分離科學(xué)與技術(shù) 第一章 現(xiàn)代分離科學(xué)概論 現(xiàn)代分離科學(xué)與技術(shù) 教學(xué)課件

分離科學(xué)與技術(shù)主講：

丁霞

分離科學(xué)與技術(shù)主講：丁霞1參考文獻(xiàn)1.耿信篤著.現(xiàn)代分離科學(xué)理論導(dǎo)引.北京：高等教育出版社，20012.大矢晴彥著.

分離的科學(xué)與技術(shù).張謹(jǐn)譯.北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社，19993.丁明玉等著.現(xiàn)代分離方法與技術(shù).化學(xué)工業(yè)出版社，20064.胡小玲等著.化學(xué)分離原理與技術(shù).化學(xué)工業(yè)出版社，20065.陳歡林著.新型分離技術(shù).化學(xué)工業(yè)出版社，20066.袁黎明著.制備色譜技術(shù)及應(yīng)用.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20057.安樹林著.膜科學(xué)技術(shù)教程.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005參考文獻(xiàn)1.耿信篤著.現(xiàn)代分離科學(xué)理論導(dǎo)引.北京：高等教育2教學(xué)計(jì)劃（32學(xué)時(shí)）第一章現(xiàn)代分離科學(xué)概論第二章經(jīng)典的分離技術(shù)第三章膜分離技術(shù)第四章制備色譜技術(shù)第五章新型萃取技術(shù)第六章手性分離技術(shù)第七章生物分離技術(shù)教學(xué)計(jì)劃（32學(xué)時(shí)）第一章現(xiàn)代分離科學(xué)概論3第一章現(xiàn)代分離科學(xué)概論

第一節(jié)現(xiàn)代分離科學(xué)的特點(diǎn)與任務(wù)第二節(jié)分離科學(xué)的基本概念第三節(jié)分離的熱力學(xué)限制第四節(jié)現(xiàn)代分離法分類學(xué)說簡(jiǎn)介第一章現(xiàn)代分離科學(xué)概論

第一節(jié)現(xiàn)代分離科學(xué)的特點(diǎn)與任務(wù)4物質(zhì)的分離是化學(xué)中最基本的研究手段，也是最重要的實(shí)驗(yàn)技術(shù).。分離是利用物質(zhì)的物理,化學(xué),及生物化學(xué)性質(zhì)的差異來實(shí)現(xiàn)的。與物質(zhì)的分離有關(guān)常見術(shù)語(yǔ)：分離提取富集：摩爾分?jǐn)?shù)小于0.1組分的分離濃縮：摩爾分?jǐn)?shù)處0.1-0.9間組分純化：摩爾分?jǐn)?shù)大于0.9組分的分離拆分：手性化合物的分離干燥物質(zhì)的分離是化學(xué)中最基本的研究手段，也是最重分離是利用物質(zhì)的5

人們對(duì)“分離”一詞的反應(yīng)是強(qiáng)烈的，比如親人間、朋友間的分離大多是痛苦的。因此人類社會(huì)的分離要考慮是否有必要。物質(zhì)分離也要考慮是否有必要，因?yàn)樗切枰冻龃鷥r(jià)的。作為物質(zhì)分離，在科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中，在日常生活中也無處不在。人們對(duì)“分離”一詞的反應(yīng)是強(qiáng)烈的，比如親人間、朋友間6日常生活中的分離飲食起居:自來水(過濾);凈水器（分離膜/吸附劑）；泡茶（固體浸出法）;榨果汁環(huán)境保護(hù):污水治理;垃圾分類；醫(yī)藥衛(wèi)生：抗菌素的純化；血透;病毒的分離能源:鈾的富集日常生活中的分離飲食起居:自來水(過濾);凈水器（分離膜/吸7分離的定義

分離是利用混合物中各組分在物理性質(zhì)或化學(xué)性質(zhì)上的差異,通過適當(dāng)?shù)难b置或方法,使各組分分配至不同的空間區(qū)域或者在不同時(shí)間依次分配至同一空間區(qū)域的過程.部分分離與完全分離制備性分離與分析性分離分離的定義分離是利用混合物中各組分在物理性質(zhì)或化學(xué)性質(zhì)8在分離過程中，組分需遷移（即分子向一定方向移動(dòng)）并在分離體系的空間中進(jìn)行再分配，因?yàn)檫w移還涉及到所需的驅(qū)動(dòng)力、體系的宏觀和微觀性質(zhì)、分子本身的結(jié)構(gòu)、試樣本身的性質(zhì)以及分離能進(jìn)行到什么程度等各方面的因素，分離過程的影響因素極為復(fù)雜,這也是分離科學(xué)成為一門獨(dú)立學(xué)科的原因.近年來，由于精細(xì)化工、生命科學(xué)和材料科學(xué)等新興學(xué)科的發(fā)展，加之計(jì)算機(jī)和現(xiàn)代分離手段的廣泛應(yīng)用，促使分離科學(xué)的基礎(chǔ)理論日臻完善，技術(shù)水平不斷提高，使其逐漸發(fā)展成為一門相對(duì)獨(dú)立的學(xué)科。在分離過程中，組分需遷移（即分子向一定方向移動(dòng)）并在分離9分離科學(xué)的定義分離科學(xué)是研究從混合物中分離、富集或純化某些組分以獲得相對(duì)純物質(zhì)的規(guī)律及其應(yīng)用一門學(xué)科。它是研究物質(zhì)在分子水平上的空間分布和移動(dòng)規(guī)律的一門科學(xué).分離科學(xué)的定義分離科學(xué)是研究從混合物中分離、富集或純化某10分離科學(xué)的研究?jī)?nèi)容分離過程的共同規(guī)律

分離過程中的熱力學(xué)動(dòng)力學(xué)理論等各種不同分離技術(shù)的分離原理方法設(shè)備與應(yīng)用分離科學(xué)的研究?jī)?nèi)容分離過程的共同規(guī)律11①分離過程中的熱力學(xué);功能量方向與限度平衡②分離過程中的動(dòng)力學(xué);溶質(zhì)的遷移和擴(kuò)散速度與效率③分離過程中發(fā)生在界面上的計(jì)量置換；④平衡分離的分子學(xué)基礎(chǔ)；⑤疏水效應(yīng)；⑥分離過程中的最優(yōu)化；⑦分離方法的簡(jiǎn)介和比較①分離過程中的熱力學(xué);功能量方向與限度平衡12分離科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展史與現(xiàn)狀經(jīng)典分離方法與技術(shù)歷史悠久現(xiàn)代分離技術(shù)的產(chǎn)生及分離科學(xué)的建立現(xiàn)狀是空前活躍分離科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展史與現(xiàn)狀經(jīng)典分離方法與技術(shù)歷史13經(jīng)典分離方法與技術(shù)歷史悠久煉銅冶鐵（幾千年前）釀酒制糖（明[天工開物]）手工作坊,單元操作兩個(gè)階段經(jīng)典分離方法與技術(shù)歷史悠久14

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)分離技術(shù)提出了越來越高的要求，促進(jìn)了分離理論及新技術(shù)的研究，逐步掌握了分離理論及技術(shù)的規(guī)律，建立了接近于實(shí)際情況的數(shù)學(xué)模型，使各種新的現(xiàn)代分離技術(shù)不斷涌現(xiàn)，形成了嶄新的現(xiàn)代分離科學(xué)。

現(xiàn)代分離科學(xué)的建立隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)分離技術(shù)15分離科學(xué)的現(xiàn)狀從20世紀(jì)80年代初開始，在國(guó)外愈來愈多的大學(xué)里設(shè)立了“現(xiàn)代分離科學(xué)”課程。課程內(nèi)容不斷更新，國(guó)際上每年多次召開以分離科學(xué)為內(nèi)容的學(xué)術(shù)會(huì)議，僅以“高效液相色譜”及“毛細(xì)管電泳”命名的國(guó)際會(huì)議每年就有十幾次。近幾年來，美國(guó)、俄羅斯、日本以及其它許多工業(yè)化程度較高的國(guó)家都相繼建立了各種專門的研究機(jī)構(gòu)和開發(fā)公司，新成立的僅以“分離科學(xué)”和“分離技術(shù)”命名的公司就有上百家。目前在研究分離過程和技術(shù)進(jìn)展方面出現(xiàn)空前未有的踴躍局面。各種新的現(xiàn)代分離技術(shù)不斷涌現(xiàn);建立了接近于實(shí)際情況的數(shù)學(xué)模型分離科學(xué)的現(xiàn)狀從20世紀(jì)80年代初開始，在國(guó)外16第一節(jié)現(xiàn)代分離科學(xué)的特點(diǎn)與任務(wù)一、分離科學(xué)與現(xiàn)代分離科學(xué)二、現(xiàn)代分離科學(xué)的特點(diǎn)三、現(xiàn)代分離科學(xué)研究的內(nèi)容四、現(xiàn)代分離科學(xué)的發(fā)展動(dòng)向第一節(jié)現(xiàn)代分離科學(xué)的特點(diǎn)與任務(wù)一、分離科學(xué)與現(xiàn)代分離科學(xué)17新型分離技術(shù)的分類新型分離技術(shù)大致可分為三大類：

