现代分离方法与技术复习资料.docx

1、现代分离方法与技术复习资料第1章绪论重点：1.3 分离过程的本质1.5 分离方法的评价1.1 分离科学及其研究内容分离是利用混合物中各组分在物理性质或化学性质上的差异，通过适当的装置或方法，使各组分分配至不同空间区域或者不同时间依次分配至同一空间区域的过程。分离科学研究内容：1.3 分离过程的本质有效识别混合物中不同组分间物理、化学和生物学性质的差别(选择依据)，利用能够识别这些差别的分离介质或扩大这些差别的分离设备来实现组分间的分离或目标产物的纯化。物理性质：分子形状、大小，溶解度、挥发性，分子极性即电荷性质，流动性等化学性质：分子间的相互作用，分子识别，化学反应等生物学性质：生物大分子之间

2、的分子识别和特异性结合分离（separation）是利用混合物中各组分在物理性质或化学性质上的差异，通过适当的装置或方法，使各组分分配至不同的空间区域或在不同的时间依次分配至同一空间区域的过程。实际上，分离是一个相对的概念，人们不可能将一种物质从混合物中100%地分离出来。富集是指在分离过程中使目标化合物在某空间区域的浓度增加。富集是分离的目的之一，需要借助分离的手段，富集与分离往往是同时实现。浓缩指将溶液中的一部分溶剂蒸发掉，使溶液中存在的所有溶质的浓度都同等程度的提高的过程。浓缩过程也是一个分离过程，是溶剂与溶质的相互分离，不同溶质并不相互分离，它们在溶液中的相对含量(摩尔分数)不变。纯化

3、是通过分离操作使目标产物纯度提高的过程，是进一步从目标产物中除去杂质的过程。纯化的操作过程可以是同一分离方法反复使用，也可以是多种分离方法反复使用。纯度是用来表示纯化产物主组分含量高低或所含杂质多少的一个概念。注意纯是相对的，不是绝对的。纯度越高，则纯化操作的成本越高。物质的用途不同，对纯度的要求也不同。富集、浓缩和纯化的区分根据目标组分在原始溶液中的相对含量（摩尔分数）的不同进行区分：1.4 分离方法的分类常用到得分离方法：萃取分离法（包括溶剂萃取、胶团萃取、双水相萃取、超临界流体萃取、固相萃取、固相微萃取、溶剂微萃取等）、色谱分离方法、膜分离方法（包括渗析、微滤、超滤、纳滤、反渗透、电渗析

4、、膜萃取、膜吸收、渗透汽化、膜蒸馏等）、电化学分离法、沉淀分离法等。按被分离物质的性质分类（1）物理分离法：利用物理性质，采用适当的物理手段进行分离，如离心、蒸馏；（2）化学分离法：按被分离组分化学性质差异，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、选择性溶解；（3）物理化学分离法：按被分离组分的物理化学性质差异进行分离。如电泳、区带熔融、膜分离。按分离过程的本质分类（1）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，通过两相界面的平衡关系使均相混合物得以分离。如液-液萃取（达到平衡时的分配系数不同）；结晶（固-液平衡）；蒸馏（液-气平衡）（2）速度差分离过程利用

5、外加能量，强化特殊梯度场（重力梯度、压力梯度、温度梯度、浓度梯度、电位梯度等）。如高速或超速离心强化离心力场，使用过滤材料强化不同物质移动的速度差。磁场，电泳等强化离子移动速度差等。一般用于非均相混合物的分离。（重点）1.5 分离方法的评价（1）回收率的定义及公式-准确性表征定义：被分离物质在分离过程中损失量的多少，某组分的回收程度，用回收率来表示。1 测组分A的回收率，用RA表示，常量组分（1%）：R99%微量组分：R95%痕量组分（0.01%）：R90%（2）分离因子的定义及公式-分离效果分离因子：两组分的分离程度。用SA，B表示。A待测组分B干扰组分常量组分测定：SA,B 103分离因子

