：中国轻工业出版社，1999 3.丁明玉等著. 现代分离方法与技术.化学工业出版社，2006 4.胡小玲等著. 化学分离原理与技术.化学工业出版社，2006 5.陈欢林著. 新型分离技术.化学工业出版社，2006 6.袁黎明著. 制备色谱技术及应用.北京：化学工业出版社，2005 7.安树林著. 膜科学技术教程.北京：化学工业出版社，2005,教学计划（32学时）,第一章 现代分离科学概论 第二章 经典的分离技术 第三章 膜分离技术 第
2、四章 制备色谱技术 第五章 新型萃取技术 第六章 手性分离技术 第七章 生物分离技术,第一章 现代分离科学概论,第一节 现代分离科学的特点与任务 第二节 分离科学的基本概念 第三节 分离的热力学限制第四节 现代分离法分类学说简介,物质的分离是化学中最基本的研究手段，也是最重 要的实验技术.。,分离是利用物质的物理,化学,及生物化学性质的差异 来实现的。,与物质的分离有关常见术语：,分离 提取 富集：摩尔分数小于0.1组分的分离 浓缩：摩尔分数处0.1-0.9间组分 纯化：摩尔分数大于0.9组分的分离 拆分：手性化合物的分离 干燥,人们对“分离”一词的反应是强烈的，比如亲人间、朋友间的分离大多是
3、痛苦的。因此人类社会的分离要考虑是否有必要。物质分离也要考虑是否有必要，因为它是需要付出代价的。,作为物质分离，在科学研究和工业生产中，在日常生活 中也无处不在。,日常生活中的分离,饮食起居:自来水(过滤);净水器（分离膜/吸附剂）；泡茶（固体浸出法）;榨果汁 环境保护: 污水治理;垃圾分类； 医药卫生：抗菌素的纯化；血透; 病毒的分 离 能源:铀的富集,分离的定义,分离是利用混合物中各组分在物理性质或化学性质上的差异,通过适当的装置或方法,使各组分分配至不同的空间区域或者在不同时间依次分配至同一空间区域的过程.部分分离与完全分离制备性分离与分析性分离,在分离过程中，组分需迁移（即分子向一定方
4、向移动）并在分离体系的空间中进行再分配，因为迁移还涉及到所需的驱动力、体系的宏观和微观性质、分子本身的结构、试样本身的性质以及分离能进行到什么程度等各方面的因素，分离过程的影响因素极为复杂,这也是分离科学成为一门独立学科的原因.近年来，由于精细化工、生命科学和材料科学等新兴学科的发展，加之计算机和现代分离手段的广泛应用，促使分离科学的基础理论日臻完善，技术水平不断提高，使其逐渐发展成为一门相对独立的学科。,分离科学的定义,分离科学是研究从混合物中分离、富集或纯化某些组分以获得相对纯物质的规律及其应用一门学科。它是研究物质在分子水平上的空间分布和移动规律的一门科学.,分离科学的研究内容,分离过程
5、的共同规律分离过程中的热力学动力学理论等各种不同分离技术的分离原理方法设备与应用,分离过程中的热力学; 功 能量 方向与限度 平衡 分离过程中的动力学; 溶质的迁移和扩散 速度与效 率 分离过程中发生在界面上的计量置换； 平衡分离的分子学基础； 疏水效应； 分离过程中的最优化； 分离方法的简介和比较,分离科学与技术的发展史与现状,经典分离方法与技术历史悠久现代分离技术的产生及分离科学的建立现状是空前活跃,经典分离方法与技术历史悠久炼铜冶铁（几千年前） 酿酒制糖（明天工开物） 手工作坊, 单元操作两个阶段,随着现代工业的发展和科学技术的不断进步，人们对分离技术提出了越来越高的要求，促进了分离理论
6、及新技术的研究，逐步掌握了分离理论及技术的规律，建立了接近于实际情况的数学模型，使各种新的现代分离技术不断涌现，形成了崭新的现代分离科学。,现代分离科学的建立,分离科学的现状,从20世纪80年代初开始，在国外愈来愈多的大学里设立了“现代分离科学”课程。课程内容不断更新，国际上每年多次召开以分离科学为内容的学术会议，仅以“高效液相色谱”及“毛细管电泳”命名的国际会议每年就有十几次。近几年来，美国、俄罗斯、日本以及其它许多工业化程度较高的国家都相继建立了各种专门的研究机构和开发公司，新成立的仅以“分离科学”和“分离技术”命名的公司就有上百家。 目前在研究分离过程和技术进展方面出现空前未有的踊跃局面
