材料制備技術 第1節(jié) 物質的分離和純化技術.ppt

1、2020/8/12,1,第1節(jié) 物質的分離和純化技術,一、分離和純化方法的分類及特征,分離,機械分離，對象是兩相以上的混合物，例如，過濾、沉降、離心分離、旋風分離和靜電除塵等。,傳質分離，用于各種均相混合物的分離，特點是由質量傳遞現(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)而實現(xiàn)分離。,分離媒介： 能量媒介（ESA）和物質媒介（MSA）。,2020/8/12,3,速率分離過程：,速率分離過程是在某種推動力（濃度差、壓力差、溫

2、度差、電位差等）的作用下，有時在選擇性透過膜的配合下，利用各組分擴散速率的差異實現(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，以達到 純化該物質的結果。,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：多次而且同時運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，使溶質進行液液傳質，以達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。,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，完成溶質傳質過程；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, 重結晶 重結晶是利用固體混合物中目標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，降低溫度時溶解

4、度小，從而能實現(xiàn)分離提純。,2020/8/12,10, 升華 升華是物質由固體不經(jīng)液體狀態(tài)直接轉化 成氣體的過程，一般是在高真空下進行。,2020/8/12,11, 吸附 吸附的應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的發(fā)展， 使吸附的應用擴大了。已經(jīng)工業(yè)化的過程有多種氣體和有機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有不同的表面性質， 當惰性氣體在溶液中鼓泡時，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。,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晶過 程中組分重新分布的原理，通過對此熔融和 凝固，制備高純度的金屬、半導體材料和有 機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：,新型多級分步結晶技術 重復地運用部分凝固和部分熔融，利用原 料中不同組分間凝固點的差異而實現(xiàn)分離， 與精餾相比，能耗可大幅度下降，設備費也 低于精餾。,2020/8/12,16,變壓吸附技術 近年來在工業(yè)上新崛起的

6、氣體分離技術。 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 實現(xiàn)氣體的分離。在我國有幾十年的歷史， 已進入世界先進行列。優(yōu)點：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 利用超臨界區(qū)溶劑的高溶解性和高選擇性 將溶質萃取出來，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有：,膜分離 膜分離是

7、利用流體中各組分對膜的滲透 速率的差別而實現(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 過程的推動力：壓力差、濃度差和電位差,2020/8/12,19,二、 吸附分離技術,在吸附分離過程中，流動相中的溶質選擇 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,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 或多個組分，從而使流體混合物得以分離的 方法稱為吸附操作。 被吸附物質稱為吸附質， 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,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的分壓的降低，吸附質會解吸 。 由吸附質和吸附劑分子間化學鍵作用而引起的吸附 稱為化學吸附，其放出的熱量與化學反應熱的數(shù)量 級相當，過程往往是不可逆的。如加氫催化中鎳對 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,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：多孔結構和很大的比表面。 常用吸附劑的比表面積約為300-1200m2/g。 吸附劑

9、的關鍵性能是：選擇吸附性能。,2020/8/12,23,二、 吸附分離技術,1、概述 （2）吸附劑 活性炭 炭質吸附劑的總稱 制備：幾乎所有的有機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 反應使其燒蝕，便生成多孔的活性炭,2020/8/12,24,二、 吸附分離技術,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,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物，脫除廢 水中的有機物，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,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表示金屬離子的價數(shù)。沸石分 子篩具有Al-Si晶形結構,2020/8/12,27,二、 吸附分離技術,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,1、概述 （2）吸附劑 沸石分子篩 沸石分子篩是強極性吸附劑，對極性分子如 H2O、CO2、H2S和其他類似物質有很強的 親和力，而與有機物親和力較弱。,2020/8/12,29,二、 吸附分離技術,1、概述 （2）吸附劑 硅膠 化學式為SiO2n H2O 制備：用硅酸鈉和無機酸反應生成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,1、概述 （2）吸附劑 活性氧化鋁 化學式

