新型分离技术复习重点.docx
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新型分离技术复习重点
学渣根据老师讲的重点整理出来的，希望对大家有用
考试题型
填空20分共10题
简答20分共4题
设计20题共2题（其中一题双极膜3室制备酸碱，图、原理，另外一题净水器5级结构XX上有）
计算40分共3题
第一章
1.分离技术的定义
分离技术是指利用物理、化学或物理化学等基本原理与方法将某种混
合物分成两个或多个组成彼此不同的产物的一种手段。
2.分离技术的作用于意义
（1）分离技术在过程工程中的意义：
分离工程通常贯穿在整个生产工艺过程中，包括从原料、产物和副产物中脱除杂质；循环物料的分离；从废物中脱除污染物，是获得最终产品必不可少的一个重要环节，也是化学家和化学工程师必须具备的基本知识。
（2）在日常生活中的作用：
饮用水、自来水大多都通过对来自江河湖海的水处理后获得的；每天食用的果汁、生啤、白糖、食言等分别通过蒸发、膜虑、结晶、电渗析等方法制得；每天开车所用的汽油、煤油等都是通过对原油加氢反应除去硫磺并经分馏制得的。
（3）在环境中的保护作用：
家庭生活污水所含成分十分复杂，直接排放将会严重污染环境，需通过富集、吸收、降解或转化等方式将有毒、有害污染物除去。
（4）在人类健康与保健中的作用：
分离技术在医疗上做出杰出的贡献，人工肾、人工肺人工肝具有的功能都是利用膜的筛分作用通过透析、滤过方法净化血液、供氧和去除CO2使血液氧合，或通过置换等，达到调节人体平衡、维持生活、延长寿命的目的。
（5）在能源再生与新能源利用方面的作用。
3．分离剂的概念
加到分离系统中使过程得以实现的能量或物质。
4.三大类新型分离技术
第一类—— 对传统技术或方法加以改良的分离技术：
超临界
流体萃取、液膜萃取、双水相萃取以及色谱分离等；
第二类—— 基于材料科学发展形成的分离技术：
反渗透、超
滤、气体渗透、渗透汽化等膜分离技术；
第三类—— 膜与传统分离相结合形成的分离技术：
膜吸收、
膜萃取、亲和超滤、膜反应器等。
第二章
计算题都在这一章
1.第一种类型：
混合熵（作业有做过）
Smix＝－Rnilnxi
摩尔混合熵的计算：
S0mix=Smix/n（n为体系的总摩尔数）
=－Rxilnxi
（这只是PPT里的例题）
分离理想气体或溶液的最小功（Wmin）
Wmin=TSmix
•摩尔最小功
WominTSomixRTxilnxi
2.第二种类型题：
渗透压
=CRT（非电解质溶液）是渗透压单位KPaC单位是mol/L（一定要换成mol/L）
=RTCi（电解质溶液）Ci为水中离子的浓度注意离子的下标
当溶液的浓度增大时，溶液偏离理想程度增加，对电解质
水溶液常需引入渗透压系数来校正偏离程度。
iiCiRT
溶液的浓度较低时，绝大部分电解质的渗透压系数接近于1，随着溶液浓度的增加而增大。
对NaCl，KCl等一类液，其系数基本上不随浓度而变；而Na2SO4,K2SO4等一类溶液则随溶液浓度的降低而增大。
3.第三种类型：
唐南平衡（课本第20页）
假定一种分子或离子大得不能通过膜，而溶剂小分子和普通离子能
自由通过，这时若系统中有这类分子电解质存在并达到平衡时，膜
两侧电解质浓度并不相等，这种现象即为唐南平衡。
4.第四种类型：
火用（详细请见2.2PPT第67页开始，课本例2-1）
5.范德华力
色散力：
非极性分子之间
诱导力：
极性分子与非极性分子之间
取向力：
极性分子之间
在非极性分子之间只有色散力，在极性分子和非极性分子之间有诱导力和色散力，在极性分子之间则有取向力、诱导力和色散力的作用。
6.
