新型分离技术幻灯片.ppt

新型分离技术第1页，共42页，编辑于2022年，星期六(1)(1)分离科学与技术分离科学与技术,胡之德编胡之德编,四川科技出版社四川科技出版社(2)(2)现化分离技术现化分离技术,尹芳华等编著，化学工业出版社尹芳华等编著，化学工业出版社(3)(3)现代分离科学理论导引现代分离科学理论导引，耿信笃著，耿信笃著,高等教育出版社高等教育出版社(4)(4)超临界流体萃取超临界流体萃取，张镜澄主编，化学工业出版社，张镜澄主编，化学工业出版社(5)(5)反渗透膜技术反渗透膜技术水化学和工业应用水化学和工业应用，殷琦译，殷琦译，化学工业出版社化学工业出版社(6)(6)吸附分离技术吸附分离技术，冯孝庭，冯孝庭 主编，化学工业出版社主编，化学工业出版社(7)(7)膜分离技术膜分离技术，刘茉娥等编，化学工业出版社，刘茉娥等编，化学工业出版社教材及主要参考书教材及主要参考书参考教材：现代分离方法与技术参考教材：现代分离方法与技术 化学工业出版社化学工业出版社 (丁明玉丁明玉 等编著等编著)2006)2006第2页，共42页，编辑于2022年，星期六第一章第一章 绪论绪论1.1 1.1 分离科学及其研究内容分离科学及其研究内容1.1.1 分离分离 (separation)利用混合物中各组分在物理或化学性质上的差异，通过适当的装置利用混合物中各组分在物理或化学性质上的差异，通过适当的装置或方法，使各组分分配到或方法，使各组分分配到不同的空间不同的空间或按或按不同的时间不同的时间分配到同一分配到同一空间的过程。空间的过程。通俗地讲，就是将通俗地讲，就是将某种或某类某种或某类物质从复杂的混合物中分离出来，以物质从复杂的混合物中分离出来，以相对純的形式相对純的形式存在。存在。第3页，共42页，编辑于2022年，星期六（1 1）组分离（族分离）和单一分离）组分离（族分离）和单一分离组分离组分离：分离一类组分，例如：某种中药中起药效组：分离一类组分，例如：某种中药中起药效组分分离；天然香料中挥发油的分离；石油炼制中轻油和分分离；天然香料中挥发油的分离；石油炼制中轻油和重油的分离。重油的分离。单一分离单一分离：将某种化合物以：将某种化合物以纯物质纯物质的形式从混合物中分离的形式从混合物中分离出来，如：工业上纯物质的制备；化学标准品的制备、药物出来，如：工业上纯物质的制备；化学标准品的制备、药物对映异构体的分离等。包括对映异构体的分离等。包括多组分相互分离、特定组分分离、多组分相互分离、特定组分分离、部分分离等。部分分离等。单一分离往往是单一分离往往是以组分离为基础的以组分离为基础的，多种分离方法多次应，多种分离方法多次应用。用。第4页，共42页，编辑于2022年，星期六（2 2）富集、浓缩和纯化）富集、浓缩和纯化富集富集（enchichment)：目的往往是分析而不是分离。目的往往是分析而不是分离。使样品中目标组分的浓度升高，提高仪器的检测灵敏度。使样品中目标组分的浓度升高，提高仪器的检测灵敏度。富集也是一种分离，借助于分离手段。富集也是一种分离，借助于分离手段。浓缩（浓缩（concentraction)：将溶液中的溶剂蒸发掉，使溶：将溶液中的溶剂蒸发掉，使溶液中溶质的浓度提高的过程，富集过程常包含浓缩。液中溶质的浓度提高的过程，富集过程常包含浓缩。纯化（纯化（Purification)：通过分离操作目标产物的纯度提高，：通过分离操作目标产物的纯度提高，尤其是尤其是去除杂质去除杂质得到纯净化合物的过程。得到纯净化合物的过程。Purity(纯度）：主要成分的含量或杂质的含量。纯度）：主要成分的含量或杂质的含量。