1、分离技术授课老师：邱宝渭授课老师：邱宝渭电话电话.18929706085.18929706085 E-mail:QBWE-mail:QBW121 1、评定成绩办法、评定成绩办法:总评成绩总评成绩 =(=(作业作业+出勤率出勤率)30%30%+期末考试期末考试70%70%二二 考试及成绩评定考试及成绩评定2 2、期末考试方式：、期末考试方式：闭卷、独立完成闭卷、独立完成3课件版式说明课件版式说明4第一章第一章 绪绪 论论1.1 分离科学及其研究对象分离科学及其研究对象1、概念概念2、现代分离科学研究的对象、现代分离科学研究的对象 具体：具体：研究被分离研究被分离组分组分在空间在空间移动和移动和再
2、分布再分布的宏观和微观变化的宏观和微观变化规律规律。实质：研究如何将热力学第二定律所说的自发过实质：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。系增加能量和降低体系的熵值以便增强分离效果。分离科学是研究分离科学是研究分离分离、浓集浓集和和纯化纯化物质的一门科学。物质的一门科学。53、现代分离科学所研究的内容：、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各种表面上看来毫无联系的各种离方法之间的共同规律；的共同规律；如何将现代科技中最先进的技术和材料应如
3、何将现代科技中最先进的技术和材料应用于分离技术中；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；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将各种分离方法联用，研究最优化的分离条件；件；分离出迄今尚未发现的新物质；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。寻求新的分离原理及方法等。61.2 分离过程的分类和特征分离过程的分类和特征平衡分离过程平衡分离过程速差分离过程速差分离过程反应分离过程反应分离过程机械分离机械分离传质分离传质分离
4、反应分离反应分离按反应方法分按反应方法分:按分离原理分按分离原理分:71.2.2 传质分离传质分离 传质分离又可以分为平衡分离和速率分传质分离又可以分为平衡分离和速率分离分离过程离分离过程:（1）平衡分离过程）平衡分离过程 依据被分离混合物中各组分在不互溶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。的两相平衡原理进行分离的过程。（2）速率分离过程）速率分离过程 依据被分离组分在均相中的传递速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。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中分离出
5、来或直接把它去除的过程1.2.3 反应分离反应分离1.2.1 机械分离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。利用机械力简单地将两相混合物相互分离的过程。81.3 分离科学中的基本概念分离科学中的基本概念1.3.1 不同浓度组分的分离不同浓度组分的分离（1）富集：对摩尔分数小于）富集：对摩尔分数小于0.1组分的分离。组分的分离。（2）浓缩：对摩尔分数处于）浓缩：对摩尔分数处于0.10.9范围内组范围内组 分的分离。分的分离。（3）纯化：对摩尔分数大于）纯化：对摩尔分数大于0.9组分的分离。组分的分离。91.3.2 回收因子、分离因子和纯度回收因子、分离因子和纯度 在任一分离过程，欲
