第10章其他分离过程

第十章其他分离过程第十章其他分离过程第一节离子交换第二节萃取第三节膜分离本章主要内容一、离子交换剂概述二、离子交换基本原理三、离子交换速度本节的主要内容第一节离子交换（一）离子交换剂的分类一般将具有离子交换功能的物质称为离子交换剂。包括有机离子交换剂（天然的和合成的）和无机离子交换剂（如沸石等）。一、离子交换剂概述第一节离子交换离子交换树脂分类方法有多种：（1）按物理结构：凝胶型、大孔型和等孔型。（2）按合成单体：苯乙烯系、酚醛系和丙烯系等。（3）按活性基团性质：阳离子交换树脂、阴离子交换树脂等。（三）离子交换树脂的物理化学性质第一节离子交换（1）交联度交联度是指交联剂的用量（用质量分数表示）（2）粒度离子交换树脂通常为球形（3）密度真密度和视密度（4）溶胀性（5）交换容量（6）选择性（5）交换容量全交换容量：指单位质量（或体积）的树脂中可以交换的化学基团的总数，亦称理论交换容量。工作交换容量：指树脂在给定工作条件下实际可利用的交换能力。第一节离子交换（6）选择性见教材p343树脂选择性是指离子交换树脂对不同离子亲和力强弱的反应。影响离子交换树脂选择性的因素：离子的水化半径：离子在水溶液中通常发生水化作用，离子在水溶液中的实际大小以水化半径来表征。离子的化合价：离子的化合价越高，其与树脂的亲和力越强，越易被树脂交换。第一节离子交换当离子交换达到平衡时，平衡常数为式中：，——树脂相中的离子浓度，kmol/m3；BARBARBRARABBAK（10.1.17）ABRARB，——溶液中的离子浓度，kmol/m3；平衡常数亦称为离子交换树脂的选择性系数，表示离子交换树脂对溶液中B+的亲和程度和离子交换反应的进行方向。如果选择性系数大于1，说明树脂对B+的亲和力大于对A+的亲和力，离子交换反应向右进行。++++RA+BRB+A--（三）离子交换速度的影响因素第一节离子交换（1）离子性质（2）树脂的交联度（3）树脂的粒径（4）水中离子浓度（5）溶液温度（6）流速或搅拌速率第二节萃取一、萃取分离的特点二、萃取过程的热力学基础三、萃取剂的选择四、萃取过程的流程与计算本节的主要内容一、萃取分离的特点•利用混合液中被分离组分A在两相中分配差异的性质，使该组分从混合液中分离。•该过程称为液-液萃取，或溶剂萃取，或液体萃取。•萃取过程是物质由一相转到另一相的传质过程。溶剂B称为稀释剂第二节萃取•可在常温下操作，无相变；•萃取剂选择适当可以获得较高分离效率；•对于沸点非常相近的物质可以进行有效分离；•利用萃取的方法分离混合液时，混合液中的溶质既可是挥发性物质，也可以是非挥发性物质，如无机盐类等。萃取分离的特点第二节萃取•萃取法主要用于水处理，通常用于萃取工业废水中有回收价值的溶解性物质；•从染料废水中提取有用染料；•从洗毛废水中提取羊毛脂；•含酚废水的萃取处理等。在环境领域中的应用第二节萃取在萃取操作中至少涉及三个组分：待分离混合液中的溶质A、稀释剂B和加入的萃取剂S达到平衡时的两个相均为液相：萃取相和萃余相当萃取剂和稀释剂部分互溶时，萃取相和萃余相均含有三个组分，因此表示平衡关系时要用三角相图。二、萃取过程的热力学基础第二节萃取10.2.2三角形相图•一、三元组成表示法AMSHFBG40.5E(a）直角三角形0.5SB0.5AMFEG(b)正三角形H萃取过程设计的组分至少有三个，即溶剂A、稀释剂B和萃取剂S。最常见到的三角形相图为直角三角形和正三角形，如图所示。萃取操作多才用质量分数表示各组分的组成.（一）三角形相图•顶点A、B、S•三个边•内部任一点M——xA,xB,xS如何定?——xA+xB+xS=1ABSMHGFKED三角形任何一个边上的任一点均代表一个二元混合物，如E点。三角形内的任一点代表一个三元混合物，如M点。纯溶质纯稀释剂纯溶剂xmA=0.4xmB=0.3xmS=0.3第二节萃取（一）三角形相图（a）（b）三角形坐标图的每个顶点分别代表一个纯组分，即顶点A表示纯溶质A，顶点B表示纯原溶剂（稀释剂）B，顶点S表示纯萃取剂S。三角形坐标图三条边上的任一点代表一个二元混合物系，第三组分的组成为零,越靠近某一顶点,此顶点所代表的组分在溶液中的浓度越高。例如AB边上的E点，表示由A、B组成的二元混合物系，由图可读得：A的组成为0.40，则B的组成为（1.0–0.40）=0.60，S的组成为零。A%A%B%S%S%B%画法1例如AB边上的M点，表示由A、B、S组成的三元混合物系，由图可读得：A的组成为0.40，S的组成为0.3,则B的组成为（1.0-0.4-0.30）=0.30，。画法2A%B%0.2S%0.40.60.8在萃取操作中，根据组分间互溶度的不同，可分为以下三种情况：①溶质A可溶于稀释剂B和萃取剂S中，但稀释剂B和萃取剂S之间不互溶。