第5页，共42页，编辑于2022年，星期六1.1.2 分离科学（分离科学（Separation Science)Separation Science)研究从混合物中研究从混合物中分离、富集或纯化分离、富集或纯化某些组分，以某些组分，以获得相对获得相对純物质純物质的规律及其应用的一门学科。的规律及其应用的一门学科。研究将混合物中某个或某些组分的含量提高以至获研究将混合物中某个或某些组分的含量提高以至获得純化合物的得純化合物的分离方法、技术及规律分离方法、技术及规律的科学的科学。第6页，共42页，编辑于2022年，星期六1.1.3 分离的目的分离的目的（1 1）分析前样品处理：检测灵敏度、仪器的需要）分析前样品处理：检测灵敏度、仪器的需要 （2 2）结构鉴定：红外、核磁、质谱）结构鉴定：红外、核磁、质谱 （3 3）获取有用物质）获取有用物质 （4 4）除去有害物质：如废水处理）除去有害物质：如废水处理第7页，共42页，编辑于2022年，星期六1.1.4 分离技术特点分离技术特点（1 1）分离对象种类繁多：合成、天然）分离对象种类繁多：合成、天然（2 2）分离的目的各不相同：一般工业上为了获得有用物质；）分离的目的各不相同：一般工业上为了获得有用物质；实验室是为了后续分析。实验室是为了后续分析。（3 3）分离规模差异很大：结构鉴定微克级、工业生产上吨）分离规模差异很大：结构鉴定微克级、工业生产上吨计的大规模分离纯化。计的大规模分离纯化。（4 4）分离技术形形色色）分离技术形形色色（5 5）应用领域极为广泛）应用领域极为广泛 化工、医药、食品、环境等，化工、医药、食品、环境等，是推动其他学科发展的动力。是推动其他学科发展的动力。第8页，共42页，编辑于2022年，星期六1.1.5 分离科学的主要内容分离科学的主要内容研究分离过程的研究分离过程的共同规律共同规律，主要包括用，主要包括用热力学原理热力学原理讨论分离讨论分离体系的功、能量和热的转换关系，以及物质输运的方向和体系的功、能量和热的转换关系，以及物质输运的方向和限度；用限度；用动力学原理动力学原理研究各种分离过程的速度与效率；研研究各种分离过程的速度与效率；研究分离体系的化学平衡、相平衡和分配平究分离体系的化学平衡、相平衡和分配平衡衡。研究基于不同分离原理的分离方法、分离设备及其应用。研究基于不同分离原理的分离方法、分离设备及其应用。第9页，共42页，编辑于2022年，星期六1.1.6 分离的基本原则和要求分离的基本原则和要求（1 1）分离因子尽可能的高；）分离因子尽可能的高；（2 2）消耗的消耗的分离材料、设备和能源费用尽可能少；分离材料、设备和能源费用尽可能少；（3 3）分离操作简单、速度快；）分离操作简单、速度快；（4 4）分离纯度尽可能的高。）分离纯度尽可能的高。选择最适宜的分离方法和技术选择最适宜的分离方法和技术第10页，共42页，编辑于2022年，星期六1.2 1.2 分离科学的重要性分离科学的重要性（1 1）认识物质世界的必经之路：获得纯物质、鉴定结构、）认识物质世界的必经之路：获得纯物质、鉴定结构、了解物理化学性质了解物理化学性质（2 2）各种分析技术的前提：去除干扰、提高检测限）各种分析技术的前提：去除干扰、提高检测限（浓缩、富集）（浓缩、富集）（3 3）其他学科发展的基础：天然产物提取与分离、药物）其他学科发展的基础：天然产物提取与分离、药物化学、有机化学、食品科学等化学、有机化学、食品科学等（4 4）获取有用物质的手段：纯净水、精盐、天然色素）获取有用物质的手段：纯净水、精盐、天然色素第11页，共42页，编辑于2022年，星期六例如：例如：（1）天然产物试样中微量成分的获得）天然产物试样中微量成分的获得 如：抗癌药物如：抗癌药物干扰素，天然的干扰素，天然的1克价格克价格达几百万元。达几百万元。