新型分离技术重点.docx

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新型分离技术重点

第一章绪论

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、分离技术的发展需要：

新型分离技术开拓与发展的必要性

（1）科技发展与探索的需求（新材料、新产品、新工艺）

（2）资源利用与清洁生产的需求（节能、增产）

（3）生态环境保护的需求（环保和资源综合利用）

3、分离过程的几个概念：

（1）分离过程：

通常由原料、产物、分离剂及分离装置组成；

（2）分离剂：

加到分离系统中使过程得以实现的能量或物质；

（3）分离装置：

分离过程得以实施的必要物质设备，它可以是某个特定的装置，也可指从原料到产品之间的整个流程。

4、分离过程的分类：

按照分离过程原理，可分为三大类：

（1）机械分离

（2）传质分离（平衡分离、速率控制分离）

（3）反应分离

5、新型分离技术三大类

（1）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

（2）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；

（3）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。

6、分离技术选择的基本依据

（1）待处理物的物性——混合物至少在物理、化学、电磁、光学、生物学等性质方面存在以下一个或多个差异：

a.物性参数：

分子量、尺寸与形状、熔点、沸点、密度、溶解度等；

b.力学性质：

表面力、摩擦因子；

c.电磁性质：

分子电荷、电导率、介电常数、电离电位、磁化率等；

d:

传递特性常数：

迁移率、扩散速度、渗透系数；

e：

化学特性常数：

分配系数、平衡常数、离解常数、反应速率、络合常数等。

（2）目标产物的价值与处理规模——目标产物的价值与规模大小密切相关，常成为选择分离方法的主要因素：

目标产物的经济价值比较低，则应采用低能耗、无需分离剂、或廉价分离剂以及大规模生产过程；而高附加值产物则可采用中小规模生产。

（3）目标产物的特性——包括其热敏性、吸湿性、放射性、氧化性、光敏性、分解性、易碎性等，这些特性常是导致目标产物变质、变色、损坏等的根本原因，因此成为分离方法选择中的一个重要因素。

（4）产物纯度与回收率——产物的纯度与回收率对分离方法选择具有至关重要的作用。

一般状况下，纯度越高，提取成本越大，而回收率则会随之降低。

因此在选择分离方法时需综合考虑。

第3章：

反渗透、纳滤、超滤与微滤

1、★膜分离的特点

•①操作在常温下进行；

•②是物理过程，不需加入化学试剂；

•③不发生相变化（因而能耗较低）；

•④在很多情况下选择性较高；

•⑤浓缩和纯化可在一个步骤完成；

•⑥设备易放大，可以分批或连续操作。

•因而在生物产品的处理中占有重要地位

膜分离技术的重要性（优势）

λ膜分离技术兼具分离、浓缩和纯化的功能，又有使用简单、易于控制及高效、节能的特点

λ选择适当的膜分离技术，可替代过滤、沉淀、萃取、吸附等多种传统的分离与过滤方法。

λ膜分离技术得到各国重视：

国际学术界一致认为“谁掌握了膜技术，谁就掌握了化工的未来”。

λ膜分离技术在短短的时间迅速发展起来，近30年膜分离技术，已广泛用于食品、医药、化工及水处理等各个领域。

产生了巨大的经济效益和社会效益，已成为当今分离科学中最重要的手段之一。

2、微滤、超滤、纳滤、反渗透相同点：

①以膜两侧压力差为推动力；②按体积大小而分离；③膜的制造方法、

结构和操作方式都类似。

3、渗透压力

•定义：

为维持只允许溶剂通过的膜所隔开的溶液与溶剂之间的渗透平衡而需要的超额压力。

单位:

Pa或kPa。

（渗透现象定义。

）溶剂分子通过半透膜进入到溶液中的过程,称为渗透。

渗透现象产生的条件：

¬半透膜的存在¬膜两侧单位体积溶剂分子数不相等

4、渗透通量：

单位时间单位膜面积上的物质透过量

渗透通量=渗透系数×推动力

5、反渗透的概念，工作原理，条件

反渗透定义

•不同溶液间有不同的渗透压π，当在浓溶液上施加压力，且该压力大于渗透压时，浓溶液中的水就会通过半渗透膜流向稀溶液，是浓溶液浓度更大，这一过程就是渗透的相反过程，称为反渗透。