6、越大，分离效果越好（3）富集倍数的定义及公式高效，高选择定义：目标组分和基体组分的回收率之比，用F表示。注意：待测组分的浓度与基体的比值小，要求F大。最佳分离因子最纯的产物分离的目的和原则消耗最少的能量、试剂和时间最简单的设备最简单的操作流程分离速度尽可能快第2章分离过程中的热力学热力学第一定律意义：以热和功的形式传递的能量，必定等于体系热力学能的变化。（能量的转换在数量上守恒）热力学第二定律意义：一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大方向进行的。分离过程中的动力学分子迁移-费克第一扩散定律物质的输运过程（传质过程）：指在适当的介质中，在化学势的驱动下，物质分子发生相对位移的过程。均是物质

7、的物质的扩散运动：在浓度梯度驱动下，物分子迁移质分子自发输运的过程费克第一定律的物理意义：扩散系数一定时，单位时间内扩散通过单位截面积的物质的摩尔数与该截面处的浓度梯度(Concentration gradient)成正比（ 浓度梯度越大，扩散通量越大）；负号表示扩散方向与浓度方向相反。适用条件是：扩散物质处于稳态扩散条件下（溶质浓度在扩散方向上不随时间变化）带的迁移-菲克第二扩散定律费克第一定律是假设溶质浓度在扩散方向上不随时间变化。实际上，溶质浓度在扩散方向上是随时间变化的。在第一定律基础上推导出费克第二定律。菲克第二定律的物理意义是：某处的扩散物质浓度随时间的变化等于该处的扩散通量随距离

8、变化的负值。其适用条件是：扩散物质可以处于非稳态扩散条件下。研究分离过程中的热力学和动力学的意义：从热力学角度，分离能量低的方向更有利；从动力学角度，分离速度快的方向更为有利。分离过程是由动力学也可能是由热力学控制。第4章分子间的相互作用与溶剂特性在分离中所涉及的分子间相互作用类型包括：静电相互作用分子间范德华力氢键相互作用电荷转移相互作用4.3 范德华力范德华力是一种普遍存在于固体，液体和气体中分子之间的相互作用力范德华力的类型包括:永久偶极相互作用力-定向力诱导偶极相互作用力-诱导力瞬间偶极相互作用力-色散力范德华力的特点：1）永远存在于分子间2）它是作用小的静电引力，比化学键能小1-2个

9、数量级3）它是短程力，作用范围只有几十到几百pm4）它不具有方向性和饱和性5）大多数分子是以色散力为主影响范德华力的因素主要有：1. 分子的大小组成结构相似的物质，相对分子量越大，范德华力越大2. 分子的极性相同分子量的物质，极性分子的范德华力大于非极性分子3. 分子间距离同种分子物质，分子间距离越近，范德华力越大范德华力与物质性质的关系：对于分子构成的物质，范德华力影响物质的熔点，沸点和溶解度等。（1）若溶质分子能与溶剂分子形成较强的范德华力，则溶质在该溶剂中的溶解度较大。2）若加压，分子间距离更近，范德华力增加，物质沸点增大。范德华力在分离中的应用：蒸馏4.4 氢键-本质属于静电作用1.氢

10、键氢原子在分子中与电负性较大的原子X形成共价键时，还可以吸引另一个电负性较大的原子Y，形成较弱化学结合氢键氢键的强弱（1）与X和Y原子的电负性有关： X、Y原子的电负性越大，形成的氢键越强(2）与X和Y原子的原子半径有关： X、Y原子的原子半径越小，越易接近氢核，形成的氢键越强氢键强度比较氢键对物质性质的影响 有分子间氢键的化合物的熔点和沸点比没有氢键的同类化合物高 有分子内氢键的化合物的沸点和熔点不是很高 氢键会影响物质的溶解度，密度，粘度等分离中利用氢键形成进行分离提纯的：反相高效液相色谱；蛋白质分离纯化常见推电子基团（电子给予体）： -CH3，-NH2，-OH，-NHCOCH3，-C6H