（2）生物工程产品的产业化生产）生物工程产品的产业化生产 其下游技术就是分离纯化工艺，其工作其下游技术就是分离纯化工艺，其工作量和投资占整个过程的量和投资占整个过程的5080%。第12页，共42页，编辑于2022年，星期六（3 3）有机化合物的性能研究和分析）有机化合物的性能研究和分析如：如：保健品中褪黑激素的测定；保健品中褪黑激素的测定；运动员体液兴奋剂检测；运动员体液兴奋剂检测；第13页，共42页，编辑于2022年，星期六（4 4）很多药物有立体异构，其药理性质不同）很多药物有立体异构，其药理性质不同氯霉素氯霉素（广普抗菌药）（广普抗菌药）D-(-)-(-)有杀菌活性有杀菌活性 L-(+)-(+)无无葡萄糖葡萄糖 D-(+)D-(+)在动物代谢作用中起在动物代谢作用中起重要作用重要作用 L-(-)L-(-)既不能被代谢，也既不能被代谢，也不能在植物体内合成不能在植物体内合成第14页，共42页，编辑于2022年，星期六 麻黄素麻黄素左旋体有疗效；左旋体有疗效；右旋体不仅无疗效，而右旋体不仅无疗效，而且还干扰左旋的作用且还干扰左旋的作用 5-5-乙基乙基-5(1,3-5(1,3-二甲基丁基二甲基丁基)巴比妥酸盐巴比妥酸盐 S-S-（-）抑制中枢神经）抑制中枢神经（催眠镇痛药）（催眠镇痛药）R-R-（+）惊厥剂）惊厥剂第15页，共42页，编辑于2022年，星期六16两种构型具有不同活性的手性药物两种构型具有不同活性的手性药物第16页，共42页，编辑于2022年，星期六17因母体使用反应停而致畸性的儿童因母体使用反应停而致畸性的儿童反应停化学名称为沙利度反应停化学名称为沙利度胺胺(Thalidomide)，分子中，分子中具有一个手性中心，其具有一个手性中心，其R异异构体对孕妇具有镇静和安眠构体对孕妇具有镇静和安眠用，而用，而S异构体异构体则会无一则会无一例外地例外地导致胎儿畸变导致胎儿畸变。第17页，共42页，编辑于2022年，星期六问题的提出问题的提出问题的提出问题的提出实际样品的复杂性实际样品的复杂性实际样品的复杂性实际样品的复杂性干扰的消除干扰的消除干扰的消除干扰的消除控制实验条件控制实验条件控制实验条件控制实验条件使用掩蔽剂使用掩蔽剂使用掩蔽剂使用掩蔽剂分离分离分离分离 separationseparation分析方法灵敏度的局分析方法灵敏度的局分析方法灵敏度的局分析方法灵敏度的局限性限性限性限性满足对灵敏度满足对灵敏度满足对灵敏度满足对灵敏度的要求的要求的要求的要求选择灵敏度高的选择灵敏度高的选择灵敏度高的选择灵敏度高的方法方法方法方法富集富集富集富集enrichment enrichment 例：例：例：例：海水中海水中海水中海水中 U U（IV)IV)的测定的测定的测定的测定C C=1 3 =1 3 g/Lg/L难以测定难以测定难以测定难以测定富集为富集为富集为富集为 C C=100 200 =100 200 g/Lg/L可以测定可以测定可以测定可以测定第18页，共42页，编辑于2022年，星期六1.3 1.3 分离技术的分离技术的特点特点（1 1）分离技术的多样性）分离技术的多样性 有机化合物有机化合物结构复杂多样结构复杂多样，性质千差万别性质千差万别，决定了分离技术的多种多样。决定了分离技术的多种多样。碳链骨架、碳链骨架、官能团、分官能团、分子量及空间子量及空间结构不同构结构不同构成了性质十成了性质十分复杂的有分复杂的有机家族。机家族。从熔点、沸点、折光、密度、酸碱性、分子量、从熔点、沸点、折光、密度、酸碱性、分子量、溶解度和吸附性能等方面考查，有些物质在某些性溶解度和吸附性能等方面考查，有些物质在某些性质上接近，在其他性质上差别大，而另一些物质也质上接近，在其他性质上差别大，而另一些物质也许正好相反。这就决定了我们只有选择某些合适的许正好相反。