•发生反渗透过程的必须满足的2个条件：

•（a）存在选择性透过膜；

•（b）操作压力必须高于渗透压

反渗透分离机理

•反渗透的选择透过性与组分在膜中的溶解、吸附和扩散有关，因此除了与膜孔的大小、结构有关外，还与膜的化学、物理性质有关，即与组分和膜之间的相互作用密切相关。

所以反渗透分离过程中化学因素（膜及其表面特性）起主导作用。

7、常见膜组件的种类：

板框式（plateandframe）、管式（tubularmodules）、螺旋卷式（spiralswound）和中空纤维式（hollowfiber）等四种。

8、浓差极化概念

•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（concentrationpolarization）。

9、膜污染概念：

•膜使用中最大的问题是膜污染。

•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。

膜污染与浓差极化的差别

•膜污染与浓差极化有在联系，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。

10、微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）、反渗透（RO）

11、

第四章气体渗透、渗透汽化与膜基吸收

1、气体膜分离的定义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。

气体膜分离机理对不同结构的膜，气体通过膜的传递扩散方式不同，因而分离机理也各异。

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。

非多孔膜分离机理

气体在致密膜中的渗透率的差异不仅取决于气体本身的扩散性质，还取决于这些气体在膜与膜的物理化学相互作用有关。

通常以聚合物的玻璃态转变温度为界将致密膜分为橡胶态和玻璃态。

多孔膜分离机理

•多孔膜是利用不同气体通过膜孔的速率差进行分离的，其分离性能与气体的种类、膜孔径等有关。

•由于多孔介质及孔表面性质的差异使得气体分子与多孔介质直接的相互作用程度不同，从而表现出不同的传递特征。

2、气体分离膜的主要特征参数包括溶解度系数S、渗透系数P、扩散系数D和分离系数α。

（水果保鲜）

3、渗透汽化的概念

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。

正因为这一过程是由“permeation”（渗透）和“evaporation”（蒸发）等两个过程所组成，所以合并二词的头尾而被称为“pervaporation”，简称PV。

