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1、分离技术,1,教学简介,一、教材：,2,1、评定成绩办法:总评成绩=(作业+出勤率)30%+期末考试70%,二 考试及成绩评定,2、期末考试方式：闭卷、独立完成,3,课件版式说明,辅助板书 右边为辅助板书内容，是为了讲解和说明左边内容而设的（但也有例外）,主板书 左边是主要内容，通常也是要求掌握的内容，要求做笔记。,4,第一章 绪 论,1.1 分离科学及其研究对象,1、概念,2、现代分离科学研究的对象,具体：研究被分离组分在空间移动和再分布的宏观和微观变化规律。,实质：研究如何将热力学第二定律所说的自发过程以相反方向进行到最大限度的科学，即如何给体系增加能量和降低体系的熵值以便增强分离效果。,
2、分离科学是研究分离、浓集和纯化物质的一门科学。,5,3、现代分离科学所研究的内容：,各种表面上看来毫无联系的各种离方法之间的共同规律；,如何将现代科技中最先进的技术和材料应用于分离技术中；,选择现代科学技术中对分离和纯化要求最迫切的对象进行研究，以提高经济效益，解决生产中的关键问题；,将各种分离方法联用，研究最优化的分离条件；,分离出迄今尚未发现的新物质；,寻求新的分离原理及方法等。,6,1.2 分离过程的分类和特征,平衡分离过程,速差分离过程,反应分离过程,机械分离,传质分离,反应分离,按反应方法分:,按分离原理分:,7,1.2.2 传质分离,传质分离又可以分为平衡分离和速率分离分离过程:,
3、（1）平衡分离过程,依据被分离混合物中各组分在不互溶的两相平衡原理进行分离的过程。,（2）速率分离过程,依据被分离组分在均相中的传递速率差异而实现组分的分离过程。,借助于化学反应将某种物质从混合物中分离出来或直接把它去除的过程,1.2.3 反应分离,1.2.1 机械分离,利用机械力简单地将两相混合物相互分离的过程。,8,1.3 分离科学中的基本概念,1.3.1 不同浓度组分的分离,（1）富集：对摩尔分数小于0.1组分的分离。,（2）浓缩：对摩尔分数处于0.10.9范围内组 分的分离。,（3）纯化：对摩尔分数大于0.9组分的分离。,9,1.3.2 回收因子、分离因子和纯度,在任一分离过程，欲回收
4、组分的回收因子愈高愈好。,（1）回收因子Ri,Qo：样品总量；,Q：欲回收的量。,10,分离因子取决的因素：,样品中B对A的比例即Q0，B/Q0，A,实现分离后二者的比例即QB/QA,（2）分离因子,如果体系为A和B构成的，A为欲分离的组分，B为伴随组分。,在一般的定量分离中，RA=QA/Q0,A1,分离过程中，要求分离因子愈小愈好，即RB值愈小愈好。,（3）纯度,指分离产物中含杂质的多少。,11,l.4 分离效率的评价,评价一个分离过程的效率主要有三个标准，即目标产品的浓缩程度、分离纯化程度和回收率,浓缩程度一般用浓缩率(concentration factor)表达。,1、浓缩程度,F表示
5、流速，c表示浓度,下标T和X分别表示目标产物和杂质，C、P和W分别表示原料、产品和废料,如果mT=mX,则目标产物未得到任何的分离纯化.,12,2、分离纯化程度,分离因子又称分离系数，目标产物浓度越高、杂质浓度越低，则分离因子越大，分离效率越高,目标产物的分离纯化程度用分离因子表示,平衡分离过程(如蒸馏、萃取等)的分离因子常用平衡后两相中溶质浓度之比表示。,13,3、回收率,无论是以浓缩还是以分离为目的，目标产物均应以较大的比例回收，即有较高的回收率,生物分离操作多为间歇过程(分批操作),14,1.5 选择分离技术的一般规则,1.5.1 选择依据,混合物的宏观和微观性质的差异是选择分离方法的主
