分離科學(xué)復(fù)習(xí)題

9/9分離科學(xué)復(fù)習(xí)題緒論

分離就是將某種或某類物質(zhì)從復(fù)雜的混合物中分離出來，使之與其它物質(zhì)分開，以相對純的形式存在。

分離只是一個相對的概念。

分離的形式主要有兩種：一種是組分離；另一種是單一分離。

組分離時將性質(zhì)相近的一類組分從復(fù)雜的混合物體系中分離出來。如石油煉制中輕油和重油的分離。

單一分離時將某種化合物以純物質(zhì)的形式從混合物中分離出來。如化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)品的制備。

與分離緊密相關(guān)的幾個概念：富集、濃縮和純化。

富集：是指在分離過程中使目標(biāo)化合物在某空間區(qū)域的濃度增加。濃縮：是指將溶液中的一部分溶劑蒸發(fā)掉，使溶液中存在的所有溶質(zhì)的濃度都同等程度提高的過程。

濃縮是溶劑與溶質(zhì)的相互分離，不同溶質(zhì)相互并不分離。

純化：是通過分離操作使目標(biāo)產(chǎn)物純度提高的過程，是進一步從目標(biāo)產(chǎn)物中出去雜質(zhì)的分離操作。

根據(jù)目標(biāo)組分在原始溶液中相對含量（摩爾分?jǐn)?shù)）的不同，可以將富集、濃縮和純化三個概念進行大致的區(qū)分。

富集用于對摩爾分?jǐn)?shù)小于0.1的組分的分離，特別是對痕量組分的分離，如海水中中金屬的分離。濃縮用于對摩爾分?jǐn)?shù)小于0.1~0.9范圍內(nèi)的組分的分離，這時的目標(biāo)組分是溶液中的主要組分之一。純化是用于對摩爾分?jǐn)?shù)大于0.9的組分的分離，特別是對痕量組分的分離。這時樣品中的主要組分已經(jīng)是目標(biāo)物質(zhì)，純化只是為了使其摩爾分?jǐn)?shù)進一步提高。

分離科學(xué)是研究從某混合物中分離、富集或純化某些組分，以獲得相對純物質(zhì)的規(guī)律及其應(yīng)用的一門學(xué)科。

分離的目的主要由以下幾個方面：

1.分析操作的樣品前處理。

2.確認目標(biāo)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。

3.獲取單一純物質(zhì)或某類物質(zhì)以作它用。

4.除掉有害或有毒物質(zhì)。

分離按被分離物質(zhì)的性質(zhì)分類

1.物理分離法（如離心分離、電磁分離）

2.化學(xué)分離法（如沉淀、萃取、色譜分離、選擇性溶解）

3.物理化學(xué)分離法（如蒸餾、揮發(fā)、電泳區(qū)帶熔融、膜分離）

分離按分離過程的本質(zhì)分：

1.平衡分離過程

2.速度差分離過程

3.反應(yīng)分離過程

分離方法的評價

分離方法的好壞理論上可以用方法的分離度、回收率、富集倍數(shù)、準(zhǔn)確性和重現(xiàn)性等進行評價。

1、回收率：反應(yīng)被分離物在分離過程中損失量的多少。

%1000

?=QQR，Q為實際回收量，0Q為理論回收總量。通常情況對回收率的要求是：對于含量>1%的常量組分，回收率應(yīng)大于99%，對于含量103，對于微量組分要求SA/B>106，3、富集倍數(shù)富集倍數(shù)定義為目標(biāo)組分和基體組分的回收率之比。

由于基體組分的回收率難以得到，實際工作中，常用富集后與富集錢樣品中目標(biāo)組分的濃度之比來表示富集倍數(shù)。

分子間相互作用力

分子間的相互作用是介于物理相互作用與化學(xué)相互作用之間的一種作用力。分子間的相互作用包括：

1.靜電相互作用；

2.范德華力；

3.氫鍵；

4.電荷轉(zhuǎn)移相互作用范德華力包括：永久偶極相互作用力；誘導(dǎo)偶極相互作用力；色散力色散力也是許多溶劑極性不同的主要原因，即使是極性化合物的分子間也存在色散力。