第一類：對(duì)傳統(tǒng)分離過程或方法加以變革后的分離技術(shù)：如基于萃取的超臨界流體萃取(supercritial-fluidextraction)、液膜萃取(liquidmembraneextraction)以及基于吸附的色譜分離、分子蒸餾（moleculardistillation）又稱短程蒸餾。

第二類：基于材料科學(xué)發(fā)展形成的分離技術(shù)：如反滲透（reverseosmosis)、超濾（ultrafiltration)、氣體滲透、滲透汽化（pervaporation）等膜分離技術(shù)。

第三類：膜與傳統(tǒng)分離相結(jié)合形成的分離技術(shù)（耦合與集成技術(shù)）：如膜吸收（membrane-basedabsorption）、膜萃取（membrane-basedextraction）、親和超濾（affinityultrafiltration)、膜反應(yīng)器（membranereaction）等。新型分離技術(shù)的分類新型分離技術(shù)大致可分為三大類：

第一18現(xiàn)代分離科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)利用方法間的共性，探討方法間的聯(lián)系和統(tǒng)一理論和數(shù)學(xué)模式的表達(dá)將新技術(shù)、新材料引入分析技術(shù)中，發(fā)展新分離原理和方法;解決現(xiàn)代科技和生產(chǎn)過程中重大的分離和純化問題;利用現(xiàn)代分析手段，如波譜、電鏡、粒子束分析研究分離過程機(jī)理，探討分離過程動(dòng)力學(xué)及其模型;計(jì)算機(jī)模擬分離過程和數(shù)學(xué)模型的建立;多種分離方法和技術(shù)聯(lián)用，研究最優(yōu)化分離條件;分離發(fā)現(xiàn)新的重要物質(zhì);利用電、磁、光、熱等建立無污染的分離過程.現(xiàn)代分離科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)利用方法間的共性，探討方法間的聯(lián)19二、現(xiàn)代分離科學(xué)的特點(diǎn)分離過程使用最新的技術(shù)，例如：激光、計(jì)算機(jī)、微生物及電子技術(shù)等；分離的對(duì)象為生物工程及現(xiàn)代化工業(yè)產(chǎn)品，如生命科學(xué)中的蛋白質(zhì)、核酸、酶及多糖等的分離和純化，原子能科學(xué)中同位素的分離，材料科學(xué)中新材料的制備等提出新的分離原理，發(fā)展新的分離方法和技術(shù)二、現(xiàn)代分離科學(xué)的特點(diǎn)分離過程使用最新的技術(shù)，例如：激光、計(jì)20對(duì)分離技術(shù)觀念上的更新：經(jīng)典分離法評(píng)價(jià)分離方法的優(yōu)劣，僅從宏觀效果，如對(duì)有關(guān)物質(zhì)的回收率、分離度（如色譜分離中的R值，反映了分離的效果）等指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估。而現(xiàn)代分離科學(xué)對(duì)某些體系，如蛋白質(zhì)藥物的分離，除上述指標(biāo)外，還要對(duì)其分離過程中微觀變化、分子構(gòu)象進(jìn)行評(píng)估，它將直接影響蛋白質(zhì)的生物活性。對(duì)分離技術(shù)觀念上的更新：經(jīng)典分離法評(píng)價(jià)分離方法的優(yōu)劣，21三、

現(xiàn)代分離科學(xué)的重要性（1）促進(jìn)傳統(tǒng)分離科學(xué)的進(jìn)步。（2）實(shí)現(xiàn)本世紀(jì)科學(xué)目標(biāo)的重要手段。（3）“三廢治理”

（４）新物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)與研究（5）探索宇宙的奧秘是生產(chǎn)活動(dòng)科學(xué)研究必不可少的手段三、現(xiàn)代分離科學(xué)的重要性22四、現(xiàn)代分離科學(xué)研究的內(nèi)容

各種表面上看來毫無聯(lián)系的各分離方法之間的共同規(guī)律，例如組分在相及界面遷移過程中發(fā)生了什么變化，它對(duì)分離產(chǎn)生了什么樣的影響，如何強(qiáng)化對(duì)分離有利的因素和抑制那些不利的因素；選擇現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中對(duì)分離和純化要求最迫切的對(duì)象進(jìn)行研究，以提高經(jīng)濟(jì)效益，解決生產(chǎn)中的關(guān)鍵問題；

四、現(xiàn)代分離科學(xué)研究的內(nèi)容各種表面上看來毫無聯(lián)系的各分離23如何將現(xiàn)代科技中最先進(jìn)的技術(shù)和材料應(yīng)用于分離技術(shù)中

將各種分離方法聯(lián)用，研究最優(yōu)化的分離條件分離出迄今尚未發(fā)現(xiàn)的新物質(zhì)

尋求新的分離原理及方法等如何將現(xiàn)代科技中最先進(jìn)的技術(shù)和材料應(yīng)用于分離技術(shù)中24第二節(jié)分離科學(xué)的基本概念一.回收因子二.分離因子三.純度四.富集倍數(shù)第二節(jié)分離科學(xué)的基本概念25回收因子回收因子Ri

反映被分離物在分離過程中損失量的多少,是分離方法準(zhǔn)確度的表征.

Ri為實(shí)際回收量Q占樣品中總量Q0的分?jǐn)?shù)。它的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

(1.1)

測(cè)定方法:標(biāo)準(zhǔn)加入法與標(biāo)準(zhǔn)樣品法回收因子回收因子Ri26分離因子表示某一單元分離操作或某一分離流程中兩種物質(zhì)被分離的程度。它與兩種物質(zhì)的回收率有關(guān).回收率相差越大,分離效果越好.表示兩種組分被分離的難易程度分離因子表示某一單元分離操作或某一分離流程中兩種物質(zhì)被分離的27分離因子SB/A

對(duì)于A，B二種組分而言，A為欲分離的組分，B為伴隨組分，其B對(duì)A的分離因子定義為

或（1.2）因在一般定量分離中，RA≈1,所以（1.3）

由此可見，在分離過程中，要求B對(duì)A的分離因子愈小愈好，即RB值愈小愈好。反之A對(duì)B的分離因子越大越好.分離因子SB/A28分離因子取決于兩個(gè)因素：（1）樣品中B對(duì)A的比例即； （2）實(shí)現(xiàn)分離后二者的比例即

。

表1.1在不同和時(shí)的值

0.1/99.9≈0.0010.055×10－5

1/99≈0.010.022×10－4

10/90≈0.10.010.00150/50＝10.0020.00290/10≈100.0010.0199/1≈1000.0010.1分離因子取決于兩個(gè)因素：0.1/99.9≈0.0029純度

純度系指分離產(chǎn)物中主成分含量高低或所含雜質(zhì)的多少。生物制品的純度:蛋白質(zhì)等物質(zhì)以比活及雜質(zhì)含量來確認(rèn)其純度.即單位純蛋白質(zhì)質(zhì)量的活性來定義蛋白質(zhì)的比活。因純蛋白的比活是一定的，所以比活愈高，則表明該蛋白的純度愈高。同時(shí)測(cè)定雜質(zhì)含量.