12、 Al2O3n H2O。 制法：用無機酸的鋁鹽與堿反應生成氫氧化 鋁的溶膠，然后轉變?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，對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，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,1、概述 （3）吸附平衡 當流體與固體吸附劑接觸時，流體中的吸附質將被吸附質吸附，經(jīng)過足夠長的時間，吸附質在兩相中的濃度不再變化，稱為吸附平衡。 吸附平衡關系通常用等溫下吸附劑中吸附質的含量與流體相中吸附質的濃度或分壓間的關系表示，稱為吸附等溫線。,2020/

13、8/12,32,二、 吸附分離技術,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,1、概述 （3）吸附平衡 液相吸附平衡 液相吸附的機理遠比氣相復雜，除溫度和溶質的濃度外，吸附劑對溶劑和溶質的吸附、溶質的溶解度和離子化、各種溶質之間的相互作用以及共吸附現(xiàn)象等都會對吸附產(chǎn)生不同的影響。,2020/8/12,34,二、 吸附分離技術,2. 吸附機理 吸附質在吸附劑的多孔表面被吸附分為四步

14、 外擴散過程-吸附質從流體主體通過分子擴散與對流擴散穿過薄膜或邊界層傳遞到吸附劑的外表面 內擴散過程-通過孔擴散從吸附劑的外表面?zhèn)鬟f到微孔結構的內表面。 表面擴散吸附質沿孔表面擴散 吸附質被吸附在孔的表面,2020/8/12,35,二、 吸附分離技術,3. 吸附分離工藝簡介 根據(jù)待分離物系中各組分性質和過程的 分離要求（如純度、回收率、能耗等），在 選擇適當吸附劑和解吸劑的基礎上，采用相 應的工藝流程和設備。常用的吸附分離設備 有：吸附攪拌槽、固定床吸附器、移動床和 流化床吸附塔。,2020/8/12,36,二、 吸附分離技術,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,植物油脫色的吸附設備,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,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 備。在筒體內的多孔支撐板 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，吸附質被 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,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溶劑）,2020/8/12,40,三、膜分離技術,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 位差的推動，對兩組 分或多組分混合物的 氣體或液體進行分 離、分級、提純和富 集。,2020/8/12,41,三、膜分離技術,特點：大多數(shù)膜分離過程不發(fā)生相變化，能 耗低；在常溫下進行，適合熱敏性物質的分 離、分級和濃縮；膜分離過程適用的對象廣 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，投資費用低。,2020/8/12,

17、42,三、膜分離技術,1. 膜的定義和分類 膜是把兩個物相空間隔開而又使之互相關聯(lián)、發(fā)生質量和能量傳輸過程的一個中間介入相，可以使液相、固相和氣相，也可以是它們的組合。 膜是分離技術的核心，通常對膜的要求是：具有良好的成膜性，熱穩(wěn)定性，化學穩(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,膜的種類繁多，性能各異，現(xiàn)歸納如下： 按成膜材料分：有機高分子材料膜和無機膜。 從膜的形狀分：有平板式、管式、中空纖維式、毛細管。 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,2. 傳統(tǒng)膜分離技術 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，從而達到分離提純的目的。 滲透壓的大小與溶液性質有關而與膜的性質 無關。,2020/8/12,45,三、膜分離技術,2. 傳統(tǒng)膜分離技術 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可透 過膜，而大分子物質及微細顆粒卻被阻留， 從而達到凈化分離的目的。,2020/8/12,46,三、膜分離技術,2. 傳統(tǒng)膜分離技術 電滲析 在直流電場的作用下，以電位差為 推動力，利用離子交換膜的選擇透過性，把 電解質從溶液中分離出來，從而實

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

20、餾需要兩 個條件：（1）膜蒸餾必須是疏水微孔膜； （2）膜兩側要有一定的溫度差存在，以提供 傳質所需的推動力,2020/8/12,50,三、膜分離技術,2. 傳統(tǒng)膜分離技術 液膜分離技術 是膜分離技術的主要分支， 具有高選擇高傳質速率。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，使物質分 離提純。液膜主要由膜溶劑（水或有機溶 劑）、表面活性劑和添加劑組成。,2020/8/12,51,三、膜分離技術,液膜根據(jù)其結構可分為多種，但具有實際應用價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,(W/O)/W (水-油-水),2020/8/12,53,三、膜分離技術,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， 在膜的兩側則是原料 相和透過相，以濃度 差為推動力，通過促 進傳遞，分離