11、5，-OCH3电子给予体化合物： 1,3,5-三甲基苯，苯胺常见吸电子基团（电子接受体）： -N(CH3)3+ ，-NO2，-CF3，-COOH，-CHO，-CN，-X， -COR，-SO3H电子接受体化合物： 1,3,5-三硝基苯，四氰基乙烯分子间作用总能量分子间相互作用的总能量等于静电作用、偶极定向作用、诱导作用、色散作用、氢键作用、电荷转移作用、疏溶剂作用、配位等作用势能总的贡献。分离体系中，对分离起显著作用的因素：分子大小，极化率（影响色散力），分子极性（影响定向力）和电子给予或接受能力（影响电荷转移相互作用）4.6 物质的溶解和溶剂极溶剂选择一般原则 相似相溶，选择溶解能力最强的 保

12、持极性不变，更换溶剂种类，使分离选择性达到最大 采用混合溶剂4.7 疏水相互作用极性溶质（蔗糖）易溶解于水中，这种性质称为亲水性，为亲水相互作用；非极性溶质（如烃类）很难溶解在水中，在水中具有相互聚集的倾向，这种性质称作疏水性或疏水效应疏水作用机理当水中存在非极性分子时，水的氢键网络会发生重排。为了保持氢键数目，水分子会在非极性溶质表面有序地形成笼状排列。1. 费克扩散定律描述的是什么样的特殊条件下溶质分子的迁移?（P35 ，3）2. 在蒸馏分离，离子交换分离和沉淀分离过程中，涉及的最主要的分子间相互作用是什么？（P49，2）3. 举例说明范德华力在分离过程中的应用？（P49，4）第5章萃取分

13、离法萃取分离法是将样品中的目标化合物选择性地转移到另外一相或选择性保留在原来相（转移非目标化合物）的分离方法。5.1 溶剂萃取溶剂萃取分离法是利用不同物质在互不相溶的两相（水相和有机相）间的分配系数的差异，使目标物质与基本物质相互分离的方法。因为两相(水相和有机相)都是液体，所以溶剂萃取也可称为液-液萃取。萃取的本质使欲分离的物质由亲水性转化为疏水性，而且在有机相萃取剂中有较大的溶解度，从而从溶液中转入有机相中，达到分离溶液中某些物质的目的。萃取过程即亲水性物质向疏水性转化的过程，使其能最大限度地转入另一相中。5.1.1 溶剂萃取过程及特征参数萃取过程的三个基本步骤：水相被萃取溶质与加入萃取剂

14、生成可萃取化合物（配合物）在两相界面配合物因疏水分配作用进入有机相,达到分配平衡配合物在有机相发生化学反应（聚合，离解等）除了可以直接萃取的体系外，多数情况需要采用萃取剂来帮助萃取。萃取剂：在萃取过程中，能与被分离组分产生化学反应形成疏水性化合物而进入有机相的试剂（一般为螯合剂，离子缔合剂或盐试剂）萃取剂的特点(1）具有能形成萃合物的功能团(2）具有足够的疏水性，保证分配比大（3）具有选择性高（4）具有萃取容量高，分子量小，配位数低(5）具有物理性质优良，密度，黏度，表面张力等性质易于分层（6）具有稳定性好，无毒，萃取速度快，不乳化，廉价易得等溶剂萃取分离法的特点1.溶剂萃取既可以用于常量元素

15、的分离也可用于痕量元素的分离与富集2.方法简单快速3.具有较高的灵敏度和选择性4.如果萃取的组分是有色化合物，便可进行比色测定（萃取比色法）缺点：1.污染严重2.分离效率较低 3.自动化普及程度低（1）分配系数分配定律：在一定温度下，此有机化合物在有机相和水相的浓度之比为一常数。(2）分配比当溶质在某一相或两相中发生离解，缔合，配位或离子聚集现象时，同一溶质在同一相中就可能存在多种形态。(3）萃取效率被萃取物质进入萃取剂相的总量与原始溶液中总量的比值相比（R）即有机相与水相的体积之比， R = Vorg/Vaq胶团萃取定义：被萃取物以胶体或胶团形式从水相萃取到有机相的溶剂萃取方法。正胶团萃取基