純度30（1）給藥次數(shù)（2）雜質(zhì)對(duì)人體的有害程度一般95%

(3)對(duì)分離指標(biāo)的要求(結(jié)構(gòu)分析,定量分析)影響純度的要求的因素影響純度的要求的因素31

富集倍數(shù)富集對(duì)象是微量和痕量組分,對(duì)富集倍數(shù)的要與最初濃度及分析技術(shù)的靈敏度高低有關(guān)富集倍數(shù)=目標(biāo)組分的回收率/基質(zhì)組分的回收率ⅠⅡ富集倍數(shù)ⅠⅡ32第三節(jié)分離的熱力學(xué)限制

一、混合的熵二、分離-----負(fù)熵的生成三、能量的種類四、分離的理論耗能量五、分離的熱力學(xué)限制第三節(jié)分離的熱力學(xué)限制33分離的熱力學(xué)限制(a)+（b+c+d)+…(a+b+c+d+…)(a)(a)(稀釋)熵值增大的自發(fā)過程(單相體系)在分離過程中所做的各種努力不外乎兩方面：一、盡可能增大分離的驅(qū)動(dòng)力二、努力減小體系的熵值分離的熱力學(xué)限制(a)+（b+c+d)+…34

一.混合的熵

分離與混合是互為相反的過程，假設(shè)在圖1.1所示的用隔膜分開的兩個(gè)小室內(nèi)，分別存在著處于同一壓力p下的，可看作是理想氣體純組分的A和B，其物質(zhì)的量分別為nA和nB。如果取掉這層隔膜，組分A和B就要進(jìn)行擴(kuò)散而相互混合，最終變成均勻的混合物，正如所知那樣，此時(shí)混合的熵依下式增大：

一.混合的熵35圖1.1

成分AnA［mol］

成分BnB［mol］混合分離混合物（A+B)(nA+nB)［mol］

隔膜圖1.1成分AnA［mol］成分B36

若混合物為1mol,

則有：其中，分別為組分A和B的摩爾分?jǐn)?shù)。若則若混合物為1mol,37

［例題1.1］常溫、常壓(300K,101.3kPa)下，空氣由摩爾分?jǐn)?shù)為79%的N2和21%的O2組成，試求當(dāng)N2與O2分別由純組分按上述組成混合為1m3這樣的空氣，因混合而增大的熵。［例題1.1］38

解：將xA=0.79,xB=0.21代入（1.7）式中，則1mol空氣熵的變化為把空氣作為理想氣體，使用理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT，就可求出1m3空氣混合物所相當(dāng)?shù)奈镔|(zhì)的量即

則解：將xA=0.79,xB=0.21代入（1.7）式中，則39

［例題1.2］常溫海水是由質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%的NaCl（摩爾質(zhì)量5.85×10-2kg/mol）和水組成的。按此組成用水與NaCl混合成為海水1000kg，試求由于混合而增大的熵。（這里，海水可視為理想溶液）。［例題1.2］40解：因?yàn)镹aCl的質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%，所以1000kg海水中，水為965kg。設(shè)nA為NaCl的物質(zhì)的量，nB為水的物質(zhì)的量，則解：因?yàn)镹aCl的質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%，所以1000kg海水中，41代入式(1.7)中代入式(1.7)中42稀釋熵稀釋熵43二.分離 負(fù)熵的生成（熵的減少）

由上面的討論可以看到，混合是使熵增大的過程，所以是自然發(fā)生的現(xiàn)象。與之相反，要把熵增大了的混合物（A+B）分離成純組分A和B，返回原先的狀態(tài)，就必須把增大了的熵用某一方法除去。換句話說，就是必須要把負(fù)的熵加到混合物(A+B)上。二.分離 負(fù)熵的生成（熵的減少）44

那么怎樣做才能產(chǎn)生負(fù)熵呢？向體系提供能量（熱或功）。讓我們先就大家熟知的分離方法蒸餾及其裝置來分析一下吧。圖1.2所示就是蒸餾器。加熱下部的燒瓶，冷卻上部的冷凝器，就可以把混合溶液分離成餾出液與釜?dú)堃?。如果在精餾塔柱的部分是絕熱的，與外界沒有熱量交換，下部燒瓶的溫度為T1，穩(wěn)定地把熱量Q供給蒸餾器，上部冷凝器溫度為T2且(T2<T1),那么怎樣做才能產(chǎn)生負(fù)熵呢？45

圖1.2蒸餾器覆套式電阻加熱器原料燒瓶溫度計(jì)精餾塔冷卻器回流容器冷卻水圖1.2蒸餾器覆套式電阻加熱器原料燒瓶溫度計(jì)精餾塔冷卻器46

則可把這個(gè)熱量Q穩(wěn)定地從蒸餾器取出。此時(shí)，在燒瓶處進(jìn)入系統(tǒng)的熵是Q/T1,而在冷凝器處帶出系統(tǒng)的熵是-Q/T2，因此,在整個(gè)蒸餾裝置中，熵的變化可由下式表示:

可見，在蒸餾裝置內(nèi)，熵的變化是負(fù)值。則可把這個(gè)熱量Q穩(wěn)定地從蒸餾器取出。此時(shí)，在47

把這些能量巧妙地作用于混合物各組分那些有差異的性質(zhì)上，就可進(jìn)行混合物的分離。上述蒸餾裝置的例子，是利用了混合物的蒸氣壓。為了在裝置中能夠利用各組分間蒸氣壓的差異，則需在操作壓力下，使下部燒瓶的加熱溫度為T1，來確保易揮發(fā)組分的蒸氣壓，即從外部提供分離所需的能量——?dú)饣瘽摕?。把這些能量巧妙地作用于混合物各組分那些48

但若混合物中各組分的蒸氣壓大致相同，或混合物是由幾乎不能蒸發(fā)的組分組成的，上述的蒸餾裝置也就失去了分離作用。這就需要根據(jù)混合物各組分其他性質(zhì)的差異來確定分離方法。但若混合物中各組分的蒸氣壓大致相同，或49三.能量的種類一般地，只要向某個(gè)系統(tǒng)投入能量，就可以使之產(chǎn)生負(fù)熵。而作為能量的存在形式，有各種各樣。（1）力學(xué)能：機(jī)械能、流體動(dòng)能、位能；（2）熱能；（3）電能；（4）化學(xué)能：濃度差、化學(xué)結(jié)合能；（5）光能；（6）核能。

三.能量的種類50四.分離的理論耗能量

把混合物變成各個(gè)純組分的分離，是一件十分類似于把凌亂的房間收拾整潔的過程。當(dāng)我們要把散亂的報(bào)紙、雜志、CD唱片、坐墊等物品整理歸回到報(bào)紙架、雜志架、書櫥、CD盒、唱片盒、壁櫥等處時(shí)，我們就要在房間里來回走動(dòng)，因此而消耗了能量，這是收拾房間的情況。如果不太亂，收拾起來會(huì)輕松些，會(huì)少消耗些能量。但若亂的一塌糊涂，收拾的工作量就很大，消耗的能量也會(huì)比較多。另外對(duì)于不同的人，即對(duì)于是否擅長(zhǎng)收拾的人來說，能量的消耗程度也會(huì)有很大差別。四.分離的理論耗能量51

分離混合物的過程也是如此。把只含有少量不純組分的混合物分離成純組分，使用較少的能量就可以了。當(dāng)然，采用的分離方法和過程不一樣，所消耗的能量也會(huì)不同。分離混合物的過程也是如此。把只含有少52

熱力學(xué)理論認(rèn)為，如果分離是在恒溫恒壓條件下進(jìn)行的，那么其耗能量即為分離的理論耗能量（最小功）。將圖1.1所示的混合氣體看作是理想氣體，在溫度T下分離為各自純組分A和B則所需的最小功，可由（1.7）式改寫為下式:

(1.10)

53

若混合物為1mol則(1.11)

使用上式可以求得無因次功(Wmin.T/RT)與組分A摩爾分?jǐn)?shù)xAF的關(guān)系。圖1.3給出了這個(gè)計(jì)算的結(jié)果。由圖可見，對(duì)半的混合物，即xAF＝0.5，分離所需的功最大。圖1.4則給出了要得到1molA組分純產(chǎn)物，其分離所需最小功與組成xAF之間的函數(shù)關(guān)系。當(dāng)xAF很小時(shí)，最小功急劇增大，若xAF接近0，最小功將趨于無限大。

若混合物為1mol54圖中是指將1mol雙組分理想混合物分離為各自純組分所需要的最小功圖中是指將1mol雙組分理想混合物分離為各自純組分所需要55圖中是指從理想的混合物中分離出1mol純組分A需要的最小功圖中是指從理想的混合物中分離出1mol純組分A需要的最小56