6、回收组在任一分离过程，欲回收组分的回收因子愈高愈好。分的回收因子愈高愈好。（1）回收因子回收因子RiQo：样品总量；：样品总量；Q：欲回收的量。欲回收的量。10分离因子取决的因素：分离因子取决的因素：样品中样品中B对对A的比例即的比例即Q0，B/Q0，A 实现分离后二者的比例即实现分离后二者的比例即QB/QA（2）分离因子）分离因子如果体系为如果体系为A和和B构成的，构成的，A为为欲分离的组分，欲分离的组分，B为伴随组分。为伴随组分。在一般的定量分离中，在一般的定量分离中，RA=QA/Q0,A1 分离过程中，要求分离因子愈分离过程中，要求分离因子愈小愈好，即小愈好，即RB值愈小愈好。值愈小愈好
7、。（3）纯度）纯度指分离产物中含杂质的多少。指分离产物中含杂质的多少。11l.4 分离效率的评价分离效率的评价 评价一个分离过程的效评价一个分离过程的效率主要有三个标准，即目标率主要有三个标准，即目标产品的产品的浓缩程度浓缩程度、分离纯化分离纯化程度程度和和回收率回收率 浓缩程度一般用浓浓缩程度一般用浓缩率缩率(concentration factor)表达。表达。1、浓缩程度、浓缩程度 F表示流速，表示流速，c表示表示浓度浓度,下标下标T和和X分别分别表示目标产物和杂质，表示目标产物和杂质，C、P和和W分别表示原分别表示原料、产品和废料料、产品和废料如果如果mT=mX,则目标产物未则目标产物
8、未得到任何的分离纯化得到任何的分离纯化.122、分离纯化程度、分离纯化程度 分离因子又称分离系数，目标产分离因子又称分离系数，目标产物浓度越高、杂质浓度越低，则分离物浓度越高、杂质浓度越低，则分离因子越大，分离效率越高因子越大，分离效率越高 目标产物的分离纯化程目标产物的分离纯化程度用分离因子表示度用分离因子表示 平衡分离过程平衡分离过程(如蒸馏、如蒸馏、萃取等萃取等)的分离因子常用平衡的分离因子常用平衡后两相中溶质浓度之比表示。后两相中溶质浓度之比表示。133、回收率、回收率 无论是以浓缩还是以分无论是以浓缩还是以分离为目的，目标产物均应以离为目的，目标产物均应以较大的比例回收，即有较大的比
9、例回收，即有较高较高的回收率的回收率生物分离操作多为间歇过程生物分离操作多为间歇过程(分批操作分批操作)141.5 选择分离技术的一般规则选择分离技术的一般规则1.5.1 选择依据选择依据 混合物的混合物的宏观和微观性质宏观和微观性质的差异是选的差异是选择分离方法的择分离方法的主要依据主要依据。（1）待处理混合物的物性）待处理混合物的物性（2）目标产物的价值与处理规模）目标产物的价值与处理规模（3）目标产物的特性）目标产物的特性1.5.2 分离过程的经济性分离过程的经济性15P74 第第4章章 浸取与溶解浸取与溶解 浸取过程浸取过程也常称为也常称为浸出过程浸出过程，是用某种溶剂把，是用某种溶剂
10、把有用物质从固体原料中提取到溶液中的过程。有用物质从固体原料中提取到溶液中的过程。所得产物为所得产物为浸出液浸出液，不溶性固体常被称为，不溶性固体常被称为渣或渣或载体。载体。16 计算结果表明，计算结果表明，25时上述反应的标准自由焓变时上述反应的标准自由焓变化为负值，平衡常数化为负值，平衡常数K108.8，因此反应可以正向进，因此反应可以正向进行、并且进行得很完全。行、并且进行得很完全。4.1 浸取过程的热力学浸取过程的热力学4.1.1 浸取过程的热力学分析浸取过程的热力学分析以盐酸对钛铁矿浸取过程为例以盐酸对钛铁矿浸取过程为例:174.1.2 离子熵的对应原理离子熵的对应原理1、离子熵的对
11、应原理、离子熵的对应原理18作业作业:1、什么叫富集、浓缩和纯化？什么叫富集、浓缩和纯化？2、评价分离过程效率有哪几个标准？评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？、选择分离技术有哪些规则？19204.1 浸取过程的热力学浸取过程的热力学4.1.1 浸取过程的热力学分析浸取过程的热力学分析P74 第第4章章 浸取与溶解浸取与溶解P76 4.1.2 离子熵的对应原理离子熵的对应原理1、离子熵的对应原理、离子熵的对应原理211、离子熵的对应原理、离子熵的对应原理 注意注意:(1)、aT和和bT是与温度、离子类是与温度、离子类型有关而与各类型中的个别离子本型有关而与各类型中的个别离