第三章
1.常用的膜材料
2.膜的分类
按膜的材料分类：
纤维素酯类、非纤维素酯类
按膜的分离原理及使用范围分类：
微孔膜、超过滤膜、反渗透膜、纳滤膜、渗析膜、电渗析膜、渗透蒸发膜等
按膜的形态分类：
平板膜、管式膜、中空纤维膜
按膜的结构分类：
对称膜、非对称膜、复合膜
3.膜的制备工艺
（1）相转变法：
L-S型制模法
（2）复合制膜工艺
4.反渗透满足的两个条件：
（1）存在选择性透过膜
（2）工作压力大于渗透压
5.渗透满足的两个条件：
（1）存在选择性透过膜
（2）存在浓度差
6.有孔学说与无孔学说
7.反渗透的应用领域
（1）海水、苦咸水的淡化制取生活用水，硬水软化制备锅炉用水，高纯水的制备。
（2）在医药、食品工业中用以浓缩药液、果汁、咖啡浸液等。
与常用的冷冻干燥和蒸发脱水浓缩等工艺比较，反渗透法脱水浓缩成本较低，而且产品的疗效、风味和营养等均不受影响。
（3）印染、食品、造纸等工业中用于处理污水，回收利用废业中有用的物质等。
8.反渗透膜的组件
有四种：
板框式、管式、螺旋卷式、中空纤维式。
9．级与段的概念
段：
前段膜组件的浓水流经下一膜组件进行再处理，流经几组膜组件即称为几段。
级：
膜组件的产品水再经下一膜组件进行处理，产品水流经几次膜组件处理即称为几级。
10.膜的浓差极化概念、影响、减缓的措施
概念：
在膜分离操作中，所有溶质均被透过液传送到膜表面上，不能完全透过膜的溶质受到膜的截留作用，在膜表面附近浓度升高。
这种在膜表面附近浓度高于主体浓度的现象称为浓度极化或浓差极化。
影响：
1.使膜表面溶质浓度增高，引起渗透压的增大，从而减小传质驱动力；
2.当膜表面溶质浓度达到其饱和浓度时，便会在膜表面形成沉或凝胶层，增加透过阻力；
3.膜表面沉积层或凝胶层的形成会改变膜的分离特性；
4.当有机溶质在膜表面达到一定浓度有可能对膜发生溶胀或恶化膜的性能；
5.严重的浓差极化导致结晶析出，阻塞流道，运行恶化。
概括地说，就是分离效果降低，截留率改变，通量下降。
措施：
①选择合适的膜组件结构；
②加入紊流器；
③料液横切流向设计；
④料液脉冲流动；
⑤螺旋流；
⑥提高流速；
⑦适当提高进料液温度以降低粘度，增大传质系数。
11.膜的污染定义、影响、措施，与浓差极化的区别
定义：
是指处理物料中的微粒，胶体或溶质大分子与膜存在物理化学作用或机械作用而引起的在膜表面或膜孔内吸附，沉积造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生透过流量与分离特性的不可逆变化现象。
措施：
1.水通量逐步下降（膜通量下降）；
2.通过膜的压力和膜两侧的压差逐渐增大（进料压力和△P逐渐增大）；
3.膜对溶解于水中物质的透过性逐渐增大。
措施：
1.料液预处理（热处理、pH调节、离子交换、预过滤、加入稳定剂）
2.膜材料的选择（考虑膜的亲疏水性、荷电性。
亲水性膜及膜材料电荷与溶质电荷相同的膜较耐污染；对膜表面进行改性）
3.膜孔径或截留分子量的选择（通过实验选择最佳孔径的膜）
4.膜结构选择（不对称结构膜较耐污染）
5.组件结构选择
6.溶液pH控制（分离、浓缩蛋白质、酶时，一般把pH调至远离其等电点，使其溶解度增加，并带电荷）
7.溶液中盐浓度的控制（以改变溶液的离子强度）
8.溶液温度的控制
9.溶质浓度，料液流速与压力的控制
与浓差极化的区别
膜污染与浓差极化有内在联系，尽管很难区别，但是概念上截然不同。
浓差极化加重了污染，但浓差极化是可逆的，即变更操作条件可使之
消除，而污染是不可逆的，必须通过清洗的办法，才能消除。
12.超滤、纳滤、反渗透、微滤的区别（作业有做过，也可以看PPT3.4第99页）
第四章
1.气体分离的定义和工作机理
气体膜分离过程是一种以压力差为驱动力的分离过程。
在膜两侧混合气体各组分分压差的驱动下，气体分子透过膜的现象。