这就决定了我们只有选择某些合适的方法，利用分离对象组份间性质有差异的条件实现方法，利用分离对象组份间性质有差异的条件实现分离。所以要求有多种多样的分离方法，以适应实分离。所以要求有多种多样的分离方法，以适应实际需要。际需要。第19页，共42页，编辑于2022年，星期六（2 2）主要利用化合物物理性质的差异进行分离）主要利用化合物物理性质的差异进行分离如：蒸馏如：蒸馏 利用沸点差异利用沸点差异 重结晶重结晶 利用溶解度差异利用溶解度差异 色谱色谱 利用吸附性能差异利用吸附性能差异 膜分离膜分离 利用分子量的大小不同利用分子量的大小不同第20页，共42页，编辑于2022年，星期六（3 3）每种分离方法均有适应性及局限性）每种分离方法均有适应性及局限性 每种分离方法、分离材料、分离工艺每种分离方法、分离材料、分离工艺都是依据不同的分离对象、分离目的而都是依据不同的分离对象、分离目的而确定的，当分离对象与目的改变时，分确定的，当分离对象与目的改变时，分离技术也要重新选择。离技术也要重新选择。第21页，共42页，编辑于2022年，星期六（4 4）分离技术与设备发展迅速）分离技术与设备发展迅速 新理论的出现、新技术和新材料的采用新理论的出现、新技术和新材料的采用大大推进了分离纯化技术的发展。如：大大推进了分离纯化技术的发展。如：计算机和电子技术的广泛使用使自动化计算机和电子技术的广泛使用使自动化程度大大提高；程度大大提高；酶制剂的使用为手性化合物的分离开辟酶制剂的使用为手性化合物的分离开辟了新途径；了新途径；色谱技术和仪器的进步大大推动了分离色谱技术和仪器的进步大大推动了分离技术的进步；技术的进步；膜技术的应用提高了分离处理量而且降膜技术的应用提高了分离处理量而且降低了成本。低了成本。第22页，共42页，编辑于2022年，星期六分离过程示意图力学能：机械能、流体动能、位能、热能 化学能：溶度差、化学结合能、电能、光能、核能等 对各组分所特有的性质差作用能量或分离剂原料物流（一个或数个）分离装置两个以上的产品物流（浓度不同）1.4 1.4 分离方法的分类分离方法的分类第23页，共42页，编辑于2022年，星期六物理性质物理性质力学性质、电磁性力学性质、电磁性质、输送性质、热质、输送性质、热力学性质力学性质密度、摩擦、表面张力、密度、摩擦、表面张力、熔熔点、沸点点、沸点、临界点、临界点、溶解度溶解度、蒸汽压、蒸汽压、分配系数分配系数、吸附吸附、电导率、扩散系数电导率、扩散系数化学性质化学性质热力学性质、反应热力学性质、反应速率速率化学平衡常数、化学吸附平化学平衡常数、化学吸附平衡常数、解离常数、反应速衡常数、解离常数、反应速率常数、电离电势率常数、电离电势生物学性质生物学性质生物亲和力、生物吸附平衡、生物亲和力、生物吸附平衡、生物学反应速率常数生物学反应速率常数通常用于分离的物质性质通常用于分离的物质性质第24页，共42页，编辑于2022年，星期六1.4.1 按被按被分离物质的性质分类分离物质的性质分类 （1 1）物理分离法：利用）物理分离法：利用物理性质物理性质，采用适当的物理手段进行，采用适当的物理手段进行分离，如离心、蒸馏；分离，如离心、蒸馏；（2 2）化学分离法：按被分离组分）化学分离法：按被分离组分化学性质化学性质差异，通过适差异，通过适当的化学过程使其分离。如沉淀分离、溶剂萃取、色谱分离、当的化学过程使其分离。如沉淀分离、溶剂萃取、色谱分离、选择性溶解；选择性溶解；（3 3）物理化学分离法：按被分离组分的）物理化学分离法：按被分离组分的物理化学性质差异物理化学性质差异进进行分离。如电泳、膜分离。行分离。如电泳、膜分离。