渗透汽化的分离机理

原料液进入膜组件，流过膜面，在膜后侧保持低压。

由于原液侧与膜后侧组分的化学位不同，原液侧组分的化学位高，膜后侧组分的化学位低，所以原液中各组分将通过膜向膜后侧渗透。

因为膜后侧处于低压，组分通过膜后即汽化成蒸气，蒸气用真空泵抽走或用惰性气体吹扫等方法除去，使渗透过程不断进行。

渗透汽化的操作模式

渗透汽化过程的推动力：

组分在膜两侧的蒸气分压差

组分分压差越大，推动力越大，传质和分离所需的膜面积就越小。

因此，要尽可能地提高膜两侧组分的蒸气分压差。

提高膜两侧蒸气分压差方法：

提高组分在膜上游侧蒸气分压、降低组分在膜下游侧蒸气分压。

一般采取加热料液的方法来提高组分在膜上游侧的蒸气分压，由于液体压力的变化对蒸气压的影响不敏感，料液通常采用常压操作方式。

实际过程中，通常采用降低膜下游侧蒸气分压的方法来提高组分在膜两侧分压差。

一般可采取以下几种方法来降低组分在膜下游侧的蒸气分压：

（1）冷凝法

（2）抽真空法（3）冷凝与抽真空的组合（4）载气吹扫法（5）溶剂吸收法

4、膜基吸收的概念

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。

膜基吸收的传质过程

•与一般的气液传质过程相比，膜基吸收多了一项气体组分通过多孔膜的传质阻力项。

膜基吸收过程的传质可分为以下几种情况：

•

（1）气体充满膜孔

•

（2）液体充满膜孔

•（3）同时解吸-吸收

•（4）具有化学吸收

膜基吸收的操作模式

•膜吸收操作过程中，虽然膜对气相组分无选择性，但在传质过程中起着关键作用，因为传质除了与操作条件有关外，与膜结构有着密切的关系。

膜相阻力是影响膜通量等传质性能的一个重要因素，膜相阻力除了取决于膜结构外，还取决于膜孔湿润状态。

在膜吸收操作中，有三种操作模式，即非湿润模式（膜孔全充气）、全湿润模式（膜孔全充液）和部分湿润模式（膜孔部分充液）。

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。

第五章渗透、电渗析与膜电解

1、透析定义

透析（或渗析）是一种自然发生的物理现象。

当将两种不同浓度的盐水用一透析膜隔开时，浓盐水中的电解质离子，就会穿过膜扩散，进入到淡盐水中去，这就是所谓的透析过程。

这里的离子迁移，是由于膜两边的浓度差造成的，所以又称为浓差透析。

目前血液透析一般可分成三种过程，即血液透析（hemodialysis,HD）、血液滤过（hemofiltration,HF）和血液洗滤（hemodiafiltration,HDF）。

血液透析（HD）在血液与透析液之间藉半透膜（透析膜）进行水和溶质的交换（弥散），血液中水和小分子毒素如：

尿毒症毒素包括肌酐、尿素、钾等进入透析液而被清除，透析液中碱基和钙等则进入血液，从而达到清除水和毒素，维持水、电解质和酸碱平衡的目的。

血液滤过（HF）通过机器（泵）或病人自身的血压，使血液流经体外回路中的一个滤器，在滤过压的作用下滤出大量液体和溶质，即超滤液（ultrafiltrate）；同时，补充与血浆液体成分相似的电解质溶液，即置换液（substitute），以达到血液净化的目的。

血液透析滤过（HDF）通过模拟人体肾脏的溶质清除，提供最佳的肾脏替代疗法。

•是HD与HF的联合应用，兼有两者的优点。

是利用高通量血液滤过器进行透析的同时经机器设置的补液系统向患者体输入大量置换液。

•HDF采用高通透性的滤膜，其特性与肾小球基底膜相似，因此可以清除体的大、中、小分子毒素，它对中分子物体的清除优于血液透析。

腹膜透析

•腹膜透析（peritonealdialysis,PD）是利用腹膜作为透析膜，向腹腔注入透析液，膜一侧毛细血管血浆和另一侧腹腔透析液借助溶质浓度梯度和渗透压梯度，进行溶质和水分的转运，并不断更换透析液，以达到清除体毒素，脱去多余水分、纠正酸中毒和电解质紊乱的治疗目的。

工作原理：

将腹膜透析液注入腹腔后，溶质通过弥散原理在血液和腹透液之间进行交换，而水分则通过渗透原理从患者体清除。

2、电渗析的工作原理图解过程简述

电渗析——指在直流电场作用下，溶液中的荷电离子选择性地定向迁移，透过离子交换膜并得以去除的一种膜分离技术。

υ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。

υ电极两侧会发生氧化还原反应

阴极还原反应2H++2e→H2↑阴极室溶液呈碱性结垢

阳极氧化反应4OH-→O2+2H2O+4e阳极室溶液呈酸性腐蚀

3、倒极电渗析原理作用

原理：

每隔一定时间，正负电极互相倒换（频繁倒极），能自动清洗离子交换膜和电极表面形成的污垢，确保离子交换膜的长期稳定和淡水的水质。

特征：

倒极时，电渗析浓、淡水系统的流向改变，同时浓、淡水室互换。

这种方式能有效消除膜面沉淀物积累。

4、电渗析中的浓差极化现象

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。

浓差极化总是发生在淡水室

5、电渗析过程中浓差极化现象的防止：

（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。

6、离子交换膜如何实现选择性功能

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。

7、电渗析级段的概念

电渗析器的组装方式有串联、并联及串并联相结合几种方式，常用术语“级”和“段”来表示。

•“级”是指电极对数目，一对电极称为一级；

•“段”是指水流方向，每改变一次水流方向称为一段。

8、双极膜结构

λ双极膜一般由阴离子交换树脂层（AL）、阳离子交换树脂层（CL）和中间催化层组成。

双极膜的水解机理:

这种膜由一阳膜和一阴膜复合而成。

两层之间可以隔一层网布

（如尼龙布等），也可以直接粘贴在一起。

工作时，阴膜对阳极，阳膜对阴极。

由于膜外的离子无法进入膜，致使膜间的水分子被电离，H+离子透过阳膜，趋向阴极；OH-离子透过阴膜，趋向阳极，以此完成传输电流的任务。

双极膜和电解水过程比较

只有当双极膜水解离电压低于水在电极上电解的电压，双极膜才有时间应用价值。

双极膜水解时的反应为：

2H2O→2H++2OH-

因为H2→2H++2e理论电位：

0V2H2O+2e→H2↑+2OH-理论电位：

0.828V

所以该反应电位是两反应之和：

即：

2H2O→2H++2OH-理论电位：

0.828V

而当水在电极上电解时，有O2和H2在两极上生成，其反应为：

2H2O→2H2↑+O2↑理论电位：

2.057V即水在电极上电解的理论电压为2.057V，其中1.229V的电压消耗于O2和H2的产生上，而用于水解离的电压仅为0.828V。

一般认为需要0.83V的电压作用于双极膜两侧，才能使水解离成H+和OH-，但实际上由于膜电阻、界面层电阻的存在，电位比理论值要高。

尽管如此，双极膜水解离方法生产酸碱仍具有明显优势，因为它没有把能量消耗在不需要的副反应上。

9、双极膜的水解离生产酸碱的优势

1）能耗低，生产1tNaOH的能耗约为1500~2300kW·h，而电解方法的能耗为2800~3500kW·h；

2）过程无氧化和还原反应；

3）无副反应产物，如O2和H2；

4）仅需1对电极，节约投资；

5）不需要在每隔室中置入电极，装置体积小。

双极膜电渗析系统（BMED）模型

双极膜电渗析的常用构型有双极膜（BPM）、阴离子交换膜（AM）、阳离子交换膜（CM）构成的CM/AM/BPM三隔室模型、CM/BPM二隔室模型和AM/BPM二隔室模型等。

10、分离膜水解饱和氯化钠什么要加入氢氧化钠。

？

？

？

第六章特种精馏技术

1、理论塔板数的计算

2、恒沸精馏的原因、工作原理

恒沸现象：

指溶液在一定的压力下进行汽化时,平衡的汽相组成和液相组成相等,温度始终不变。

原因：

由于组成溶液的各组分的分子结构不相似,在混合时引起与理想溶液发生偏差所致。

原理：

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。

3、恒沸剂用量的确定

准确控制恒沸剂的加入量是恒沸精馏设计和操作中的一个重要问题。

4、萃取精馏基本原理

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。

萃取剂的选择原理

选择溶剂时，首先要考虑溶剂对被分离组分间相对挥发度影响的大小。

通常采用溶剂的选择度来表示。

5、萃取精馏与恒沸精馏相比较：

（1）萃取剂比挟带剂易于选择。

（2）萃取剂在精馏过程中基本上不汽化，萃取精馏的耗能量较恒沸精馏少。

（3）萃取精馏过程中，萃取剂加入量的变动围较大，在恒沸精馏中适宜的挟

带剂量多为一定。

所以萃取精馏操作较灵活，易控制。

（4）萃取精馏不宜采用间歇操作，而恒沸精馏可以采用间歇操作方式。

（5）恒沸精馏操作温度较萃取精馏低，所以恒沸精馏适用于分离热敏性溶液。

6、反应精馏的原理

•反应精馏就是在进行反应的同时用精馏方法分离出产物的过程。

•原理是：

对于可逆反应，当某一产物的挥发度大于反应物时，如果将该产物从液相中蒸出，则可破坏原有的平衡，使反应继续向生成物的方向进行，因而可提高单程转化率，在一定程度上变可逆反应为不可逆反应。