7、。 各种新的现代分离技术不断涌现; 建立了接近于实际情况的数学模型,第一节 现代分离科学的特点与任务,一、分离科学与现代分离科学二、现代分离科学的特点三、现代分离科学研究的内容 四、现代分离科学的发展动向,新型分离技术的分类,新型分离技术大致可分为三大类： 第一类：对传统分离过程或方法加以变革后的分离技术：如基于萃取的超临界流体萃取(supercritial-fluid extraction)、液膜萃取(liquid membrane extraction)以及基于吸附的色谱分离、分子蒸馏（molecular distillation）又称短程蒸馏。第二类：基于材料科学发展形成的分离技术：如反
8、渗透（reverse osmosis)、超滤（ultrafiltration)、气体渗透、渗透汽化（pervaporation）等膜分离技术。第三类：膜与传统分离相结合形成的分离技术（耦合与集成技术）：如膜吸收（membrane-based absorption）、膜萃取（membrane-based extraction）、亲和超滤（affinity ultrafiltration)、膜反应器（membrane reaction）等。,现代分离科学与技术的发展趋势,利用方法间的共性，探讨方法间的联系和统一理论和数学模式的表达将新技术、新材料引入分析技术中，发展新分离原理和方法;解决现代科技和
9、生产过程中重大的分离和纯化问题;利用现代分析手段，如波谱、电镜、粒子束分析研究分离过程机理，探讨分离过程动力学及其模型;计算机模拟分离过程和数学模型的建立; 多种分离方法和技术联用，研究最优化分离条件;分离发现新的重要物质; 利用电、磁、光、热等建立无污染的分离过程.,二、现代分离科学的特点,分离过程使用最新的技术，例如：激光、计算机、微生物及电子技术等； 分离的对象为生物工程及现代化工业产品，如生命科学中的蛋白质、核酸、酶及多糖等的分离和纯化，原子能科学中同位素的分离，材料科学中新材料的制备等 提出新的分离原理，发展新的分离方法和技术,对分离技术观念上的更新：经典分离法评价分离方法的优劣，仅
10、从宏观效果，如对有关物质的回收率、分离度（如色谱分离中的R值，反映了分离的效果）等指标进行评估。而现代分离科学对某些体系，如蛋白质药物的分离，除上述指标外，还要对其分离过程中微观变化、分子构象进行评估，它将直接影响蛋白质的生物活性。,三、 现代分离科学的重要性 （1）促进传统分离科学的进步。 （2）实现本世纪科学目标的重要手段。 （3）“三废治理”（）新物质的发现与研究 （5）探索宇宙的奥秘是生产活动科学研究必不可少的手段,四、 现代分离科学研究的内容,各种表面上看来毫无联系的各分离方法之间的共同规律，例如组分在相及界面迁移过程中发生了什么变化，它对分离产生了什么样的影响，如何强化对分离有利的
11、因素和抑制那些不利的因素； 选择现代科学技术中对分离和纯化要求最迫切的对象进行研究，以提高经济效益，解决生产中的关键问题；,如何将现代科技中最先进的技术和材料应用于分离技术中 将各种分离方法联用，研究最优化的分离条件 分离出迄今尚未发现的新物质 寻求新的分离原理及方法等,第二节 分离科学的基本概念,一.回收因子 二. 分离因子 三.纯度 四.富集倍数,回收因子,回收因子Ri反映被分离物在分离过程中损失量的多少,是分离方法准确度的表征.Ri为实际回收量Q占样品中总量Q0的分数。它的数学表达式为:(1.1)测定方法: 标准加入法与标准样品法,分离因子,表示某一单元分离操作或某一分离流程中两种物质被
12、分离的程度。它与两种物质的回收率有关.回收率相差越大,分离效果越好. 表示两种组分被分离的难易程度,分离因子SB/A,对于A，B二种组分而言，A为欲分离的组分，B为伴随组分，其B对A的分离因子定义为或 （1.2）因在一般定量分离中，RA1,所以 （1.3）由此可见，在分离过程中，要求B对A的分离因子愈小愈好，即RB值愈小愈好。反之A对B的分离因子越大越好.,分离因子取决于两个因素： （1）样品中B对A的比例即 ； （2）实现分离后二者的比例即 。 表1.1在不同 和 时 的值,纯 度,纯度系指分离产物中主成分含量高低或所含杂质的多少。生物制品的纯度: 蛋白质等物质以比活及杂质含量来确认其纯度.