第25页，共42页，编辑于2022年，星期六1.4.2 按按分离过程的本质分离过程的本质分类分类 （1 1）平衡分离过程）平衡分离过程利用外加能量或分离剂使混合物体系形成两相界面，通过利用外加能量或分离剂使混合物体系形成两相界面，通过两相界面的平衡关系使两相界面的平衡关系使均相混合物均相混合物得以分离。如得以分离。如液液-液液萃取萃取（达到平衡时的分配系数不同）；结晶（固（达到平衡时的分配系数不同）；结晶（固-液平液平衡）；蒸馏（液衡）；蒸馏（液-气平衡）气平衡）第26页，共42页，编辑于2022年，星期六（2 2）速度差分离过程）速度差分离过程 利用外加能量，利用外加能量，强化特殊梯度场强化特殊梯度场（重力梯度、压力梯（重力梯度、压力梯度、温度梯度、浓度梯度、电位梯度等）。如高速或超速度、温度梯度、浓度梯度、电位梯度等）。如高速或超速离心离心强化离心力场强化离心力场，使用过滤材料强化不同物质移动的，使用过滤材料强化不同物质移动的速度差速度差。电泳强化。电泳强化离子移动速度差离子移动速度差等。一般用于等。一般用于非均相非均相混合物混合物的分离。的分离。第27页，共42页，编辑于2022年，星期六（3 3）反应分离过程）反应分离过程利用外加能量或化学试剂，使利用外加能量或化学试剂，使发生发生化学反应或化学反应化学反应或化学反应被被促进促进，达到分离目的方法。，达到分离目的方法。例如例如:烟道气脱硫工艺中，将烟道气脱硫工艺中，将SO2与石灰水作用生成石膏分与石灰水作用生成石膏分离；污水中有机物被微生物分解为离；污水中有机物被微生物分解为CO2和水而分离。和水而分离。第28页，共42页，编辑于2022年，星期六1.5 1.5 分离、纯化技术分离、纯化技术选择选择分离纯化方案的设计是分离纯化工作的前提，也分离纯化方案的设计是分离纯化工作的前提，也是决定分离工作成败的关键。是决定分离工作成败的关键。（1 1）分离对象）分离对象 (按分离对象选择方法按分离对象选择方法:了解待处理对了解待处理对象（植物材料、动物材料及反应液等）的物质组成，象（植物材料、动物材料及反应液等）的物质组成，熟悉各种物质的理化性质；尽可能了解目标物（被熟悉各种物质的理化性质；尽可能了解目标物（被分离物质）的化学结构及其理化性质，确立目标物分离物质）的化学结构及其理化性质，确立目标物可靠的检测目标物方法。可靠的检测目标物方法。)（2 2）分离目的（）分离目的（科研、生产科研、生产）（3 3）分离量（）分离量（各种方法处理量不同各种方法处理量不同）（4 4）实验条件（）实验条件（了解和熟练掌握各种分离技术，明确了解和熟练掌握各种分离技术，明确各方法的应用范围和优缺点各方法的应用范围和优缺点,满足以上条件基础上选满足以上条件基础上选择廉价方法择廉价方法）第29页，共42页，编辑于2022年，星期六提取沉淀除杂减压蒸馏减压蒸馏萃取除杂实例1 毛花洋地黄粗总甙的提取分离第30页，共42页，编辑于2022年，星期六萃取除杂减压蒸馏溶解普通蒸馏结晶重结晶干燥续实例1 第31页，共42页，编辑于2022年，星期六萃取,化学反应萃取,化学反应萃取,化学反应萃取,化学反应萃取,化学反应精馏,色谱实例2第32页，共42页，编辑于2022年，星期六1.6 1.6 分离方法的评价分离方法的评价 （1 1）回收率）回收率 （2 2）分离因子）分离因子 （3 3）富集倍数）富集倍数 （4 4）其它：成本、环境污染等）其它：成本、环境污染等第33页，共42页，编辑于2022年，星期六（1 1）回收率）回收率R R为回收率；为回收率；Q Q为实际回收量；为实际回收量；Q Q0 0 为理论回为理论回收量收量R R 反映了被分离物质在分离过程中的损失量多少，反映了被分离物质在分离过程中的损失量多少，是分离方法准确性的指标。是分离方法准确性的指标。