6、要依据。,（1）待处理混合物的物性,（2）目标产物的价值与处理规模,（3）目标产物的特性,1.5.2 分离过程的经济性,15,P74 第4章 浸取与溶解,浸取过程也常称为浸出过程，是用某种溶剂把有用物质从固体原料中提取到溶液中的过程。,所得产物为浸出液，不溶性固体常被称为渣或载体。,16,计算结果表明，25时上述反应的标准自由焓变化为负值，平衡常数K108.8，因此反应可以正向进行、并且进行得很完全。,4.1 浸取过程的热力学,4.1.1 浸取过程的热力学分析,以盐酸对钛铁矿浸取过程为例:,17,4.1.2 离子熵的对应原理,1、离子熵的对应原理,18,作业:1、什么叫富集、浓缩和纯化？2、评
7、价分离过程效率有哪几个标准？3、选择分离技术有哪些规则？,19,20,4.1 浸取过程的热力学,4.1.1 浸取过程的热力学分析,P74 第4章 浸取与溶解,P76 4.1.2 离子熵的对应原理,1、离子熵的对应原理,21,1、离子熵的对应原理,注意:(1)、aT和bT是与温度、离子类型有关而与各类型中的个别离子本性无关的常数。,(2)、常见的离子可分为四种类型：简单的阳离子；简单的阴离子及OH-；含氧阴离子(AOmn-)；酸性含氧阴离子AOn(OH)m-型，离子的类型不同，其aT和bT 值不同。,表41中列出了各类离子的aT与bT值,4.1.2 离子熵的对应原理,22,离子平均热容,这样，就
8、可以按此式求出反应在高温下的标准自由焓变Gm，从而判断反应的进行方向和限度。,2、判断反应高温进行的方向和限度,23,4.1.3 电位pH图,电位pH图是在给定温度和组分的活度(常简化为浓度)或气体的逸度(常简化为气相分压)下，电位与pH的关系图。,4.1.3.1 电位pH图的绘制,列出有关物质的各种存在状态及其标准化学位的数值；,确定体系中可能发生的各类反应，并写出反应方程式；,导出各个反应的电位与pH的关系式；,做出各个反应的电位pH线，最后画出总的电位pH图。,24,25,4.1.3.2 电位pH图在浸出过程的应用举例,以酸对铀矿浸取过程为例,若直接用酸浸取:,在这样低的pH值下浸取，既
9、耗酸也会浸出大量的杂质，不利以后的分离工作。,Fe3+e=Fe2+,MnO2+4H+2e=Mn2+2H2O,26,4.2 常用的浸取过程,4.2.1 无机物质的浸取,1、欲提取的金属转入溶液，而其他伴生元素和杂质留在固相中。,2、待提取的金属留在固相，而伴生元素和杂质进入溶液。,3、使欲提取的元素和伴生元素一起溶解，以后再进行分离。,用Na2CO3+NaHCO3浸取铀矿，此时铀以UO2(CO3）34-形式进入溶液，而杂质 中的大部分则留在固相中。,用盐酸分解钨精矿(CaWO4)此时钙进入溶液，而钨则以钨酸的形式留在固相中。,用硝酸溶解辐照后的废铀元件，此时铀，钚和裂变产物如稀土、铯、锶等均被溶
10、解而进入溶液，以后再进一步用萃取法分离。,27,4.2.1.1 水浸出,用水作溶剂把有价值的成分简单地从固相溶解入溶液的过程。,如硫化铜经硫酸化焙烧后，转变为易溶于水或稀硫酸的硫酸铜。,4.2.1.2 酸浸出,4.2.1.3 碱浸出,28,4.2.1.4 盐浸出,浸取剂:,盐的作用：,氯化钠、氯化铁、氯化铜、次氯酸钠、硫酸铁等盐类。,1、起氧化剂作用,2、起直接浸出作用,4.2.1.5 细菌浸出,细菌浸出是利用某些特殊细菌及其代谢产物的氧化作用，使得矿石中的有用组分进入溶液的过程。,29,(1)细菌的直接作用,(2)细菌的催化作用,4.2.1.6 热压浸出,30,4.2.2 有机物的浸取,用水
11、从甘蔗、甜菜中提取蔗糖,(1)溶剂的选择,(2)增溶作用,(3)固体原料的预处理,(4)废料处理,31,4.3 浸取过程的动力学,一般的固液反应可认为由下述五个步骤组成：,反应物扩散到固体表面；反应物被固体表面吸附；在表面上进行反应；生成物从表面上解吸；生成物通过扩散离开表面。,4.3.1 动力学方程式,(1)通过边界层的扩散,由费克定律第一定律得：,32,4.3.1 动力学方程式,(1)通过边界层的扩散,r0,33,4.3.1 动力学方程式,(1)通过边界层的扩散,34,r0,含氧的碳酸钠碳酸氢钠溶液浸取UO2粉末。,(2)通过固膜的扩散,下面讨论:一种特殊的情况，固体颗粒为球状并且生成产物