［例題1.3］將例題1.1所述狀態(tài)的空氣1m3，在300K下，分離為純組分N2和O2，求所需的最小功。解：1mol的混合物把空氣作為理想氣體，使用理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT，就可求出1m3空氣混合物所相當(dāng)?shù)奈镔|(zhì)的量.［例題1.3］將例題1.1所述狀態(tài)的空氣1m3，在300K57圖1.1成分AnA［mol］成分BnB［mol］混合物（A+B)(nA+nB)［mol］圖1.1成分AnA［mol］成分B58解：由例題1.1的解可知：

則：解：由例題1.1的解可知：59多組分分離的負(fù)熵多組分分離的負(fù)熵60分離科學(xué)與技術(shù)第一章現(xiàn)代分離科學(xué)概論現(xiàn)代分離科學(xué)與技術(shù)教學(xué)課件61

而實(shí)際中的混合物常常是多組分非理想混合溶液，要想把各個(gè)組分都分離為純產(chǎn)物是不可能的。設(shè)混合物F由J個(gè)組分組成，要分離為i個(gè)產(chǎn)品時(shí)，根據(jù)King的理論，在恒溫、恒壓的操作條件下，將1mol混合物進(jìn)料，從原料濃度的xjF分離提純至產(chǎn)品濃度xji所需的最小功應(yīng)為：而實(shí)際中的混合物常常是多組分非理想混合溶液，要想把各個(gè)62

式中

分別是原料F和產(chǎn)品i中j組分的活度系數(shù)；產(chǎn)品i所占進(jìn)料的摩爾分?jǐn)?shù)；

產(chǎn)品i中j組分的摩爾分?jǐn)?shù)

分離科學(xué)與技術(shù)第一章現(xiàn)代分離科學(xué)概論現(xiàn)代分離科學(xué)與技術(shù)教學(xué)課件63

設(shè)一個(gè)雙組分A和B的混合物,且為理想溶液(為1.0)。則將其分離成產(chǎn)品（1，2）所需的最小功為：

(1.13)設(shè)一個(gè)雙組分A和B的混合物,且為理想溶液64第四節(jié)分離過程與分離方法分類分離過程示意圖力學(xué)能：機(jī)械能、流體動(dòng)能、位能、熱能化學(xué)能：溶度差、化學(xué)結(jié)合能、電能、光能、核能等

對(duì)各組分所特有的性質(zhì)差作用能量或分離劑原料物流（一個(gè)或數(shù)個(gè)）分離裝置兩個(gè)以上的產(chǎn)品物流（濃度不同）第四節(jié)分離過程與分離方法分類分離過程示意圖力學(xué)能：機(jī)械能、65可用于分離的性質(zhì)

物理方面的性質(zhì)

力學(xué)性質(zhì)密度，摩擦因數(shù)，表面張力，尺寸，質(zhì)量

熱力學(xué)性質(zhì)熔點(diǎn)，沸點(diǎn)，臨界點(diǎn)，蒸氣壓，溶解度，分配系數(shù)，吸附平衡電、磁性質(zhì)電導(dǎo)率，介電常數(shù)，遷移率，電荷，淌度，磁化率

輸送性質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)，分子飛行速度

化學(xué)方面的性質(zhì)

熱力學(xué)性質(zhì)反應(yīng)平衡常數(shù)，離解常數(shù)，電離電位反應(yīng)速度性質(zhì)反應(yīng)速度常數(shù)

生物學(xué)方面的性質(zhì)生物學(xué)親和力，生物學(xué)吸附平衡，生物學(xué)反應(yīng)速度常數(shù)

可用于分離的性質(zhì)物理方面的性質(zhì)力學(xué)性質(zhì)密度66分離方法分類物理分離法如離心分離,電磁分離化學(xué)分離法如沉淀分離物理化學(xué)分離法如電泳,區(qū)帶熔融按可被利用的性質(zhì)分類分離方法分類物理分離法如離心分離,電磁分離按可被利用的67速度差分離過程:輸入能量，強(qiáng)化特殊梯度場(chǎng)的方法.

平衡分離過程:輸入能量，使原混合物系形成新的相界面的方法.

反應(yīng)分離過程:輸入能量，促進(jìn)反應(yīng)的方法.

大矢晴彥的分類法速度差分離過程:輸入能量，強(qiáng)化特殊梯度場(chǎng)的方法.大矢晴68速度差分離

利用組分的移動(dòng)速度差進(jìn)行分離的方法－－速度差分離當(dāng)原料是由固體和液體，或者是固體和氣體，或者是液體和氣體所構(gòu)成的非均相混合物時(shí)，就可以利用力學(xué)能量如重力或壓力來對(duì)它們進(jìn)行分離。例如，在固－液或者固－氣系統(tǒng)中，當(dāng)固體粒子尺寸較大，處于重力場(chǎng)時(shí)短時(shí)間內(nèi)就可以沉下去或是浮上來而實(shí)現(xiàn)分離。速度差分離69

然而當(dāng)固體粒子較小，兩相密度差又較小時(shí)，粒子下沉或上浮的速度會(huì)很低，這時(shí)就要用到離心力場(chǎng)，甚至超高速離心力場(chǎng)或者過濾材料等來形成移動(dòng)速度差，才能實(shí)現(xiàn)分離。進(jìn)一步當(dāng)粒子尺寸小到與分子的大小相當(dāng)時(shí)，還要用到下面要講的驅(qū)動(dòng)力來強(qiáng)化移動(dòng)速度的差別，進(jìn)行分離。然而當(dāng)固體粒子較小，兩相密度差又較小時(shí)，粒子下沉或上浮70

像這樣，利用重力梯度、壓力梯度、溫度梯度、濃度梯度、電位梯度等場(chǎng)中，各組分的移動(dòng)速度存在差異，而進(jìn)行分離的方法均為速度差分離操作。例如，將電解質(zhì)溶液置于直流電場(chǎng)中，并把陽(yáng)離子交換膜作為分離介質(zhì)，在電位梯度的作用下，溶液中的荷電離子就要移動(dòng)。這時(shí)具有選擇性的陽(yáng)離子交換膜只允許陽(yáng)離子優(yōu)先通過，于是就實(shí)現(xiàn)了對(duì)陽(yáng)離子的分離。當(dāng)然，為了保持電中性，還需再使用一枚陰離子交換膜。成對(duì)地使用陰陽(yáng)離子交換膜，就可對(duì)電解質(zhì)物質(zhì)進(jìn)行分離濃縮或是除去。這就是電滲析法。像這樣，利用重力梯度、壓力梯度、溫度梯度、濃度梯度、電71

把各種速度差分離操作，按所利用的能量及其與場(chǎng)的組合整理分類，列表于1.3中。能夠產(chǎn)生速度差的場(chǎng)，又可以分為空蕩蕩的均一空間和存在著某種介質(zhì)的非均一空間。非均一空間一般指多孔體，其孔徑大至毫米，小至分子尺寸，范圍很廣。把各種速度差分離操作，按所利用的能量及其與場(chǎng)的組合整理72速度分離操作速度分離操作73平衡分離過程

使用不互溶的兩個(gè)相界面上的平衡關(guān)系，來對(duì)由氣體或者液體的均相混合物進(jìn)行分離－－平衡分離過程。前述圖1.2所示的蒸餾過程，就是利用了下部燒瓶被加熱所產(chǎn)生的蒸氣與上部冷凝器冷凝所形成的液相，這兩者之間的氣液平衡關(guān)系，使易揮發(fā)組分集于氣相，使難揮發(fā)組分集于液相，從而將液相均相混合物分離成塔頂?shù)酿s出組分與塔底的釜?dú)埥M分。表1.4所列是具有代表性的平衡分離操作。

平衡分離過程74以從第1相移向第2相為主的平衡分離操作示例

第2相第1相氣相SCF相液相固相氣相××氣提脫吸蒸發(fā)升華蒸餾（冷凍干燥）SCF相××SCF萃取SCF萃取液相吸收SCF吸收萃取固體萃取蒸餾帶域熔融（Zonemelting）固相吸附SCF吸附晶析×逆升華吸附以從第1相移向第2相為主的平衡分離操作示例第1相75超臨界流體（SCF）：處于臨界溫度（Tc）和臨界壓力（Pc）以上介于氣體和液體之間的流體.SCF密度與液體相近，粘度與氣體相近，擴(kuò)散系數(shù)比液體大100倍