12、子本性无关的常数。性无关的常数。(2)、常见的离子可分为四种类型：、常见的离子可分为四种类型：简单的阳离子；简单的阴离子及简单的阳离子；简单的阴离子及OH-；含氧阴离子；含氧阴离子(AOmn-)；酸性含；酸性含氧阴离子氧阴离子AOn(OH)m-型型，离子的类型，离子的类型不同，其不同，其aT和和bT 值不同。值不同。表表41中列出了各类离子的中列出了各类离子的aT与与bT值值4.1.2 离子熵的对应原理离子熵的对应原理22离子平均热容离子平均热容 这样，就可以按此式求这样，就可以按此式求出反应在高温下的标准自由出反应在高温下的标准自由焓变焓变Gm，从而判断反应的，从而判断反应的进行方向和限度。
13、进行方向和限度。2、判断反应高温进行的方向和限度、判断反应高温进行的方向和限度234.1.3 电位电位pH图图电位电位pH图图是在给定温度和组分的活度是在给定温度和组分的活度(常简常简化为浓度化为浓度)或气体的逸度或气体的逸度(常简化为气相常简化为气相分压分压)下，下，电位与电位与pH的关系图的关系图。4.1.3.1 电位电位pH图的绘制图的绘制 列出有关物质的各种存列出有关物质的各种存在状态及其标准化学位的数值；在状态及其标准化学位的数值；确定体系中可能发生的确定体系中可能发生的各类反应，并写出反应方程式；各类反应，并写出反应方程式；导出各个反应的电位与导出各个反应的电位与pH的关系式；的关
14、系式；做出各个反应的电位做出各个反应的电位pH线，最后线，最后画出总的电位画出总的电位pH图。图。24254.1.3.2 电位电位pH图在浸出过程的应用举例图在浸出过程的应用举例以酸对铀矿浸取过程为例以酸对铀矿浸取过程为例若直接用酸浸取若直接用酸浸取:在这样低的在这样低的pH值下浸取，既耗值下浸取，既耗酸也会浸出大量的杂质，不利以酸也会浸出大量的杂质，不利以后的分离工作。后的分离工作。Fe3+e=Fe2+MnO2+4H+2e=Mn2+2H2O264.2 常用的浸取过程常用的浸取过程4.2.1 无机物质的浸取无机物质的浸取 1、欲提取的金属转、欲提取的金属转入溶液，而其他伴生元素入溶液，而其他伴
15、生元素和杂质留在固相中。和杂质留在固相中。2、待提取的金属留、待提取的金属留在固相，而伴生元素和杂在固相，而伴生元素和杂质进入溶液。质进入溶液。3、使欲提取的元素、使欲提取的元素和伴生元素一起溶解，和伴生元素一起溶解，以后再进行分离。以后再进行分离。用用Na2CO3+NaHCO3浸取铀矿，此时铀以浸取铀矿，此时铀以UO2(CO3）34-形式进入形式进入溶液，而杂质溶液，而杂质 中的大部分中的大部分则留在固相中。则留在固相中。用盐酸分解钨精矿用盐酸分解钨精矿(CaWO4)此时钙进入溶液，而此时钙进入溶液，而钨则以钨酸的形式留在固相中。钨则以钨酸的形式留在固相中。用硝酸溶解辐照后的废用硝酸溶解辐照
16、后的废铀元件，此时铀，钚和裂变铀元件，此时铀，钚和裂变产物如稀土、铯、锶等均被产物如稀土、铯、锶等均被溶解而进入溶液，以后再进溶解而进入溶液，以后再进一步用萃取法分离。一步用萃取法分离。27 4.2.1.1 水浸出水浸出 用水作溶剂把有价用水作溶剂把有价值的成分简单地从固相值的成分简单地从固相溶解入溶液的过程。溶解入溶液的过程。如硫化铜经硫酸化如硫化铜经硫酸化焙烧后，转变为易溶焙烧后，转变为易溶于水或稀硫酸的硫酸于水或稀硫酸的硫酸铜。铜。4.2.1.2 酸浸出酸浸出4.2.1.3 碱浸出碱浸出28 4.2.1.4 盐浸出盐浸出浸取剂浸取剂:盐的作用：盐的作用：氯化钠、氯化铁、氯化铜、次氯酸钠、
17、硫酸铁等盐类。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、起氧化剂作用2、起直接浸出作用、起直接浸出作用4.2.1.5 细菌浸出细菌浸出 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。化作用，使得矿石中的有用组分进入溶液的过程。29(1)细菌的直接作用细菌的直接作用(2)细菌的催化作用细菌的催化作用4.2.1.6 热压浸出热压浸出304.2.2 有机物的浸取有机物的浸取用水从甘蔗、甜菜中提取蔗糖用水从甘蔗、甜菜中提取蔗糖(1)溶剂的选择溶剂的选择(2)增溶作用增溶作用(3)固体原料的预处理固