色散力普遍存在于任何兩個相鄰的原子和分子之間，非極性分子之間的相互作用力主要是色散力。色散力是產(chǎn)生范德華力的最重要的原因，通常也是主要的。在極性分子中，三種范德華力同時存在；在非極性分子間則只有色散力；含不飽和鍵或易極化鍵的分子在有電場時，分子間主要是誘導(dǎo)偶極作用。

萃取技術(shù)

一、溶劑萃取

溶劑萃取是利用不同物質(zhì)在互不相容的兩相（水相和有機相）間分配系數(shù)的差異，使目標(biāo)物質(zhì)與基體物質(zhì)相互分離的方法。

萃?。喊涯辰M分從一個液相（水相）轉(zhuǎn)移到互不相溶的另一個液相（有機相）的過程。萃取過程的本質(zhì)是將物資有親水性轉(zhuǎn)化為疏水性的過程。分配平衡常數(shù)

溶劑萃取分配定律：在一定溫度下，當(dāng)某一溶質(zhì)在互不相溶的兩種溶劑中達到分配平衡時，該溶質(zhì)在兩相中的濃度之比為一常數(shù)，如果溶質(zhì)A在兩相中的平衡濃度分別為[A]org和[A]aq，則：

分配比

分配比表示某種物質(zhì)在有機相中的各種形態(tài)的總濃度Corg和在水相中的各種形態(tài)的總濃度Caq之比，稱為分配比，用D表示:

萃取率萃取率（E）表示在一定條件下被萃取溶質(zhì)進入有機相的量，即：

Vorg/Vaq稱為相比R

如果萃取n次（每次用Vorg的有機溶劑），則水相中剩余A的質(zhì)量減至mn，則：

mn=m0VaqDVorg+Vaqnaq

org

DAAK][][=∑∑==iaq

iiorgiAaqAorgAAccD][][水相中各形態(tài)的總濃度度有機相中各形態(tài)的總濃%100?=溶質(zhì)在兩相中的總量溶質(zhì)在有機相中的量E%100?+=aqaqorgorgorgorgVcVcVcE%100/1DD%100/?+=?+=R

VVDDEorgaq

式中：m0為水相中物質(zhì)A的原始質(zhì)量。

分離因子：

分離因子β表示兩種溶質(zhì)相互分離的程度。在溶劑萃取中，習(xí)慣上定義分配比大的溶質(zhì)A相對于分配比小的溶質(zhì)B的分離因子βA,B為：

根據(jù)萃取反應(yīng)，可將萃取分離法分為：無機共價化合物萃取、金屬螯合物萃取、離子締合物萃取、共萃取與抑萃取、熔融鹽萃取。

影響溶劑萃取的因素：

1、萃取劑濃度的影響

2、酸度的影響

3、金屬離子濃度的影響

4、鹽析劑的影響

在萃取過程中，往水相中加入另一種無機鹽使目標(biāo)萃取物的分配系數(shù)或分配比提高的作用稱為鹽析作用，所加入的無機鹽稱為鹽析劑。

5、溫度的影響

6、萃取劑和稀釋劑的影響

二、膠團萃取

膠團是雙親（即親水又親油）物質(zhì)在水或有機溶劑中自發(fā)形成的聚集體。當(dāng)向水溶液中加入表面活性劑達到一定濃度時就會形成表面活性劑聚集體，即膠團。

反膠團：表面活性劑的極性頭（親水基）朝內(nèi)（水），憎水的非極性尾部朝外（有機溶劑），中間形成極性的核。

臨界膠束濃度：表明活性劑在溶液中開始形成膠團時的濃度稱為臨界膠束濃度。當(dāng)溶液中表面活性劑濃度低于臨界膠束濃度時，它主要以單體形式，即分子或離子形式存在。