目前常见的气体通过膜的分离机理有两种：
其一，气体通过多孔膜的微孔扩散机理；其二，气体通过非多孔膜的溶解/扩散机理。
2.传统的气体分离方法
深冷分离法
吸附分离法
吸收分离法
3.气体分离膜的应用
（1）从合成氨中的尾气回收氢气
（2）富氧气的制造
（3）水果保鲜
（4）天然气脱水
4.分子流与粘性流
膜孔直径（dp）远小于气体分子平均自由程（λ）时，气体分子与孔壁之间的碰撞几率远大于分子之间的碰撞几率，此时气体通过微孔的传递过程属努森扩散，又称自由分子流。
孔径大于操作条件气体分子的平均运动自由程，孔内分子流动受分子之间碰撞作用支配，分子与孔壁之间的碰撞可以忽略，称为粘性流。
气体处于粘性流状态是没有分离性能的。
5.渗透汽化（PV）、蒸气渗透（VP）的定义与区别
渗透汽化（或渗透蒸发）是指液体混合物在膜的一侧与膜接触时，其中易透过组分较多地溶解在膜上，并扩散通过膜，在膜的另一侧气化而被抽出，从而达到分离的膜过程。
蒸发渗透（vaporpermeation），与渗透汽化过程不同之处在于其进料为气相，相变过程发生在进装置前或在膜上游蒸发汽化，在过程中蒸汽相渗透通过膜。
两者相同点
1）推动力均是组分在膜两侧的蒸气压差；
2）分离相同体系使用同种膜；
3）膜后侧的情况完全相同，均为真空，采用相同的方法移去渗透物；
4）膜内的状态以及渗透物扩散通过膜的规律基本相同。
两者的不同点
1）VP的加料为蒸气，气体在膜组件中的流动状况较液体好，分布均匀，物质在汽相中的扩散系数大，浓差极化的影响小；
2）PV过程中渗透物有相变，过程中料液的温度不断下降，从而导致渗透通量的下降，通常采用级间加热的方式来维持料液的温度；而VP过程无相变，过程中加料温度基本不变，VP的平均渗透通量比PV大，所以完成相同的分离任务，VP所需要的膜面积小。
3）VP的操作温度通常比PV高，温度高渗透通量大，所需膜面积小；
4）VP的蒸气加料比PV的液体加料，杂质含量小，由于VP的渗透通量大，因此在VP法比PV法节省设备投资费用，因而总成本比较低。
6.渗透汽化的操作方式
冷凝法抽真空法冷凝与抽真空结合法载气吹扫法
溶剂吸收法
7.渗透汽化膜的种类和应用
渗透汽化膜可分为：
优先透水膜、优先透有机物膜和有机物分离膜。
（无水乙醇）
应用：
1.有机溶剂脱水2.水中脱除有机物3.有机混合物的分离
8.膜基吸收的原理
膜基吸收（membrane-basedabsorption）是以疏水或亲水微孔膜作为气、液两相间的介质，并利用膜的多孔性实现气、液两相接触的一种新型分离技术。
原理
一般采用双膜理论来研究膜基吸收的传质过程，传质过程的推动力为组分在膜两侧流体中的活度差（浓度差）。
其传质过程主要经历四个过程:
（1）气相中的物质在气相边界层中的扩散过程;
（2）膜孔中物质的传递过程;
（3）气液两相界面的物质溶解一吸收过程;
（4）液相界面的物质向液相主体扩散过程。
第五章
1.血液透析能取代肾脏的哪些功能
排出对肌体有害的代谢产物
维持水代谢平衡
维持人体内环境酸碱度的平衡
协助维持血压
维持人体内环境电解质的平衡
2.血液透析、血液滤过、血液洗滤的定义、联系、区别（作业有做过）
3.腹膜透析
参与透析的是腹膜中的毛细血管和淋巴
4电渗析的基本条件
离子选择性透过膜
直流电场
5.电渗析的工作原理
在阴极与阳极之间，放置着若干交替排列的阳膜与阴膜，让水通过两膜及两膜与两极之间所形成的隔室，在两端电极接通直通电源后，水中阴、阳离子分别向阳极、阴极方向迁移，由于阳膜、阴膜的选择透过性，就形成了交替排列的离子浓度减少的淡室和离子浓度增加的浓室。
6.阳膜的定义
凡是在高分子链上连接的是酸性活性基团（例如一SO3H）的膜，称为阳膜。
只允许阳离子通过。
7.电渗析过程
反离子迁移
同名离子迁移
电解质渗析
水的渗透
水的电渗析
水的电离
压差渗漏