13、即单位纯蛋白质质量的活性来定义蛋白质的比活。因纯蛋白的比活是一定的，所以比活愈高，则表明该蛋白的纯度愈高。同时测定杂质含量.,（1）给药次数 （2）杂质对人体的有害程度一般95% (3) 对分离指标的要求(结构分析,定量分析),影响纯度的要求的因素,富集倍数,富集对象是微量和痕量组分,对富集倍数的要与最初浓度及分析技术的灵敏度高低有关 富集倍数=目标组分的回收率/基质组分的回收率,第三节 分离的热力学限制 一、 混合的熵 二、 分离-负熵的生成 三、 能量的种类 四、 分离的理论耗能量 五、 分离的热力学限制,分离的热力学限制,(a)+（b+c+d)+ (a+b+c+d+) (a) (a) (
14、稀释)熵值增大的自发过程(单相体系)在分离过程中所做的各种努力不外乎两方面：一、尽可能增大分离的驱动力二、努力减小体系的熵值,一. 混合的熵分离与混合是互为相反的过程，假设在图1.1所示的用隔膜分开的两个小室内，分别存在着处于同一压力p下的，可看作是理想气体纯组分的A和B，其物质的量分别为nA和nB。如果取掉这层隔膜，组分A和B就要进行扩散而相互混合，最终变成均匀的混合物，正如所知那样，此时混合的熵依下式增大：,图1.1,成分A nAmol,成分 B nBmol,混合,分离,混合物（A+B) (nA+nB) mol,隔膜,若混合物为1mol,则有： 其中， 分别为组分A和B的摩尔分数。若 则,
15、例题1.1常温、常压(300K,101.3kPa)下，空气由摩尔分数为79%的N2和21%的O2组成，试求当N2与O2分别由纯组分按上述组成混合为1m3这样的空气，因混合而增大的熵。,解：将xA=0.79,xB=0.21代入（1.7）式中，则1mol空气熵的变化为把空气作为理想气体，使用理想气体状态方程PV=nRT，就可求出1m3空气混合物所相当的物质的量即则,例题1.2常温海水是由质量分数3.5%的NaCl（摩尔质量5.8510-2kg/mol）和水组成的。按此组成用水与NaCl混合成为海水1000kg，试求由于混合而增大的熵。（这里，海水可视为理想溶液）。,解：因为NaCl的质量分数3.5%，所以1000kg海水中，水为965kg。 设nA为NaCl的物质的量，nB为水的物质的量，则,代入式(1.7)中,稀释熵,二. 分离 负熵的生成（熵的减少）由上面的讨论可以看到，混合是使熵增大的过程，所以是自然发生的现象。与之相反，要把熵增大了的混合物（A+B）分离成纯组分A和B，返回原先的状态，就必须把增大了的熵用某一方法除去。换句话说，就是必须要把负的熵加到混合物(A+B)上。,