反膠團萃取體系可能通過四種方式溶解蛋白質(zhì)：

1、水殼模型；

2、插入模型；

3、吸附模型；

4、溶解模型

前三種溶解方式的共同點就是認為蛋白質(zhì)與膠團之間的靜電相互作用是蛋白質(zhì)進入膠團的主要驅(qū)動力。溶解模型中，蛋白質(zhì)溶于膠團的驅(qū)動力被認為是蛋白質(zhì)分子與膠團之間的疏水相互作用。

目前公認的是水殼模型。

影響反膠束萃取的主要因素：

BaqBorgAaqAorgBAB

AccccDD//,==β

1.表面活性劑的種類與濃度；

2.水相pH對萃取的影響；

3.離子強度；

三、雙水相萃取

雙水相是由兩種互不相溶的高分子溶液或互不相溶的高分子溶液和鹽溶液組成。

雙水相萃取是指某些有機物之間，或有機物與無機鹽之間，在水中以適當(dāng)?shù)臐舛热芙夂笮纬苫ゲ幌嗳莸膬上嗷蚨嘞囿w系。

在雙水相體系中，之所以一種聚合物富集于某一相，而另一種聚合物富集于另一相，是因為兩種聚合物的不相容性。聚合物的不相容性主要源于聚合物分子的空間位阻作用，相互無法滲透，不能形成單一水相，故具有強烈的分離傾向。

四、超臨界流體萃取

超臨界流體是物質(zhì)介于氣體和液體之間的一種特殊的聚集狀態(tài)。超臨界流體萃取技術(shù)是利用超臨界流體對物質(zhì)異常增加的溶解能力，以及壓力和溫度的微小變化會引起超臨界流體對物質(zhì)溶解度產(chǎn)生很大變化而進行分萃取分離的方法。

處于臨界狀態(tài)的流體，既具有液體良好的溶解性，又具有氣體良好的擴散性，傳質(zhì)速率大大高于液相過程，也就是說超臨界流體兼具氣體和液體的性質(zhì)。

影響超臨界萃取率的因素：

萃取壓力，萃取溫度，物料粒度大小，CO2流量，夾帶劑選擇

超臨界流體萃取技術(shù)的優(yōu)點：

（1）超臨界流體在接近室溫(35-40℃)及CO

氣體籠罩下進行提取，有效地

2

防止了熱敏性物質(zhì)的氧化和逸散。

（2）超臨界流體萃取全過程不用有機溶劑，因此萃取物絕無殘留溶媒,同時也防止了提取過程對人體的毒害和對環(huán)境的污染。

（3）萃取和分離合二為一，不僅萃取效率高而且能耗較少，節(jié)約成本。

（4）CO2是一種不活潑的氣體,萃取過程不發(fā)生化學(xué)反應(yīng),且屬于不燃性氣體,無味、無臭、無毒，故安全性好。

（5）CO2價格便宜，純度高，容易取得，且在生產(chǎn)過程中循環(huán)使用，從而降低成本。

（6）壓力和溫度都可以成為調(diào)節(jié)萃取過程的參數(shù)。因此工藝簡單易掌握，而且萃取速度快。

五、超聲波及微波輔助萃取

超聲波輔助溶解萃取簡稱超聲萃取。超聲提高萃取率的主要原因是利用了超聲波的空化效應(yīng)。另外，超聲波的熱作用和機械作用也能促進超聲波強化萃取。

微波輔助萃取木九十利用微波加熱來加上溶劑對固體樣品中目標(biāo)物的萃取。

離子交換樹脂

離子交換樹脂：

離子交換樹脂是一類由小分子單體和交聯(lián)劑聚合而成的有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的有機高分子聚合物，在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的骨架上連有許多活性基團?；钚曰鶊F中有可解離的離子，離子解離后，由于交換樹脂帶電荷，可吸附溶液中帶相反電荷的離子。即活性基團中可解離的離子和溶液中帶相同電荷的離子發(fā)生了交換。