在上述几种传递现象中，只有反离子迁移才具有脱盐或浓缩的作用，其他过程均会影响电渗析的除盐或浓缩效率，增加电耗。
设计中，应选择理想的离子交换膜和最佳的操作条件，设法消除或改善这些不利影响。
8.电渗析的浓差极化的定义，影响，措施
定义：
在离子耗竭层中，溶液的电阻会变得相当大，当恒定电流通过离子耗竭溶液层时，会引起非常大的电位降，并迫使其溶液中的水分子离解，产生大量的H+和OH-来弥补及传递电流，这种现象称为离子交换膜的极化现象。
影响：
（1）耗电增加；
①部分电能消耗于水的离解和与脱盐无关的H+和OH-迁移上；
②极化沉淀使得液-膜界面的电阻增大，导致电耗上升。
（2）膜的使用寿命缩短；
极化后膜的一侧受碱的腐蚀，另一侧受酸的腐蚀。
此外，沉淀结垢（Ca（OH）2、Mg（OH）2等）的侵蚀，会改变膜的物理结构使膜的性能下降。
（3）膜的有效面积减少
沉淀结垢堵塞水流道，减少离子渗透膜面积。
措施：
（1）最有效的方法是改善操作条件，使电渗析在极限电流以下运行。
通常取极限电流的70~90%作为操作电流。
实际操作中，主要通过调节工作电压来控制操作电流。
（2）采取有效的方法强化传质过程，提高装置的极限电流。
（3）定期酸洗，加入阻垢剂和倒换电极操作等过程来消除极化沉淀。
9.离子选择性透过膜如何选择性透过
凡是在高分子链上连接的是酸性活性基团（例如一SO3H）的膜，称为阳膜；凡是在高分子链上连接的是碱性活性基团[例如-N（CH3）3OH]的膜，称为阴膜。
它们在水溶液中进行如下解离:
R-SO3H→R-SO3-+H+
R-N（CH3）3OH一→R-N+（CH3）3+OH-
产生的反离子（如H+、OH-）进入水溶液，从而使阳膜上留下带负电荷的固定基团，构成强烈的负电场，阴膜上留下带有正电荷的固定基团，构成强烈的正电场。
10.电渗析级与段的概念
级：
电渗析器中一对电极之间所包含的膜堆称为级，一台电渗析器的电极对数就是这台电渗析器的级数
段：
电渗析器中淡水水流方向相同的膜堆称为一段，水流方向每改变一次，段数就增加一段
11.电渗析的特点和不足之处
1.能耗低：
在除盐过程中，只是用电能来迁移水中的盐分，而大量的水不发生相的变化。
尤其适用于苦咸水淡化；
2.药剂耗量少，环境污染小：
仅在酸洗是时消耗少量酸；
3.对原水含盐量变化适应性强：
可按需要进行调节，根据一台ED器中的段数、级数或多台ED器的串联、并联或不同除盐方式（直流式、循环式或部分循环式）来适应；
4.操作简单，易于实现机械化、自动化；
5.设备紧凑耐用，预处理简单：
预处理一般经砂滤即可；
6.水的利用率高：
ED器运行时，浓水和极水可循环使用，水的利用度可达70%~80%，国外可高达90%左右
不足之处：
只能除去水的盐分，而不能除去其中的有机物，某些高价离子和有机物还会污染膜；易发生浓差极化而产生结垢（用EDR可以避免）；与RO相比，脱盐率较低，装置比较庞大且组装要求高，因此它的发展不如RO快。
12.双极膜三室制备酸碱（设计题）
第六章
1.恒沸精馏的定义
在两组分恒沸液中加入第三组分（称为挟带剂），该组分能与原料液中的一个或两个组分形成新的恒沸液，从而使原料液能用普通精馏方法予以分离。
利用恒沸现象改变组分的相对挥发度，这种方法称为恒沸精馏。
2.萃取精馏的定义
混合溶液中加入挥发度很小的添加剂以增大两组分间的α。
第三组分萃取剂（溶剂）一般沸点较高、不与原溶液中任一组分形成恒沸物，仅改变原组分的α从而实现精馏分离，这种方法称为萃取精馏。
3.分子精馏定义、工作原理和工作过程
分子蒸馏（又叫短程蒸馏）它是依据不同物质分子运动平均自由程的差别，在高真空下（一般在小于1Pa），使液体在远低于沸点的温度下蒸馏分离，受热时间短，特别适于处理高沸点及热敏性的物系，是一种非平衡蒸馏。
工作原理：
工作工程：