超臨界流體（SCF）：處于臨界溫度（Tc）和臨界壓力（Pc）76反應(yīng)分離利用反應(yīng)進(jìn)行分離操作的方法很多。例如，通過調(diào)整PH值，把溶解于水中的重金屬變成氫氧化物的不溶性結(jié)晶而沉淀分離的方法；利用離子交換樹脂的交換平衡反應(yīng)的離子交換分離法；以及通過微生物進(jìn)行生物反應(yīng)，將溶解于水中的有機(jī)物質(zhì)分離除去的方法等等，都可以看作是反應(yīng)分離操作。

反應(yīng)分離利用反應(yīng)進(jìn)行分離操作的方法很多。例如，通過調(diào)整P77

反應(yīng)分離操作

反應(yīng)體

再生型可逆的或平衡交換反應(yīng)分離離子交換，螯合交換反應(yīng)，反應(yīng)萃取，反應(yīng)吸收一次性不可逆反應(yīng)分離反應(yīng)吸收，反應(yīng)晶析，中和沉淀，氧化，還原（化學(xué)解吸）生物體活性污泥無反應(yīng)體

電化學(xué)反應(yīng)

濕式精煉反應(yīng)分離操作再生型可逆的或平衡交換反應(yīng)分離離子交78分離的實(shí)質(zhì)是溶質(zhì)在空間的遷移和再分配Giddings認(rèn)為分離過程是由化學(xué)勢(shì)和流共同控制。所有的分離都是在沿著流的方向，在化學(xué)勢(shì)模式的控制下實(shí)現(xiàn)的。流:表示一個(gè)相相對(duì)于另一相依照外加場(chǎng)的方向或相對(duì)于膜進(jìn)行的移動(dòng)。

化學(xué)勢(shì)(偏摩爾勢(shì)能):恒溫恒壓條件下，在指定組成的無限體系中，加入1mol的B物質(zhì)引起體系的Gibbs能的改變。也就是說，在指定條件下1mol的B物質(zhì)對(duì)體系的G的貢獻(xiàn)(表示成分變化對(duì)能量變化的影響)。

化學(xué)勢(shì)：連續(xù)c、不連續(xù)d、混合cd

流：靜止S、平行F(=)、垂直F(+)Giddings場(chǎng)－流分類法分離的實(shí)質(zhì)是溶質(zhì)在空間的遷移和再分配Giddings場(chǎng)－流分79在分離過程中的五種化學(xué)勢(shì)模式c1模式d1模式cd模式c2有極小值的連續(xù)模式d2模式0化學(xué)勢(shì)距離在分離過程中的五種化學(xué)勢(shì)模式c1模式d1模式cd模式c2有極80連續(xù)μ*模式不連續(xù)μ*模式連續(xù)與非連續(xù)μ*相結(jié)合模式ScSdScdF(=)cF(=)dF(=)cdF(+)cF(+)dF(+)cd九種基本分離領(lǐng)域連續(xù)μ*模式不連續(xù)μ*模式連續(xù)與非連續(xù)μ*相結(jié)合模式ScSd81各種分離方法的基本歸類

流\化學(xué)勢(shì)cdcdS電泳萃取電沉積等電聚焦吸附電沉降速率-區(qū)帶沉降結(jié)晶電滲等密度沉降等蒸發(fā)等平衡沉降等F(=)淘析過濾逆流電泳超濾可逆電滲等F(+)色譜場(chǎng)級(jí)分餾逆流分配熱重分離精餾電傾析浮選分離等各種分離方法的基本歸類

流\化學(xué)勢(shì)cdcdS電泳萃取電沉積等82表中的分組排列或多或少地改變了大部分分離方法傳統(tǒng)的分類，如：（1）色譜、逆流分配與精餾；（2）電泳與速率－區(qū)帶沉降；（3）等電聚焦與等密度沉降；（4）可逆電滲與超濾；（5）萃取與沉淀等分別列在同一領(lǐng)域中。

表中的分組排列或多或少地改變了大部分分離方法傳統(tǒng)的分類，如：83

課后作業(yè):

1.寫出有關(guān)分離科學(xué)的專著中英文各5本.2.列舉有關(guān)分離科學(xué)的中英文期刊各5本.3.重點(diǎn)推薦有關(guān)分離科學(xué)一本期刊與專著.4.出練習(xí)題５.與課題研究相關(guān)的分離技術(shù)．

84

分離科學(xué)與技術(shù)主講：

丁霞

分離科學(xué)與技術(shù)主講：丁霞85參考文獻(xiàn)1.耿信篤著.現(xiàn)代分離科學(xué)理論導(dǎo)引.北京：高等教育出版社，20012.大矢晴彥著.

分離的科學(xué)與技術(shù).張謹(jǐn)譯.北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社，19993.丁明玉等著.現(xiàn)代分離方法與技術(shù).化學(xué)工業(yè)出版社，20064.胡小玲等著.化學(xué)分離原理與技術(shù).化學(xué)工業(yè)出版社，20065.陳歡林著.新型分離技術(shù).化學(xué)工業(yè)出版社，20066.袁黎明著.制備色譜技術(shù)及應(yīng)用.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20057.安樹林著.膜科學(xué)技術(shù)教程.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005參考文獻(xiàn)1.耿信篤著.現(xiàn)代分離科學(xué)理論導(dǎo)引.北京：高等教育86教學(xué)計(jì)劃（32學(xué)時(shí)）第一章現(xiàn)代分離科學(xué)概論第二章經(jīng)典的分離技術(shù)第三章膜分離技術(shù)第四章制備色譜技術(shù)第五章新型萃取技術(shù)第六章手性分離技術(shù)第七章生物分離技術(shù)教學(xué)計(jì)劃（32學(xué)時(shí)）第一章現(xiàn)代分離科學(xué)概論87第一章現(xiàn)代分離科學(xué)概論

第一節(jié)現(xiàn)代分離科學(xué)的特點(diǎn)與任務(wù)第二節(jié)分離科學(xué)的基本概念第三節(jié)分離的熱力學(xué)限制第四節(jié)現(xiàn)代分離法分類學(xué)說簡(jiǎn)介第一章現(xiàn)代分離科學(xué)概論

第一節(jié)現(xiàn)代分離科學(xué)的特點(diǎn)與任務(wù)88物質(zhì)的分離是化學(xué)中最基本的研究手段，也是最重要的實(shí)驗(yàn)技術(shù).。分離是利用物質(zhì)的物理,化學(xué),及生物化學(xué)性質(zhì)的差異來實(shí)現(xiàn)的。與物質(zhì)的分離有關(guān)常見術(shù)語(yǔ)：分離提取富集：摩爾分?jǐn)?shù)小于0.1組分的分離濃縮：摩爾分?jǐn)?shù)處0.1-0.9間組分純化：摩爾分?jǐn)?shù)大于0.9組分的分離拆分：手性化合物的分離干燥物質(zhì)的分離是化學(xué)中最基本的研究手段，也是最重分離是利用物質(zhì)的89

人們對(duì)“分離”一詞的反應(yīng)是強(qiáng)烈的，比如親人間、朋友間的分離大多是痛苦的。因此人類社會(huì)的分離要考慮是否有必要。物質(zhì)分離也要考慮是否有必要，因?yàn)樗切枰冻龃鷥r(jià)的。作為物質(zhì)分離，在科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中，在日常生活中也無處不在。人們對(duì)“分離”一詞的反應(yīng)是強(qiáng)烈的，比如親人間、朋友間90日常生活中的分離飲食起居:自來水(過濾);凈水器（分離膜/吸附劑）；泡茶（固體浸出法）;榨果汁環(huán)境保護(hù):污水治理;垃圾分類；醫(yī)藥衛(wèi)生：抗菌素的純化；血透;病毒的分離能源:鈾的富集日常生活中的分離飲食起居:自來水(過濾);凈水器（分離膜/吸91分離的定義