強酸性陽離子樹脂，含有大量的強酸性基團，如磺酸基－SO3H，容易在溶液中離解出H+，故呈強酸性。酸性離子交換樹脂上的活性基團H+可與溶液中的陽離子進行交換。

某種強酸型陽離子交換樹脂結(jié)構(gòu)如下圖所示：

弱酸性陽離子樹脂，含弱酸性基團，如羧基－COOH，能在水中離解出H+而呈酸性。樹脂離解后余下的負電基團，如R-COO－（R為碳氫基團），能與溶液中的其他陽離子吸附結(jié)合，從而產(chǎn)生陽離子交換作用。

強堿性陰離子樹脂，含有強堿性基團，如季胺基（亦稱四級胺基）－NR3OH（R為碳氫基團），能在水中離解出OH－而呈強堿性。這種樹脂的正電基團能與溶液中的陰離子吸附結(jié)合，從而產(chǎn)生陰離子交換作用。

離子交換樹脂進行離子交換反應(yīng)的性能，表現(xiàn)在它的“離子交換容量”，即每克干樹脂或每毫升濕樹脂所能交換的離子的毫克當(dāng)量數(shù)?？偨粨Q容量，表示每單位數(shù)量（重量或體積)樹脂能進行離子交換反應(yīng)的化學(xué)基團的總量。

離子交換樹脂交換容量可以用滴定的方法進行測定。方法如下：稱取1g氫型樹脂于錐形瓶中，加入100.0mL0.1000mol/LNaOH溶液，振蕩，放置過夜，移取上層清液25.00mL，以酚酞做指示劑，用0.1000mol/LHCl標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至終點。然后按下式計算其交換容量：

交換容量=（cNaOHVNaOH?cHClVHCl）×4干樹脂質(zhì)量（g）

離子交換樹脂對不同離子的親和力的大小與離子所帶電荷數(shù)、水合離子半徑和離子極化程度等因素有關(guān)。一般來說，離子所帶的電荷數(shù)越多，樹脂對它的親和力越大。對于同價態(tài)的離子，離子的水合半徑越?。▽﹃栯x子而言，原子序數(shù)越大），在交換過程中引起樹脂內(nèi)標(biāo)的碰撞越小，也就越有利于離子進入樹脂相。因此，親和力順序為：

Ba2+>Sr2+>Ca2+>Mg2+>Be2+

Cs+>Rb+>K+>Na+>Li

ClO4->I->CN->NO3->Cl->OH->F-

此外，樹脂本身的交聯(lián)度也是影響樹脂的選擇性的重要因素。樹脂的交聯(lián)度越大這種應(yīng)用就越大，即離子間的親和力的差別亦越大。

離子交換樹脂在合成過程中，需要加入交聯(lián)劑，使樹脂能形成網(wǎng)狀的禮堂結(jié)構(gòu)。交聯(lián)度是樹脂交聯(lián)的程度，用加入樹脂中交聯(lián)劑的百分含量表示交聯(lián)度的大小。

交聯(lián)度=

交聯(lián)劑質(zhì)量

反應(yīng)混合物質(zhì)量

×100%

正是由于樹脂對于不同離子的親和力大小不同，在進行離子交換時，樹脂就有了一定的選擇性。

制備色譜

柱層析技術(shù)(chromatography)又稱柱色譜技術(shù)，主要原理是根據(jù)樣品混合物中各組分在固定相和流動相中分配系數(shù)不同，經(jīng)多次反復(fù)分配將組分分離開來。

裝柱子時，有兩種方法：即濕法裝柱和干法裝柱。固定相的高度一般為15cm左右，太短了可能分離效果不好，太長了也會由于擴散或拖尾導(dǎo)致分離效果不好。

上樣也有干法和濕法之分：干法就是把待分離的樣品用少量溶劑溶解后，在加入少量硅膠，拌勻后再旋去溶劑。如此得到的粉末再小心加到柱子的頂層。干法上樣較麻煩，但可以保證樣品層很平整。濕法上樣就是用少量溶劑（最好就是展開劑，如果展開劑的溶解度不好，則可以用一極性較大的溶劑，但必須少量）將樣品溶解后，再用膠頭滴管轉(zhuǎn)移得到的溶液，沿著層析柱內(nèi)壁均勻加入。然后用少量溶劑洗滌后，再加入。