1）在热的作用下，分子从液相主体向蒸发表面扩散，液相内的扩散常是控制分子蒸馏速率的主要因素；
（2）液膜表面上的分子在高真空，远低于沸点的温度下自由蒸发；
（3）基于真空抽力，蒸发分子向冷凝面飞射；
（4）自由程大的分子在冷凝面上的冷凝；
（5）馏出物和没有蒸发的重组分的收集。
4.分子蒸馏的两个基本条件
①轻、重分子的平均自由程必须要有差异，且差异越大越好；
②蒸发面与冷凝面间距必须小于轻分子的平均自由程。
5.分子蒸馏的优缺点
优点：
1.操作温度低（远低于沸点）、真空度高、受热时间短（以秒计）、分离效率高等，特别适宜于高沸点、热敏性、易氧化物质的分离；
2.可有效地脱除低分子物质（脱臭）、重分子物质（脱色）及脱除混合物中杂质；
3.其分离过程为物理分离过程，可很好地保护被分离物质不被污染，特别是可保持天然提取物的原来品质；
4.分离程度高，高于传统蒸馏及普通的薄膜蒸发器。
局限性：
（1）设备投资方面
由于分子蒸馏要求在高真空下进行分离，所需要的设备成本过高，结构复杂，设计技术要求高，相应的配套设备也多，投资过大，国内尚未见大规模运用；
（2）生产能力方面
分子蒸馏受设备结构和加热面积的限制，设备体积比常规蒸馏设备体积大，在大规模生产应用中有不少困难。
第七章
1.超临界流体的定义和特性
超临界流体是指物质处于其临界温度和临界压力以上而形成的一种特殊状态的流体。
处于超临界状态时，气液两相性质非常接近，故称之为SFE。
特性：
（1）密度、粘度和扩散系数的特点
密度比气体大得多，与液体接近，使其对溶质有较大的溶解度。
粘度接近气体,比液体小得多。
扩散系数介于气体和液体之间，是气体的几百分之一,是液体的几百倍。
与液体相比，超临界流体粘度小、扩散系数大使其传质速率大大高于液体。
（2）溶解特性
在临界点附近，压力和温度的变化可引起超临界流体密度急剧变化，相应地使溶质在超临界流体中的溶解度发生急剧变化，因而可利用压力与温度的改变来实现萃取和分离。
2.超临界流体萃取的工作原理和影响因素
工作原理
超临界流体萃取分离过程是利用超临界流体的溶解能力与其密度的关系，即利用压力和温度对超临界流体溶解能力的影响而进行的。
当气体处于超临界状态时，成为性质介于液体和气体之间的单一相态，具有和液体相近的密度，粘度虽高于气体但明显低于液体，扩散系数为液体的10～100倍；因此对物料有较好的渗透性和较强的溶解能力,能够将物料中某些成分提取出来。
然后通过改变超临界流体的温度或压力调节超临界流体的溶解能力，使溶解的物质析出，从而达到分离的目的。
影响因素：
1）超临界流体的选择
2）操作条件
3）夹带剂的选择
4）原料的性质
其中最主要的是温度和压力
压力变大，溶解能力增强。
温度升高，溶解能力的变化不一定。
3.超临界萃取的特点和局限性
特点：
（1）萃取时间短：
由于超临界流体强穿透力和高溶解度，它能快速地将提取物从载体中萃出,既节省溶剂，又减少了能源和人力的费用。
（2）萃取彻底：
萃取结果更接近实际情况，从而提高了后续分析过程的准确性和可靠性。
（3）有利环境保护：
利用二氧化碳作为流体，解决了有机溶剂对环境的污染，也有利于保护实验室工作人员的健康。
（4）低温萃取：
在较低温度下萃取，解决了对热敏感样品的萃取难题。
（5）痕量萃取：
能萃取10-9级的样品。
局限性：
（1）对脂溶性成分溶解能力较强而对水溶性成分溶解能力较低；
（2）设备造价较高而导致产品成本中的设备折旧费比例过大；
（3）更换产品时清洗设备较困难。
4夹带剂的作用：
5.超临界C02应用广泛的原因
温和的临界条件
无毒
阻燃
价廉易得
超临界CO2溶解能力强
适用于化工、医药、食品等工业
6.超临界流体萃取的应用实例
从咖啡豆中除去咖啡因
啤酒花萃取
植物精油的萃取
中药提取。
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