18、体原料的预处理(4)废料处理废料处理314.3 浸取过程的动力学浸取过程的动力学一般的一般的固固液反应液反应可认为由可认为由下述五个步骤组成：下述五个步骤组成：反应物扩散到固体表面；反应物扩散到固体表面；反应物被固体表面吸附；反应物被固体表面吸附；在表面上进行反应；在表面上进行反应；生成物从表面上解吸；生成物从表面上解吸；生成物通过扩散离开表面。生成物通过扩散离开表面。4.3.1 动力学方程式动力学方程式(1)通过边界层的扩散通过边界层的扩散由费克定律第一定律得：由费克定律第一定律得：32r 液体液体 固体固体 4.3.1 动力学方程式动力学方程式(1)通过边界层的扩散通过边界层的扩散r033
19、r4.3.1 动力学方程式动力学方程式(1)通过边界层的扩散通过边界层的扩散34r0 含氧的碳酸含氧的碳酸钠钠碳酸氢钠溶碳酸氢钠溶液浸取液浸取UO2粉末。粉末。(2)通过固膜的扩散通过固膜的扩散下面讨论下面讨论:一种特殊的情况，固体颗粒一种特殊的情况，固体颗粒为球状并且生成产物的体积恰好为球状并且生成产物的体积恰好等于反应的那部分物质的体积。等于反应的那部分物质的体积。35r 241rdrDdtdndcdtdnbdtdnas11()drrrdrddnMMMssss23343344)()(31)1(0 rrs36()310)1(rrs(2)通过固膜的扩散通过固膜的扩散如果颗粒为球状如果颗粒为球状
20、 用用Fe2(SO4)3浸出浸出细磨黄铜矿细磨黄铜矿(CuFeS2)的过程的过程.37(3)混合动力学过程混合动力学过程、没有固体产物生成、没有固体产物生成38 表面反应和扩散表面反应和扩散层的传质过程为控层的传质过程为控制步骤制步骤dtdnbdtdnaBA11dtdndtdndtdnBBabA11、有固体产物生成、有固体产物生成过程包括以下步骤：过程包括以下步骤：反应剂通过液体边界层的扩散；反应剂通过液体边界层的扩散；通过固体反应产物的扩散；通过固体反应产物的扩散；界面化学反应；界面化学反应；产物离开界面扩散。产物离开界面扩散。在湿法冶金过程中，后一步骤常不重要，所以在湿法冶金过程中，后一步
21、骤常不重要，所以常只需考虑前三个步骤常只需考虑前三个步骤394.3.2 影响浸出速率的各种因素影响浸出速率的各种因素(1)颗粒大小颗粒大小 浸取过程是一个固、液相之间的多相反应过程，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速率是有利的。然而，也并非颗颗粒度对提高反应速率是有利的。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。此外度，从而对浸出速率产生不利的影响。此外,从经济从经济角度看角度看,过分的磨细显然也
22、是不好的。过分的磨细显然也是不好的。(2)试剂的浓度试剂的浓度 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。济上不利，也会使得进入溶液的杂质过多。40(3)浸取的温度浸取的温度 温度温度T上升，反应速率上升，反应速率常数增大，反应速率增大。常数增大，反应速率增大。(4)搅拌速率搅拌速率K为常数；为常数；W为搅拌速率；为搅拌速率；n为指数，一般为为指
23、数，一般为0.6不同的分离过程都有不同的最佳搅拌速率不同的分离过程都有不同的最佳搅拌速率41搅拌的作用搅拌的作用：1、使试剂迅速接、使试剂迅速接近固体表面，反应产物迅速到近固体表面，反应产物迅速到达溶液主体；达溶液主体；2、使扩散层减薄。、使扩散层减薄。4.4 溶解和分解溶解和分解4.4.1 溶解法溶解法(1)盐酸盐酸(2)硝酸硝酸(3)硫酸硫酸(4)高氯酸高氯酸(5)氢氟酸氢氟酸(6)氢氧化钠氢氧化钠424.4.2 熔融法熔融法 熔融法是利用酸性或碱性熔剂，在高温下与试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样发生复分解反应，从而生成易于溶解的反应