柱層析常用固定相：硅膠（最常用）、鍵合硅膠、氧化鋁、活性炭、聚酰胺、大孔吸附樹脂、凝膠。

硅膠種類：硅膠H—不含粘合劑和其他添加劑的層析用硅膠，常用于柱層析填柱子。硅膠G—含燃燒過的石膏（CaS04·1/2H20）作粘合劑的層析用硅膠，G代表石膏。硅膠HF254—含熒光物質(zhì)，常用于硅膠層析，可用于254nm的紫外光下觀察熒光。硅膠GF254—含煅燒石膏、熒光物質(zhì)的層析用硅膠。

比移值（Rf），是指薄層色譜法中原點到斑點中心的距離，與原點到溶劑前沿的距離的比值。

在一定的色譜條件下，特定化合物的Rf值是一個常數(shù)，因此有可能根據(jù)化合物的Rf值鑒定化合物。

逆流色譜法：逆流色譜法的分離原理是基于樣品在兩種互不相容的溶劑之間分配作用，溶質(zhì)中各組分在通過兩溶劑相的過程中因分配系數(shù)不同而得以分離。這是一種不用固態(tài)支撐體的全液態(tài)的色譜方法。逆流色譜法與其它色譜技術(shù)相比具有以下優(yōu)點：避免了樣品的不可逆吸附；樣品不易變性，適用于生物活性物質(zhì)的分離。

膜分離

膜技術(shù)是膜分離技術(shù)的簡稱，是利用隔膜使溶劑（通常是水）同溶質(zhì)或微粒等不同介質(zhì)分離的技術(shù)。一種通用的廣義定義把“膜”定義為兩相之間的一個不連續(xù)區(qū)間，因而膜可以分為氣相、液相和固相，或是它們的組合。

膜分離兼有分離、濃縮、純化和精制的功能，在醫(yī)藥和生化工業(yè)上主要用于分離凈化和濃縮。

膜分離的過程多由壓力、濃度差、電勢差等因素驅(qū)動。按照分離精度的不同，壓力驅(qū)動膜又可以分為微濾（MF）膜、超濾（UF）膜、納濾（NF）膜和反滲透（RO）膜等等。

膜分離根據(jù)溶質(zhì)或溶液透過膜的推動力分類：

1.以電動勢為推動力：電滲析和電滲透

2.以濃度差為推動力：擴散滲析和自然滲透

3.以壓力差為推動力：壓滲析和反滲透、超濾。

衡量膜分離的參數(shù)主要有透水率、透鹽率和通量衰退系數(shù)。

反滲透技術(shù)原理是在高于溶液滲透壓的作用下，依據(jù)其他物質(zhì)不能透過半透膜而將這些物質(zhì)和水分離開來。

電滲析法（electrodialysis，ED）指的是在外加直流電場的作用下，利用陰離子交換膜和陽離子交換膜的選擇透過性，使一部分離子透過離子交換膜而遷移到另一部分水中，從而使一部分水淡化而另一部分水濃縮的過程。

電滲析和離子交換相比，有以下異同點：

（1）分離離子的工作介質(zhì)雖均為離子交換樹脂，但前者是呈片狀的薄膜，后者則為圓球形的顆粒；

（2）從作用機理來說，離子交換屬于離子轉(zhuǎn)移置換，離子交換樹脂在過程中發(fā)生離子交換反應(yīng)。而電滲析屬于離子截留置換，離子交換膜在過程中起離子選擇透過和截阻作用。所以更精確地說，應(yīng)該把離子交換膜稱為離子選擇性透過膜；

（3）電滲析的工作介質(zhì)不需要再生，但消耗電能；而離子交換的工作介質(zhì)必須再生，但不消耗電能。

電化學(xué)分離

根據(jù)原子或分子的電性質(zhì)以及離子的帶電性質(zhì)和行為進行化學(xué)分離的方法稱為電化學(xué)分離法。

電化學(xué)分離方法有：

1.電解分離法；

2.電滲析法

3.電泳分離法

4.溶出伏安法

電滲析是指液體中的離子或荷電質(zhì)點在電場的影響下的遷移。由于離子的性質(zhì)不同，遷移的速率也不同，正負電荷移動的方向也不同。當(dāng)在電池的兩極加上一個直流電壓時，可以把一些有機物的混合物分離。