12、的体积恰好等于反应的那部分物质的体积。,35,r,(),36,(),(2)通过固膜的扩散,如果颗粒为球状,用Fe2(SO4)3浸出细磨黄铜矿(CuFeS2)的过程.,37,(3)混合动力学过程,、没有固体产物生成,38,表面反应和扩散层的传质过程为控制步骤,、有固体产物生成,过程包括以下步骤：反应剂通过液体边界层的扩散；通过固体反应产物的扩散；界面化学反应；产物离开界面扩散。在湿法冶金过程中，后一步骤常不重要，所以常只需考虑前三个步骤,39,4.3.2 影响浸出速率的各种因素,(1)颗粒大小 浸取过程是一个固、液相之间的多相反应过程，反应速率随着接触表面的增大而上升，显然，减少颗粒度对提高反应
13、速率是有利的。然而，也并非颗粒愈细愈好，如果颗粒过细，会增加液体的黏度，从而对浸出速率产生不利的影响。此外,从经济角度看,过分的磨细显然也是不好的。,(2)试剂的浓度 体系的反应速率与瞬间各反应物浓度的乘积成正比，因此，试剂浓度的上升显然有利于反应速率的提高，浸取剂的浓度也不宜过高，否则不但在经济上不利，也会使得进入溶液的杂质过多。,40,(3)浸取的温度,温度T上升，反应速率常数增大，反应速率增大。,(4)搅拌速率,K为常数；W为搅拌速率；n为指数，一般为0.6,不同的分离过程都有不同的最佳搅拌速率,41,搅拌的作用：1、使试剂迅速接近固体表面，反应产物迅速到达溶液主体；2、使扩散层减薄。,
14、4.4 溶解和分解,4.4.1 溶解法,(1)盐酸,(2)硝酸,(3)硫酸,(4)高氯酸,(5)氢氟酸,(6)氢氧化钠,42,4.4.2 熔融法,熔融法是利用酸性或碱性熔剂，在高温下与试样发生复分解反应，从而生成易于溶解的反应产物的过程。,特点：由于熔融时反应物浓度和温度(3001000)都很高，因而分解能力很强。,缺点：熔融时常需要大量的熔剂(一般熔剂质量约为试样质量的10倍)，因而可能引入较多的杂质；,由于应用了大量的熔剂，在以后所得的试液中盐类浓度较高，可能会对分析测定带来困难；,43,熔融时需要加热到高温，会使某些组分的挥发损失增加；,熔融时所用的容器常常会受到熔剂不同程度的侵蚀，从而
15、使试液中杂质含量增加。,44,4.4.3 烧结法,烧结法又称半熔融法，是让试样与固体试剂在低于熔点的温度下进行反应。,(1)Na2CO3ZnO烧结法(常用于矿石和煤中全硫量的测定),45,(2)CaCO3NH4C1烧结法（用于测定硅酸盐中K+、Na+）,试样和固体剂混合后加热到800，此时Na2CO3起熔剂的作用；ZnO起疏松和通气的作用，使空气中的氧将硫化物氧化为硫酸盐。用水浸取反应产物时，SO42-形成钠盐进入溶液中。,若试样中含有游离硫，加热时易挥发损失，应在混合熔剂中加入少许KMnO4粉末，开始时缓缓升温，使游离硫氧化为SO42-。,4.4.4 有机试样的分解,(1)干法灰化法,主要是
16、依靠加热使试样灰化分解，将所得灰分溶解后分析测定之。,(2)湿法灰化法,用强氧化剂将有机物氧化成易于水的物质，然后进行分析测定之。,46,47,4.4.5 有机试样的溶解,1、根据试样的溶解度来选择溶剂；,2、考虑所选用的溶剂是否影响以后的分离测定。,如何选择溶解有机试样的溶剂？,练习（第一和第四章）,1、混合物的 的差异是选择分离方法的主要依据。,2、对于A、B两种组分而言，A为欲分离组分，B为伴随组分，B对A的分离因子表达式；回收因子的表达式。在分离过程，要求分离因子愈 愈好。回收因子 愈好。,3、右图为铀矿浸出的EpH图，其中，A和B线分别为Fe3+e=Fe2+和MnO2+4H+2e=Mn2+2H2O 的EpH关系图，如果以UO22+形式浸出，测浸出的条件为：,作业：1、常用的酸、碱、盐浸出剂分别有哪些？概括起来各有什么作用？2、影响浸出速率因素有哪些？分别应如何控制？,49,