通常通常 1%的常量组分，的常量组分，R 99%；痕量组分；痕量组分 R 90%或或 95%。第34页，共42页，编辑于2022年，星期六回收率测量方法：回收率测量方法：标准加入法：在标准加入法：在样品中样品中加入已知量的目标物标准品，用加入已知量的目标物标准品，用待检验的分离方法将加入的标准样品分离出，计算目标待检验的分离方法将加入的标准样品分离出，计算目标组分的回收率。组分的回收率。样品中一般不含有目标组分样品中一般不含有目标组分，若有应测出含量，并从，若有应测出含量，并从加标样品中扣除。加标样品中扣除。标准样品法：用待检验的分离方法分离标准样品法：用待检验的分离方法分离标准样品中的目标标准样品中的目标物物，计算该分离方法的回收率。，计算该分离方法的回收率。标准样品：与待分离样品有相似的基体组成，待分离标准样品：与待分离样品有相似的基体组成，待分离物质的含量已知（如不同实验室采用不同方法进行过准物质的含量已知（如不同实验室采用不同方法进行过准确测定的样品）。确测定的样品）。第35页，共42页，编辑于2022年，星期六（2 2）分离因子）分离因子 A为目标组分，为目标组分，B为共存组分为共存组分分离因子表示两种物质被分离的程度，它与两种物质分离因子表示两种物质被分离的程度，它与两种物质的回收率相关，的回收率相关，回收率相差越大回收率相差越大分离效果越好。分离效果越好。分离因子与分离因子与分离前分离前A,B的比例的比例有关，也与分离后二者的有关，也与分离后二者的比例有关。比例有关。第36页，共42页，编辑于2022年，星期六（3 3）富集倍数）富集倍数富集倍数富集倍数=富集倍数根据分析检测技术要求而定，富集倍数根据分析检测技术要求而定，高灵敏度检测方法高灵敏度检测方法无需富集，反而要将样品进行稀释无需富集，反而要将样品进行稀释。高效和高选择性分离。高效和高选择性分离技术可达到数万倍甚至数十万倍的富集倍数。技术可达到数万倍甚至数十万倍的富集倍数。第37页，共42页，编辑于2022年，星期六1.7 1.7 分离技术的展望分离技术的展望已成为一个新的学科。已成为一个新的学科。（1）色谱色谱分离技术成为最有效且应用最广的技术。分离技术成为最有效且应用最广的技术。分离模式多；分离模式多；高灵敏度、高选择性检测器；高灵敏度、高选择性检测器；在线联机提高定性能力和分析分离效率。在线联机提高定性能力和分析分离效率。第38页，共42页，编辑于2022年，星期六（2 2）不同分离技术）不同分离技术相互渗透相互渗透形成新的分离方法形成新的分离方法 如如萃取色谱法萃取色谱法（extraction chromatography)，将萃取，将萃取剂涂渍在剂涂渍在惰性固体载体惰性固体载体上用于液相色谱固定相，流动相为上用于液相色谱固定相，流动相为水溶液，样品中水溶液，样品中金属离子因与萃取剂形成配合物金属离子因与萃取剂形成配合物，由水相，由水相转移到固定相从而使金属离子得到分离。转移到固定相从而使金属离子得到分离。第39页，共42页，编辑于2022年，星期六（3 3）应用上蓬勃发展促进分离技术发展）应用上蓬勃发展促进分离技术发展天然产物有效成分天然产物有效成分提取分离、复杂基体痕量组分分析提取分离、复杂基体痕量组分分析（生物样品生物样品分析）。分析）。第40页，共42页，编辑于2022年，星期六（4 4）分离仪器设备分离仪器设备快速发展快速发展超声萃取、加压萃取、微波萃取、超临界萃取超声萃取、加压萃取、微波萃取、超临界萃取第41页，共42页，编辑于2022年，星期六（5 5）分离富集技术的自动化、在线化）分离富集技术的自动化、在线化全自动萃取仪、自动固相萃取仪、自动固相全自动萃取仪、自动固相萃取仪、自动固相微微萃取。萃取。第42页，共42页，编辑于2022年，星期六