分離是利用混合物中各組分在物理性質(zhì)或化學(xué)性質(zhì)上的差異,通過適當(dāng)?shù)难b置或方法,使各組分分配至不同的空間區(qū)域或者在不同時(shí)間依次分配至同一空間區(qū)域的過程.部分分離與完全分離制備性分離與分析性分離分離的定義分離是利用混合物中各組分在物理性質(zhì)或化學(xué)性質(zhì)92在分離過程中，組分需遷移（即分子向一定方向移動(dòng)）并在分離體系的空間中進(jìn)行再分配，因?yàn)檫w移還涉及到所需的驅(qū)動(dòng)力、體系的宏觀和微觀性質(zhì)、分子本身的結(jié)構(gòu)、試樣本身的性質(zhì)以及分離能進(jìn)行到什么程度等各方面的因素，分離過程的影響因素極為復(fù)雜,這也是分離科學(xué)成為一門獨(dú)立學(xué)科的原因.近年來，由于精細(xì)化工、生命科學(xué)和材料科學(xué)等新興學(xué)科的發(fā)展，加之計(jì)算機(jī)和現(xiàn)代分離手段的廣泛應(yīng)用，促使分離科學(xué)的基礎(chǔ)理論日臻完善，技術(shù)水平不斷提高，使其逐漸發(fā)展成為一門相對(duì)獨(dú)立的學(xué)科。在分離過程中，組分需遷移（即分子向一定方向移動(dòng)）并在分離93分離科學(xué)的定義分離科學(xué)是研究從混合物中分離、富集或純化某些組分以獲得相對(duì)純物質(zhì)的規(guī)律及其應(yīng)用一門學(xué)科。它是研究物質(zhì)在分子水平上的空間分布和移動(dòng)規(guī)律的一門科學(xué).分離科學(xué)的定義分離科學(xué)是研究從混合物中分離、富集或純化某94分離科學(xué)的研究?jī)?nèi)容分離過程的共同規(guī)律

分離過程中的熱力學(xué)動(dòng)力學(xué)理論等各種不同分離技術(shù)的分離原理方法設(shè)備與應(yīng)用分離科學(xué)的研究?jī)?nèi)容分離過程的共同規(guī)律95①分離過程中的熱力學(xué);功能量方向與限度平衡②分離過程中的動(dòng)力學(xué);溶質(zhì)的遷移和擴(kuò)散速度與效率③分離過程中發(fā)生在界面上的計(jì)量置換；④平衡分離的分子學(xué)基礎(chǔ)；⑤疏水效應(yīng)；⑥分離過程中的最優(yōu)化；⑦分離方法的簡(jiǎn)介和比較①分離過程中的熱力學(xué);功能量方向與限度平衡96分離科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展史與現(xiàn)狀經(jīng)典分離方法與技術(shù)歷史悠久現(xiàn)代分離技術(shù)的產(chǎn)生及分離科學(xué)的建立現(xiàn)狀是空前活躍分離科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展史與現(xiàn)狀經(jīng)典分離方法與技術(shù)歷史97經(jīng)典分離方法與技術(shù)歷史悠久煉銅冶鐵（幾千年前）釀酒制糖（明[天工開物]）手工作坊,單元操作兩個(gè)階段經(jīng)典分離方法與技術(shù)歷史悠久98

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)分離技術(shù)提出了越來越高的要求，促進(jìn)了分離理論及新技術(shù)的研究，逐步掌握了分離理論及技術(shù)的規(guī)律，建立了接近于實(shí)際情況的數(shù)學(xué)模型，使各種新的現(xiàn)代分離技術(shù)不斷涌現(xiàn)，形成了嶄新的現(xiàn)代分離科學(xué)。

現(xiàn)代分離科學(xué)的建立隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)分離技術(shù)99分離科學(xué)的現(xiàn)狀從20世紀(jì)80年代初開始，在國(guó)外愈來愈多的大學(xué)里設(shè)立了“現(xiàn)代分離科學(xué)”課程。課程內(nèi)容不斷更新，國(guó)際上每年多次召開以分離科學(xué)為內(nèi)容的學(xué)術(shù)會(huì)議，僅以“高效液相色譜”及“毛細(xì)管電泳”命名的國(guó)際會(huì)議每年就有十幾次。近幾年來，美國(guó)、俄羅斯、日本以及其它許多工業(yè)化程度較高的國(guó)家都相繼建立了各種專門的研究機(jī)構(gòu)和開發(fā)公司，新成立的僅以“分離科學(xué)”和“分離技術(shù)”命名的公司就有上百家。目前在研究分離過程和技術(shù)進(jìn)展方面出現(xiàn)空前未有的踴躍局面。各種新的現(xiàn)代分離技術(shù)不斷涌現(xiàn);建立了接近于實(shí)際情況的數(shù)學(xué)模型分離科學(xué)的現(xiàn)狀從20世紀(jì)80年代初開始，在國(guó)外100第一節(jié)現(xiàn)代分離科學(xué)的特點(diǎn)與任務(wù)一、分離科學(xué)與現(xiàn)代分離科學(xué)二、現(xiàn)代分離科學(xué)的特點(diǎn)三、現(xiàn)代分離科學(xué)研究的內(nèi)容四、現(xiàn)代分離科學(xué)的發(fā)展動(dòng)向第一節(jié)現(xiàn)代分離科學(xué)的特點(diǎn)與任務(wù)一、分離科學(xué)與現(xiàn)代分離科學(xué)101新型分離技術(shù)的分類新型分離技術(shù)大致可分為三大類：

第一類：對(duì)傳統(tǒng)分離過程或方法加以變革后的分離技術(shù)：如基于萃取的超臨界流體萃取(supercritial-fluidextraction)、液膜萃取(liquidmembraneextraction)以及基于吸附的色譜分離、分子蒸餾（moleculardistillation）又稱短程蒸餾。

第二類：基于材料科學(xué)發(fā)展形成的分離技術(shù)：如反滲透（reverseosmosis)、超濾（ultrafiltration)、氣體滲透、滲透汽化（pervaporation）等膜分離技術(shù)。

第三類：膜與傳統(tǒng)分離相結(jié)合形成的分離技術(shù)（耦合與集成技術(shù)）：如膜吸收（membrane-basedabsorption）、膜萃?。╩embrane-basedextraction）、親和超濾（affinityultrafiltration)、膜反應(yīng)器（membranereaction）等。新型分離技術(shù)的分類新型分離技術(shù)大致可分為三大類：

第一102現(xiàn)代分離科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)利用方法間的共性，探討方法間的聯(lián)系和統(tǒng)一理論和數(shù)學(xué)模式的表達(dá)將新技術(shù)、新材料引入分析技術(shù)中，發(fā)展新分離原理和方法;解決現(xiàn)代科技和生產(chǎn)過程中重大的分離和純化問題;利用現(xiàn)代分析手段，如波譜、電鏡、粒子束分析研究分離過程機(jī)理，探討分離過程動(dòng)力學(xué)及其模型;計(jì)算機(jī)模擬分離過程和數(shù)學(xué)模型的建立;多種分離方法和技術(shù)聯(lián)用，研究最優(yōu)化分離條件;分離發(fā)現(xiàn)新的重要物質(zhì);利用電、磁、光、熱等建立無污染的分離過程.現(xiàn)代分離科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)利用方法間的共性，探討方法間的聯(lián)103二、現(xiàn)代分離科學(xué)的特點(diǎn)分離過程使用最新的技術(shù)，例如：激光、計(jì)算機(jī)、微生物及電子技術(shù)等；分離的對(duì)象為生物工程及現(xiàn)代化工業(yè)產(chǎn)品，如生命科學(xué)中的蛋白質(zhì)、核酸、酶及多糖等的分離和純化，原子能科學(xué)中同位素的分離，材料科學(xué)中新材料的制備等提出新的分離原理，發(fā)展新的分離方法和技術(shù)二、現(xiàn)代分離科學(xué)的特點(diǎn)分離過程使用最新的技術(shù)，例如：激光、計(jì)104對(duì)分離技術(shù)觀念上的更新：經(jīng)典分離法評(píng)價(jià)分離方法的優(yōu)劣，僅從宏觀效果，如對(duì)有關(guān)物質(zhì)的回收率、分離度（如色譜分離中的R值，反映了分離的效果）等指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估。而現(xiàn)代分離科學(xué)對(duì)某些體系，如蛋白質(zhì)藥物的分離，除上述指標(biāo)外，還要對(duì)其分離過程中微觀變化、分子構(gòu)象進(jìn)行評(píng)估，它將直接影響蛋白質(zhì)的生物活性。對(duì)分離技術(shù)觀念上的更新：經(jīng)典分離法評(píng)價(jià)分離方法的優(yōu)劣，105三、