16、于正胶团对目标有机物的增溶作用，与正胶团萃取相反的萃取体系为反胶团萃取体系（常用于分离生物活性物质）反胶团萃取优点（1）极性“水核”具有较强的溶解能力（2）生物大分子由于具有较强的极性，可溶解于极性水核中，防止与外界有机溶剂接触，减少变性作用（3）技术成本低，溶剂可反复使用影响因素：1.表面活性剂种类和浓度 2. pH 3.离子强度双水相萃取双水相体系：某些有机物之间，或有机物与无机盐之间，在水中以适当的浓度溶解后形成互不相溶的两相或多相体系。利用双水相的成相现象及待分离组分在两相间分配系数的差异，进行组分分离和纯化的技术叫做双水相萃取技术。影响溶质在双水相体系中分配平衡的因素1.聚合物平均分

17、子量或浓度的影响：溶解度，分配比2.盐的种类及浓度：分配平衡3.pH值：分配系数及稳定性4.离子强度：相分离5.温度：相组成双水相萃取的特点 1.含水量高达70%-90%，组成两相的高聚物对生物活性物质无伤害，适合于分离提取有生物活性的大分子；2.直接从含菌体的发酵液和培养液中提取蛋白质等目标产品。3.操作及设备简单，无毒、分离规模大。实例：从微生物的破碎细胞中提取分离酶超临界流体萃取技术超临界流体（SCF）：当物质处于其临界温度和临界压力以上时，即使继续加压，也不会液化，只是密度增加而已，但它具有类似液体的性质，而且还保留了气体的性能，这种状态的流体被称为超临界流体。处于气液平衡的物质，继续

18、升温、升压，当温度和压力达到某一点时，气液两相的相界面消失，成为一个均相体系，这一点就是该物质的临界点与一般熔媒相比，SCF具有十分独特的物理化学性质，对某些物质具有异乎寻常的溶解能力。 SCF对液体，固体的溶解度与液体接近 温度和压力的变化会大大改变超临界流体的溶解能力改变萃取的选择性和萃取效率 在超临界流体中加入少量的极性有机溶剂，也可以改变它对溶质的溶解能力超临界流体萃取（SFE）：物质在超临界流体中的溶解度，受压力和温度的影响很大。利用超临界流体作为萃取剂，从液体和固体中提出某种高沸点的成分，以达到分离或提纯目的。临界萃取剂选择原则：化学性质稳定，不易燃易爆；临界温度应接近室温或操作温

19、度；对萃取组分的溶解能力高，以降低萃取剂的消耗；选择性好，来源广泛，价格便宜。常用临界萃取剂：二氧化碳、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、苯、氨超临界流体萃取的特点（1）所得产物无残留毒性。（2）中药有效成分不被破坏（3）能量消耗非常少。不足：超临界流体萃取发展处于初级阶段，所需高压系统给它的大规模应用带来一定的困难。影响超临界流体萃取的因素 压力。压力大，密度大，溶解力强； 温度。复杂，先升高后降低。 超临界流体的性质和被萃取物的极性。 流量。扩散慢的溶质流量不宜大。 萃取时间。增加萃取强度，可以缩短时间。超临界流体萃取的应用 中药有效成分的提取。植物原料，生物碱、黄酮、有机酸、皂苷、萜类、挥发油、糖

20、类、油脂、氨基酸、色素、鞣质、蛋白质、酶等，传统方法复杂，流程长，SPE简单快速效率高。 天然香料提取。 环境样品前处理。 与其他方法联用，色谱、精馏、质谱、核磁、红外等固相萃取（SPE）技术固相萃取：利用被萃取物质在液-固两相间的分配作用进行样品前处理的一种分离技术。固相萃取过程：试样通过固定相-被测组分被吸附在固定相柱上-因吸附作用力的不同而彼此分离-其他组分因作用力较弱而随水流出萃取柱固相萃取目的1. 从试样中除去对以后分析有干扰的物质2. 富集痕量组分，提高分析灵敏度3. 变换试样溶剂，使之与分析方法相匹配4. 原位衍生5. 试样脱盐6. 便于试样的存储和运送固相微萃取（SPME）具有