反应精馏的特点

•优点：

（1）选择性高

由于反应物一旦生成即移出反应区，对于如连串反应之类的复杂反应，可以抑制副反应，提高收率。

（2）转化率高

由于反应产物不断移出反应区，使可逆反应平衡移动，提高了转化率。

（3）生产能力高

因为产物随时从反应区蒸出，故反应区反应物含量始终较高，从而提高了反应速率，缩了接触时间，提高了设备的生产能力。

（4）产品纯度高

对于促进反应的反应精馏在反应的同时也得到了较纯的产品；对沸点相近的物系，利用各组分反应性能的差异，采用采用反应精馏获得高纯度产品。

（5）能耗低

由于反应热可直接用于精馏，降低了精馏能耗，即使是吸热反应，因反应和精馏在同一塔进行，集中供热也比分别供热节能，减少了热损失。

（6）投资省

由于将反应器和精馏塔合二为一，节省设备投资，简化流程。

（7）系统容易控制，常用改变塔的操作压力来改变液体混合物的泡点（即反应温度），从而改变反应速率和产品分布。

7、分子蒸馏定义

分子蒸馏（MolecularDistillation）又叫短程蒸馏（ShortPathDistillation）,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。

分子蒸馏原理

分子碰撞分子与分子之间存在着相互作用力。

当两分子离得较远时，分子之间的吸引力是主要的。

但当两分子相互接近到一定距离之后，分子之间的作用力就会改变为斥力，并且随着其接近程度而迅速增加。

当接近到一定程度时，由于斥力的作用，两分子发生斥离。

这种由于接近而至斥离的过程就是分子的碰撞过程。

分子有效直径分子在碰撞过程中，两分子质心的最短距离（即发生斥离的质心距离）称为分子有效直径。

分子运动自由程一个分子相邻两次碰撞之间所走的路程。

分子运动平均自由程任一分子在运动过程中都在不断变化自由程，而在一定的外界条件下，不同物质的分子其自由程各不相同。

在某时间间隔自由程的平均值称为平均自由程。

分子蒸馏的优点

分子蒸馏与其它蒸馏方法相比其突出优点在于：

（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。

分子蒸馏技术的局限性

（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。

分子蒸馏器类型

分子蒸馏装置的核心部分是分子蒸发器。

分子蒸馏器有简单蒸馏型与精密蒸馏型之分，目前采用的装置多为简单蒸馏型。

从结构上简单蒸馏型又可分为静止式、降膜式和离心式三种。

8、膜蒸馏原理

其原理是以微孔疏水膜将两种不同温度的水溶液分开，由膜两侧温度差造成二侧蒸气压差，使易挥发组分的蒸气分子通过膜孔从高温侧向低温侧扩散，并冷凝；其他组分则被疏水膜阻挡在热侧，从而实现混合物分离或提纯的目的。

膜蒸馏（MD）是膜技术与蒸发过程相结合的膜分离过程。

属热驱动膜过程。

实现MD需要有两个条件：

①所用膜必须是疏水微孔膜（对分离水溶液而言）；②膜两侧要有一定的温度差存在，以提供传质所需的推动力。

膜蒸馏过程整个传递过程包括三个步骤：

1）高温侧蒸发；

2）蒸气分子通过疏水膜孔进行传递；

3）低温低冷凝。

膜蒸馏是一种膜不直接参与分离作用的膜过程，膜的唯一作用是作为两相间的屏障，选择性完全由气—液平衡决定。

这意味着蒸气分压最高的组分渗透速率也最快。

9、渗透蒸馏的概念及原理

渗透蒸馏（OsmoticDistillation，OD），又称等温膜蒸馏，是基于渗透与蒸馏概念而开发的一种渗透过程与蒸馏过程耦合的新型膜分离技术，其驱动力是溶质（挥发组分）在微孔疏水膜两侧的渗透压力差。

渗透蒸馏除了具有一般膜分离技术投资省、能耗低的优点外，它还能在常温常压下使被处理物料实现高倍浓缩。

与传统的蒸发法和反渗透浓缩相比，渗透蒸馏法的最大