24、产物的过程。的过程。特点：特点：由于熔融时反应物浓度和温度由于熔融时反应物浓度和温度(3001000)都都很高，因而分解能力很强。很高，因而分解能力很强。缺点：缺点：熔融时常需要大量的熔剂熔融时常需要大量的熔剂(一般熔剂质量约为试一般熔剂质量约为试样质量的样质量的10倍倍)，因而可能引入较多的杂质；，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；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，会使某些组分的挥熔融时需要加热到高温，会使某些组分的挥发损失增加；发损失增加；熔融时所
25、用的容器常常会受到熔剂不同程度熔融时所用的容器常常会受到熔剂不同程度的侵蚀，从而使试液中杂质含量增加。的侵蚀，从而使试液中杂质含量增加。44 4.4.3 烧结法烧结法 烧结法又称半熔融法，是让试样与固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。体试剂在低于熔点的温度下进行反应。(1)Na2CO3ZnO烧结法烧结法(常用于矿石和煤中常用于矿石和煤中全硫量的测定全硫量的测定)45 (2)CaCO3NH4C1烧结法（用于测定硅烧结法（用于测定硅酸盐中酸盐中K+、Na+）试样和固体剂混合后加热到试样和固体剂混合后加热到800，此时，此时Na2CO3起熔剂起熔剂的作用；的作用；Zn
26、O起疏松和通气的作用，使空气中的氧将硫化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，物氧化为硫酸盐。用水浸取反应产物时，SO42-形成钠盐进形成钠盐进入溶液中。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熔剂中加入少许KMnO4粉末，开始时缓缓升温，使游离硫粉末，开始时缓缓升温，使游离硫氧化为氧化为SO42-。4.4.4 有机试样的分解有机试样的分解(1)干法灰化法干法灰化法 主要是依靠加热使试样灰化分解，主要是依靠加热使试样灰化分解，将所得灰分溶解后分析测定之。将所得灰分溶解后分析测定之。(
27、2)湿法灰化法湿法灰化法 用强氧化剂将有机物氧化成易于水的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。物质，然后进行分析测定之。46474.4.5 有机试样的溶解有机试样的溶解1、根据试样的溶解度来选择溶剂；、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。、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？如何选择溶解有机试样的溶剂？练习（第一和第四章）练习（第一和第四章）1、混合物的、混合物的 的差异是选择分的差异是选择分离方法的主要依据。离方法的主要依据。2、对于、对于A、B两种组分而言，两种组分而言，A为欲分离组分，为欲分离组分，B为伴随组分，为伴随组分，B对对A的分离因子表达式的分离因子表达式 ；回收因子的表达式；回收因子的表达式 。在分离过。在分离过程，要求分离因子愈程，要求分离因子愈 愈好。愈好。回收因子回收因子 愈好。愈好。3、右图为铀矿浸出的、右图为铀矿浸出的EpH图，图，其中，其中，A和和B线分别为线分别为Fe3+e=Fe2+和和MnO2+4H+2e=Mn2+2H2O 的的EpH关系图，如果以关系图，如果以UO22+形式浸出，测浸形式浸出，测浸出的条件为：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