21、快速、灵敏、方便、样品需要量小、无需萃取溶剂、易于自动化的优点。萃取的关键-涂层特点 遵循“相似相溶”规则 较强的萃取富集能力 合适的分子结构，保证分析物有较快的扩散速度，在较短时间内达到分配平衡 在解析时能迅速脱离固定相涂层 高温解析的涂层必须有良好的热稳定性涂层越厚，对待测物吸附量越大，可降低最低检出限；但所需平衡萃取时间越长，使分析速度减溶剂微胶囊萃取定义：在微胶囊形成的过程中将用于萃取的溶剂包覆于微胶囊的空腔中，利用微胶囊进行萃取的方法为溶剂微胶囊萃取溶剂微胶囊的制备：（1）相分离法；（2）物理，机械法；（3）聚合反应法溶剂微胶囊萃取的特点（1）萃取剂包覆量远高于萃淋树脂，萃取容量高（

22、2）萃取剂被包覆于胶囊中，传质过程由液-液传质转变为固-液传质，设备可以更加简单，操作更加容易（3）萃取剂的稳定性高（4）胶囊壁材的选择范围宽，溶剂的固化效果好（5）选择性好缺点：1.由于溶剂特有的性质，如腐蚀性，对高分子材料的溶胀性等，使包覆技术比传统的微胶囊技术有更大难度，制备技术难度大2.壁材的选择难以满足实际需要 3.制备过程较复杂用于金属离子的分离，有机酸萃取，药物分离等第6章色谱分离原理色谱法定义：基于物质溶解度、蒸汽压、吸附能力、立体化学或者离子交换等物理化学性质的微小差异，使其在流动相和固定相之间的分配系数不同。当两相做相对运动时，被分离物质在两相之间进行反复多次分配，这样原来

23、微小的分配差异产生了很大的效果，使各组分分离，从而达到分离、分析以及测定一些物理化学常数的目的。二、色谱法的分类1. 按两相分子的聚集状态分类流动相固定相类型 2. 按操作方式分类3. 按分离机制分类分配色谱法吸附色谱法离子交换色谱法空间排阻色谱法亲合色谱法化学键合相色谱法毛细管电色谱法毛细管电泳法三色谱分离过程：差速迁移、谱带扩展差速迁移：不同组分在柱子中移动速度不同而使其混合物得到分离，即不同的组分在柱子上存在差速迁移现象。引起原因：在分配色谱中，由于不同组分在固液两相的分配系数不同引起；在离子交换色谱中，主要是由于各组分对固定相的静电引力不同造成的。谱带展宽：同一组分沿色谱柱移动时，色带

24、由窄变宽，即同一组分在柱子上存在谱带扩展现象。产生原因：由于同一个化合物的不同分子，在通过柱子时平均迁移速度不同造成的。其原因是由于涡流扩散和各种传质情况的差异造成了同一物质不同分子的差速迁移。四、色谱法的特点(1)高选择性(2)高柱效(3)高灵敏度(4)分析速度快(5)定量准确 (6)应用范围广(7)试样用量少五色谱流出曲线及有关术语色谱常用术语1 谱图各组分的浓度随流出时间而分布的曲线称为色谱曲线，常称为色谱曲线图或色谱图。2 基线色谱峰的高度、宽度、半峰宽度保留值表示被测组分从进样到色谱柱后出现浓度最大值所需要的时间(或所需载气的体积)，叫做保留值。调整保留时间(tR)：组分的保留时间（

25、tR）与死时间（t0）的差值：tR=tR-t0它表示与固定相发生作用的组分比载气在色谱柱中多滞留的时间，实际上是组分在固定相中所滞留的时间。死体积（V0）：死时间与流动相流速乘积 V0=F0t0保留体积（VR）：VR=F0tR调整保留体积（VR ）：VR= t0F0相对保留值( 值越大，两组分的色谱峰相距越远，分离得越好从色谱流出曲线可以得到以下信息a. 样品所含最少组分(峰个数) b. 根据色谱峰的保留值可以进行定性分析c. 根据色谱峰的面积或峰高可以进行定量分析d.根据色谱峰的位置和区域宽度可对色谱柱效能进行评价六色谱法的基本理论1.分配系数与分配比定义：组分在固定相和流动相之间发生的吸附