現(xiàn)代分離科學(xué)的重要性（1）促進(jìn)傳統(tǒng)分離科學(xué)的進(jìn)步。（2）實(shí)現(xiàn)本世紀(jì)科學(xué)目標(biāo)的重要手段。（3）“三廢治理”

（４）新物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)與研究（5）探索宇宙的奧秘是生產(chǎn)活動(dòng)科學(xué)研究必不可少的手段三、現(xiàn)代分離科學(xué)的重要性106四、現(xiàn)代分離科學(xué)研究的內(nèi)容

各種表面上看來毫無聯(lián)系的各分離方法之間的共同規(guī)律，例如組分在相及界面遷移過程中發(fā)生了什么變化，它對(duì)分離產(chǎn)生了什么樣的影響，如何強(qiáng)化對(duì)分離有利的因素和抑制那些不利的因素；選擇現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中對(duì)分離和純化要求最迫切的對(duì)象進(jìn)行研究，以提高經(jīng)濟(jì)效益，解決生產(chǎn)中的關(guān)鍵問題；

四、現(xiàn)代分離科學(xué)研究的內(nèi)容各種表面上看來毫無聯(lián)系的各分離107如何將現(xiàn)代科技中最先進(jìn)的技術(shù)和材料應(yīng)用于分離技術(shù)中

將各種分離方法聯(lián)用，研究最優(yōu)化的分離條件分離出迄今尚未發(fā)現(xiàn)的新物質(zhì)

尋求新的分離原理及方法等如何將現(xiàn)代科技中最先進(jìn)的技術(shù)和材料應(yīng)用于分離技術(shù)中108第二節(jié)分離科學(xué)的基本概念一.回收因子二.分離因子三.純度四.富集倍數(shù)第二節(jié)分離科學(xué)的基本概念109回收因子回收因子Ri

反映被分離物在分離過程中損失量的多少,是分離方法準(zhǔn)確度的表征.

Ri為實(shí)際回收量Q占樣品中總量Q0的分?jǐn)?shù)。它的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

(1.1)

測(cè)定方法:標(biāo)準(zhǔn)加入法與標(biāo)準(zhǔn)樣品法回收因子回收因子Ri110分離因子表示某一單元分離操作或某一分離流程中兩種物質(zhì)被分離的程度。它與兩種物質(zhì)的回收率有關(guān).回收率相差越大,分離效果越好.表示兩種組分被分離的難易程度分離因子表示某一單元分離操作或某一分離流程中兩種物質(zhì)被分離的111分離因子SB/A

對(duì)于A，B二種組分而言，A為欲分離的組分，B為伴隨組分，其B對(duì)A的分離因子定義為

或（1.2）因在一般定量分離中，RA≈1,所以（1.3）

由此可見，在分離過程中，要求B對(duì)A的分離因子愈小愈好，即RB值愈小愈好。反之A對(duì)B的分離因子越大越好.分離因子SB/A112分離因子取決于兩個(gè)因素：（1）樣品中B對(duì)A的比例即； （2）實(shí)現(xiàn)分離后二者的比例即

。

表1.1在不同和時(shí)的值

0.1/99.9≈0.0010.055×10－5

1/99≈0.010.022×10－4

10/90≈0.10.010.00150/50＝10.0020.00290/10≈100.0010.0199/1≈1000.0010.1分離因子取決于兩個(gè)因素：0.1/99.9≈0.00113純度

純度系指分離產(chǎn)物中主成分含量高低或所含雜質(zhì)的多少。生物制品的純度:蛋白質(zhì)等物質(zhì)以比活及雜質(zhì)含量來確認(rèn)其純度.即單位純蛋白質(zhì)質(zhì)量的活性來定義蛋白質(zhì)的比活。因純蛋白的比活是一定的，所以比活愈高，則表明該蛋白的純度愈高。同時(shí)測(cè)定雜質(zhì)含量.

純度114（1）給藥次數(shù)（2）雜質(zhì)對(duì)人體的有害程度一般95%

(3)對(duì)分離指標(biāo)的要求(結(jié)構(gòu)分析,定量分析)影響純度的要求的因素影響純度的要求的因素115

富集倍數(shù)富集對(duì)象是微量和痕量組分,對(duì)富集倍數(shù)的要與最初濃度及分析技術(shù)的靈敏度高低有關(guān)富集倍數(shù)=目標(biāo)組分的回收率/基質(zhì)組分的回收率ⅠⅡ富集倍數(shù)ⅠⅡ116第三節(jié)分離的熱力學(xué)限制

一、混合的熵二、分離-----負(fù)熵的生成三、能量的種類四、分離的理論耗能量五、分離的熱力學(xué)限制第三節(jié)分離的熱力學(xué)限制117分離的熱力學(xué)限制(a)+（b+c+d)+…(a+b+c+d+…)(a)(a)(稀釋)熵值增大的自發(fā)過程(單相體系)在分離過程中所做的各種努力不外乎兩方面：一、盡可能增大分離的驅(qū)動(dòng)力二、努力減小體系的熵值分離的熱力學(xué)限制(a)+（b+c+d)+…118

一.混合的熵

分離與混合是互為相反的過程，假設(shè)在圖1.1所示的用隔膜分開的兩個(gè)小室內(nèi)，分別存在著處于同一壓力p下的，可看作是理想氣體純組分的A和B，其物質(zhì)的量分別為nA和nB。如果取掉這層隔膜，組分A和B就要進(jìn)行擴(kuò)散而相互混合，最終變成均勻的混合物，正如所知那樣，此時(shí)混合的熵依下式增大：

一.混合的熵119圖1.1

成分AnA［mol］

成分BnB［mol］混合分離混合物（A+B)(nA+nB)［mol］

隔膜圖1.1成分AnA［mol］成分B120

若混合物為1mol,

則有：其中，分別為組分A和B的摩爾分?jǐn)?shù)。若則若混合物為1mol,121

［例題1.1］常溫、常壓(300K,101.3kPa)下，空氣由摩爾分?jǐn)?shù)為79%的N2和21%的O2組成，試求當(dāng)N2與O2分別由純組分按上述組成混合為1m3這樣的空氣，因混合而增大的熵。［例題1.1］122

解：將xA=0.79,xB=0.21代入（1.7）式中，則1mol空氣熵的變化為把空氣作為理想氣體，使用理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT，就可求出1m3空氣混合物所相當(dāng)?shù)奈镔|(zhì)的量即

則解：將xA=0.79,xB=0.21代入（1.7）式中，則123

［例題1.2］常溫海水是由質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%的NaCl（摩爾質(zhì)量5.85×10-2kg/mol）和水組成的。按此組成用水與NaCl混合成為海水1000kg，試求由于混合而增大的熵。（這里，海水可視為理想溶液）。［例題1.2］124解：因?yàn)镹aCl的質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%，所以1000kg海水中，水為965kg。設(shè)nA為NaCl的物質(zhì)的量，nB為水的物質(zhì)的量，則解：因?yàn)镹aCl的質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%，所以1000kg海水中，125代入式(1.7)中代入式(1.7)中126稀釋熵稀釋熵127二.分離 負(fù)熵的生成（熵的減少）

由上面的討論可以看到，混合是使熵增大的過程，所以是自然發(fā)生的現(xiàn)象。與之相反，要把熵增大了的混合物（A+B）分離成純組分A和B，返回原先的狀態(tài)，就必須把增大了的熵用某一方法除去。換句話說，就是必須要把負(fù)的熵加到混合物(A+B)上。二.分離 負(fù)熵的生成（熵的減少）128

那么怎樣做才能產(chǎn)生負(fù)熵呢？向體系提供能量（熱或功）。讓我們先就大家熟知的分離方法蒸餾及其裝置來分析一下吧。圖1.2所示就是蒸餾器。加熱下部的燒瓶，冷卻上部的冷凝器，就可以把混合溶液分離成餾出液與釜?dú)堃?。如果在精餾塔柱的部分是絕熱的，與外界沒有熱量交換，下部燒瓶的溫度為T1，穩(wěn)定地把熱量Q供給蒸餾器，上部冷凝器溫度為T2且(T2<T1),那么怎樣做才能產(chǎn)生負(fù)熵呢？129