電滲析與電解不同之處在于：

電滲析的電壓雖高，電流并不大，維持不了連續(xù)的氧化還原反應(yīng)所需；電解卻正好相反。電滲析廣泛應(yīng)用于化工、輕工、冶金、造紙、海水淡化、環(huán)境保護等領(lǐng)域。

電泳分離法：

電泳是指在電場作用下，帶電荷的離子或分子向兩極做定向移動的一種電遷移現(xiàn)象，稱為電泳。由于不同物質(zhì)所帶有效電荷、形狀及大小的差異，它們的電泳遷移速率不同而實現(xiàn)分離。也就是說，物質(zhì)粒子在電池中遷移速度的不同是電泳分離的基礎(chǔ)。

電滲析與電泳的區(qū)別：電泳：分散相的運動，分散介質(zhì)相對固定；電滲：分散介質(zhì)的運動，分散相相對固定

電泳與電遷移有類似之處，但是電泳一般為大分子，而電遷移為離子。

高效毛細管電泳：

高效毛細管電泳，是一類以毛細管為分離通道、以高壓直流電場為驅(qū)動力，依據(jù)樣品中各組分之間淌度和分配行為上的差異而實現(xiàn)分離的液相分離方法。

毛細管電泳實際上包含電泳、色譜及其交叉內(nèi)容，它使分析化學(xué)得以從微升水平進入納升水平，并使單細胞分析，乃至單分子分析成為可能。

石英材質(zhì)的毛細管是毛細管電泳中最常使用的毛細管，管子內(nèi)表面在堿性和微酸性溶液中Si-OH電離成SiO-，使表面帶負電。當(dāng)其與溶液接觸時，會形成緊貼內(nèi)表面的和游離的兩部分離子。

這兩部分離子組成的與表面電荷異號的離子層，即為雙電層，其中第一部分又稱之為Stern層。第二層為擴散層，使體相溶液帶正電，在電場作用下，體相溶液整體向一個方向泳動，這種現(xiàn)象稱之為電滲流。電滲流是毛細管內(nèi)壁表面電荷所引起的管內(nèi)液體的整體流動，來源于外加電場對管壁溶液雙電層的作用。

在毛細管電泳中，電滲速度可比電泳速度大一個數(shù)量級，所以能實現(xiàn)樣品組分同向泳動。正離子的運動方向和電滲一致，因此它應(yīng)最先流出。中性分子與電滲流同速，隨電滲而行。負離子因其運動方向和電滲相反，在中性粒子之后流出。

其它分離方法

分子印跡：將各種生物大分子從凝膠轉(zhuǎn)移到一種固定基質(zhì)上的過程稱為印跡技術(shù)。

分子印跡原理：當(dāng)模板分子(印跡分子)與聚合物單體接觸時會形成多重作用點，通過聚合過程這種作用就會被記憶下來，當(dāng)模板分子除去后，聚合物中就形成了與模板分子空間構(gòu)型相匹配的具有多重作用點的空穴，這樣的空穴將對模板分子及其類似物具有選擇識別特性。

分子印跡制備方法包括預(yù)組裝法和自組裝法。

1.共價鍵法(預(yù)組裝方式)

聚合前印跡分子與功能單體反應(yīng)形成硼酸酷、西夫堿、亞胺、縮醛等衍生物，通過交聯(lián)劑聚合產(chǎn)生高分子聚合物，用水解等方法除去印跡分子即得到共價結(jié)合型分子印跡聚合物。

2.非共價鍵法(自組裝方式)

非共價鍵法是制備分子印跡聚合物最有效且最常用的方法。這些非共價鍵包括靜電引力(離子交換)、氫鍵、金屬鰲合、電荷轉(zhuǎn)移、疏水作用以及范