26、与脱附或者溶解与挥发的过程叫分配过程。分配系数(K)K溶解度或吸附能力，组分在固定相中的量，在气相中的量。K进入固定相的组分，组分在固定相中滞留的时间越长，流出色谱柱所需的时间也就越长。分配比(k)定义：分配比是在一定温度、压力下，组分在两相间达到分配平衡时，两相间组分的质量比：k=ms/mm分配比又称为容量因子或容量比分配比k的大小由下式计算：k=tR/t0通过实验来测定分配比k的数值k值越大，保留时间越长。k =0的组分，其保留时间即为死时间。分配系数与分配比的关系色谱柱的柱效能-色谱分离效果塔板高度（H）：H=L/n L色谱柱长 n理论塔板数同长度的色谱柱塔板数 n 越多，塔板高度 H

27、越小，色谱峰越窄，柱效越高，则分离效果越好。色谱柱的理论塔板数按下式计算：tR: 组分保留时间；Y：峰底宽度；Y1/2: 半峰宽塔板理论的优点：理论直观，能解释流出曲线的形状和浓度极大点(色谱峰)的位置，应用广泛。塔板理论的缺点：理论建立在几点假设之上，不能解释塔板高度量受哪些因素的影响，也不能指出降低塔板高度的途径。范第姆特方程式：H=A+B/U+CU式中：U为流动相平均线速度，A为涡流扩散项，B/U为分子扩散项，CU为传质阻力项。减少A，B/U，CU三项的值，可以降低塔板高度量，减少色谱峰的扩张，提高柱效。A，B/U，CU越小，色谱柱的塔板高度H越小，柱效率越高。七改善柱效率的因素选择颗粒

28、较小的均匀填料（,dp）选用较低的柱温操作(k)降低担体表面液层的厚度(df)选用合适的载气及载气流速(u)：流速较小时，分子扩散项成为色谱峰扩张的主要因素，宜用相对分子质量较大的载气；流速较大时，传质项为控制因素，宜用相对分子质量较小的载气。八色谱分离操作条件的选择塔板理论和速率理论都难以描述难分离物质组分的实际分离程度。即柱效为多大时，相邻两组分能够被完全分离。1.分离度(R)和影响分离的因素分离度R作为色谱柱的分离效能总指标反映柱效和选择性-总分离效能指标色谱柱的选择性越强(分配系数差值)，两组分的色谱峰相距越远；柱效能越高，色谱峰越窄。 分离度R及的计算定义：两相邻组分保留时间之差与两

29、峰底宽度和之半的比值： R 越大，相邻组分分离越好。当R=1.5 时，分离程度可达99.7%，因此R=1.5 通常用作是否分开的判据。分离度是柱效能、选择性影响因素的总和当两组分色谱峰分离较差，峰底宽难于测量时，可用半峰宽来代替峰底宽，用下式表示分离度：影响分离度的因素：(1) 增加塔板数可以提高分离度(2) k值的最佳范围是：1k10(3) 相对保留值增大，能显著地提高分离度两根同种色谱柱的相互关系式：, k一定例：如果柱长L2为1m时，分离度及为0.8，要实现完全分离(R1.5)，色谱柱Ll至少应有多长?解：如何保证良好的柱性能与柱寿命使用保护柱以及在线过滤器经常加强容积冲洗色谱柱在中等p

30、H值范围操作（6-8），用有机缓冲溶液色谱柱使用温度最好小于40C过夜或者储存时，冲洗掉盐和缓冲液，用纯有机溶剂流动相保存(乙腈最好九色谱法的应用1.色谱分析广泛应用于极为复杂的混合物成分分析；2.液相色谱法，在糖类、氨基酸、农药、染料、贵金属、有机金属化合物等方面得到了广泛的应用；3.色谱分离是一种非常有效的提纯物质的技术，常用于制备分离，得到高纯样品；4.色谱质谱联用仪已成为研究分子结构的重要手段。色谱分离技术在日常生活中的应用饮食起居：蔬菜、水果；抗生素；食品添加剂；酒类饮品环境监测：大气；水；土壤石油化工：产品质量控制-气体、馏分油、原油有机合成：样品提纯；合成产品的检验生理生化：DNA测序；昆虫信息素；微生物细胞脂肪酸医学卫生：疾病诊断、手性药物生产在线控制、刑事侦查、空间探索等第七章 制备色谱技术制备色谱的特点：最有效