圖1.2蒸餾器覆套式電阻加熱器原料燒瓶溫度計(jì)精餾塔冷卻器回流容器冷卻水圖1.2蒸餾器覆套式電阻加熱器原料燒瓶溫度計(jì)精餾塔冷卻器130

則可把這個(gè)熱量Q穩(wěn)定地從蒸餾器取出。此時(shí)，在燒瓶處進(jìn)入系統(tǒng)的熵是Q/T1,而在冷凝器處帶出系統(tǒng)的熵是-Q/T2，因此,在整個(gè)蒸餾裝置中，熵的變化可由下式表示:

可見，在蒸餾裝置內(nèi)，熵的變化是負(fù)值。則可把這個(gè)熱量Q穩(wěn)定地從蒸餾器取出。此時(shí)，在131

把這些能量巧妙地作用于混合物各組分那些有差異的性質(zhì)上，就可進(jìn)行混合物的分離。上述蒸餾裝置的例子，是利用了混合物的蒸氣壓。為了在裝置中能夠利用各組分間蒸氣壓的差異，則需在操作壓力下，使下部燒瓶的加熱溫度為T1，來確保易揮發(fā)組分的蒸氣壓，即從外部提供分離所需的能量——?dú)饣瘽摕?。把這些能量巧妙地作用于混合物各組分那些132

但若混合物中各組分的蒸氣壓大致相同，或混合物是由幾乎不能蒸發(fā)的組分組成的，上述的蒸餾裝置也就失去了分離作用。這就需要根據(jù)混合物各組分其他性質(zhì)的差異來確定分離方法。但若混合物中各組分的蒸氣壓大致相同，或133三.能量的種類一般地，只要向某個(gè)系統(tǒng)投入能量，就可以使之產(chǎn)生負(fù)熵。而作為能量的存在形式，有各種各樣。（1）力學(xué)能：機(jī)械能、流體動(dòng)能、位能；（2）熱能；（3）電能；（4）化學(xué)能：濃度差、化學(xué)結(jié)合能；（5）光能；（6）核能。

三.能量的種類134四.分離的理論耗能量

把混合物變成各個(gè)純組分的分離，是一件十分類似于把凌亂的房間收拾整潔的過程。當(dāng)我們要把散亂的報(bào)紙、雜志、CD唱片、坐墊等物品整理歸回到報(bào)紙架、雜志架、書櫥、CD盒、唱片盒、壁櫥等處時(shí)，我們就要在房間里來回走動(dòng)，因此而消耗了能量，這是收拾房間的情況。如果不太亂，收拾起來會(huì)輕松些，會(huì)少消耗些能量。但若亂的一塌糊涂，收拾的工作量就很大，消耗的能量也會(huì)比較多。另外對(duì)于不同的人，即對(duì)于是否擅長(zhǎng)收拾的人來說，能量的消耗程度也會(huì)有很大差別。四.分離的理論耗能量135

分離混合物的過程也是如此。把只含有少量不純組分的混合物分離成純組分，使用較少的能量就可以了。當(dāng)然，采用的分離方法和過程不一樣，所消耗的能量也會(huì)不同。分離混合物的過程也是如此。把只含有少136

熱力學(xué)理論認(rèn)為，如果分離是在恒溫恒壓條件下進(jìn)行的，那么其耗能量即為分離的理論耗能量（最小功）。將圖1.1所示的混合氣體看作是理想氣體，在溫度T下分離為各自純組分A和B則所需的最小功，可由（1.7）式改寫為下式:

(1.10)

137

若混合物為1mol則(1.11)

使用上式可以求得無因次功(Wmin.T/RT)與組分A摩爾分?jǐn)?shù)xAF的關(guān)系。圖1.3給出了這個(gè)計(jì)算的結(jié)果。由圖可見，對(duì)半的混合物，即xAF＝0.5，分離所需的功最大。圖1.4則給出了要得到1molA組分純產(chǎn)物，其分離所需最小功與組成xAF之間的函數(shù)關(guān)系。當(dāng)xAF很小時(shí)，最小功急劇增大，若xAF接近0，最小功將趨于無限大。

若混合物為1mol138圖中是指將1mol雙組分理想混合物分離為各自純組分所需要的最小功圖中是指將1mol雙組分理想混合物分離為各自純組分所需要139圖中是指從理想的混合物中分離出1mol純組分A需要的最小功圖中是指從理想的混合物中分離出1mol純組分A需要的最小140

［例題1.3］將例題1.1所述狀態(tài)的空氣1m3，在300K下，分離為純組分N2和O2，求所需的最小功。解：1mol的混合物把空氣作為理想氣體，使用理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT，就可求出1m3空氣混合物所相當(dāng)?shù)奈镔|(zhì)的量.［例題1.3］將例題1.1所述狀態(tài)的空氣1m3，在300K141圖1.1成分AnA［mol］成分BnB［mol］混合物（A+B)(nA+nB)［mol］圖1.1成分AnA［mol］成分B142解：由例題1.1的解可知：

則：解：由例題1.1的解可知：143多組分分離的負(fù)熵多組分分離的負(fù)熵144分離科學(xué)與技術(shù)第一章現(xiàn)代分離科學(xué)概論現(xiàn)代分離科學(xué)與技術(shù)教學(xué)課件145

而實(shí)際中的混合物常常是多組分非理想混合溶液，要想把各個(gè)組分都分離為純產(chǎn)物是不可能的。設(shè)混合物F由J個(gè)組分組成，要分離為i個(gè)產(chǎn)品時(shí)，根據(jù)King的理論，在恒溫、恒壓的操作條件下，將1mol混合物進(jìn)料，從原料濃度的xjF分離提純至產(chǎn)品濃度xji所需的最小功應(yīng)為：而實(shí)際中的混合物常常是多組分非理想混合溶液，要想把各個(gè)146

式中

分別是原料F和產(chǎn)品i中j組分的活度系數(shù)；產(chǎn)品i所占進(jìn)料的摩爾分?jǐn)?shù)；

產(chǎn)品i中j組分的摩爾分?jǐn)?shù)

分離科學(xué)與技術(shù)第一章現(xiàn)代分離科學(xué)概論現(xiàn)代分離科學(xué)與技術(shù)教學(xué)課件147

設(shè)一個(gè)雙組分A和B的混合物,且為理想溶液(為1.0)。則將其分離成產(chǎn)品（1，2）所需的最小功為：

(1.13)設(shè)一個(gè)雙組分A和B的混合物,且為理想溶液148第四節(jié)分離過程與分離方法分類分離過程示意圖力學(xué)能：機(jī)械能、流體動(dòng)能、位能、熱能化學(xué)能：溶度差、化學(xué)結(jié)合能、電能、光能、核能等

對(duì)各組分所特有的性質(zhì)差作用能量或分離劑原料物流（一個(gè)或數(shù)個(gè)）分離裝置兩個(gè)以上的產(chǎn)品物流（濃度不同）第四節(jié)分離過程與分離方法分類分離過程示意圖力學(xué)能：機(jī)械能、149可用于分離的性質(zhì)

物理方面的性質(zhì)

力學(xué)性質(zhì)密度，摩擦因數(shù)，表面張力，尺寸，質(zhì)量

熱力學(xué)性質(zhì)熔點(diǎn)，沸點(diǎn)，臨界點(diǎn)，蒸氣壓，溶解度，分配系數(shù)，吸附平衡電、磁性質(zhì)電導(dǎo)率，介電常數(shù)，遷移率，電荷，淌度，磁化率

輸送性質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)，分子飛行速度

化學(xué)方面的性質(zhì)

熱力學(xué)性質(zhì)反應(yīng)平衡常數(shù)，離解常數(shù)，電離電位反應(yīng)速度性質(zhì)反應(yīng)速度常數(shù)

生物學(xué)方面的性質(zhì)生物學(xué)親和力，生物學(xué)吸附平衡，生物學(xué)反應(yīng)速度常數(shù)

可用于分離的性質(zhì)物理方面的性質(zhì)力學(xué)性質(zhì)密度150分離方法分類物理分離法如離心分離,電磁分離化學(xué)分離法如沉淀分離物理化學(xué)分離法如電泳,區(qū)帶熔融按可被利用的性質(zhì)分類分離方法分類物理分離法如離心分離,電磁分離按可被利用的151速度差分離過程:輸入能量，強(qiáng)化特殊梯度場(chǎng)的方法.

平衡分離過程:輸入能量