②溶质A可溶于稀释剂B和萃取剂S中，但B和S之间部分互溶。③组分A、B完全互溶，但B、S及A、S之间部分互溶。第I类物系：第(1)和第(2)情况（以下主要讨论）第II类物系：第(3)情况（二）溶解度曲线与联结线第二节萃取萃取相E及萃余相R：达到平衡时的共轭液相。联结线：连线RE，都互不平行P点：临界混溶点，溶液为均相在含有溶质A和稀释剂B的原混合液中加入适量的萃取剂S，经充分混合，达到平衡。如果改变萃取剂的用量，将会建立新的平衡。溶解度曲线把三角形分为两个区，曲线以内为两相区，以外为均相区。萃取相萃余相第二节萃取均相区两相区辅助曲线：连接F、G、H，得辅助曲线。利用辅助曲线，可以求任一平衡液相的共轭相，如从R点求E点。溶解度实测数据少时，如何处理？第二节萃取（三）杠杆规则混合物M分成任意两个相，或由任意两个相E和R混合成一个相M,则表示组成的点M、E和R在一直线上。EERMMRMRMERE或式中，E、R、M—混合液E、R及M的质量，E+R＝M。杠杆规则M：点E和R的“和点”；E(或R)：点M与R（或E）的“差点”由其中的任意二点求得第三点。表示了混合物M和两个相E和R之间的质量与组成间的关系。第二节萃取（10.2.1）ABS若在原料液F中加入纯溶剂S，则表示混合液组成的点M视溶剂加入量的多少沿FS线变化，根据杠杆规则：SFMFMS＝萃取过程在三角相图中的表示由联结线和溶解度曲线可得萃取相E和萃取相R的组成。第二节萃取（10.2.2）ABS杠杆法则ABSFMSF=MFMS1.分配曲线将三角形相图上各组相对应的共扼平衡液层中溶质A的组成转移到xm-ym直角坐标上，所得的曲线称为分配曲线。分配曲线表达了溶质A在相互平衡R相与E相中的分配关系。（四）分配曲线与分配系数第二节萃取mAmAykx2.分配系数溶质A在两相中的平衡关系可以用相平衡常数k来表示。ymA——溶质A在萃取相中的质量分数；xmA——溶质A在萃余相中的质量分数。k通常称为分配系数。该值随温度与溶质的组成而异。当溶质浓度较低时，k接近常数，分配曲线接近直线。第二节萃取（10.2.3）（一）萃取剂的选择性系数萃取剂的选择性是指萃取剂对原料混合液中两个组分的溶解能力的大小，可以用选择性系数来表示：AAABBBABAB////mmmmmmmmyxkyxkyyxxymA，ymB——分别为组分A和B在萃取相中的质量分数xmA，xmB——分别为组分A和B在萃余相中的质量分数•若1,表示溶质A在萃取相中的相对含量比在萃余相中高。•愈大，组分A与B的分离愈容易。•若＝1，则组分A与B在两相中的组成比例相同，该溶液不能用萃取方法分离。三、萃取剂的选择第二节萃取（10.2.4）式中：1.萃取剂的选择性2.萃取剂的物理性质：密度、界面张力、黏度3.萃取剂的化学性质4.萃取剂回收的难易：一般常用的回收方法是蒸馏，如果不宜用蒸馏，可以考虑采用其他方法，如反萃取、结晶分离等。5.废水常用的萃取剂：苯及焦油类、酯类（醋酸丁酯、三甲酚磷酸酯等）、醇类（二）萃取剂的选择第二节萃取单级萃取可以间歇操作，也可以连续操作。理论级：萃取相和萃余相之间达到平衡。级效率：单级操作实际的级数和理论级的差距。单级萃取过程的计算：已知：F和xFA、xSA、xRA、相平衡数据计算：所需的S、E和R、xEA第二节萃取（一）单级萃取单级萃取是液-液萃取中最简单、也是最基本的操作方式。四、萃取过程的流程和计算F=A+BSERE’R’Ｓ回收Ｓ回收混合器分离器SS萃取过程萃取相萃余相萃取液萃余液M以溶质A为对象建立物料平衡关系式：FERmmmBXSYBX或ERF()mmmBYXXSS、B——萃取剂用量、原料液中稀释剂量；kg或kg/sXmF——原料液溶质A质量比，XmF=A/B；YmE——溶质A在萃取相中的质量比，YmE=A/S；XmR——溶质A在萃余相中的质量比，XmR=A/B。1.萃取剂与稀释剂不互溶的体系第二节萃取（10.2.5）或中，联立分配曲线方程和物料平衡方程，即可得到萃取剂用量和溶质在萃取相中的组成。溶质在两液相间的分配曲线如下：第二节萃取mmYkX如果分配系数不随溶液组成而变，则有：（10.2.6）F=A+BSERE’R’Ｓ回收Ｓ回收混合器分离器SS萃取过程萃取相萃余相萃取液萃余液MS+F=M=E+RE=S+E’R=S+R’2、萃取剂与稀释剂部分互溶的体系2.萃取剂与稀释剂部分互溶的体系，如何计算？SMFMFSFFMSMS所需萃取剂量则：由萃取剂量求组成xmR?（1）.根据已知平衡数据在三角相图中画出溶解度曲线及辅助曲线。（2）.在AB边上根据原料液的组成xmF确定F点，根据所用萃取剂组成确定S点（假设为纯萃取剂），连接FS。（3）.由已知的xmR（萃余相中溶质A的质量分数）定出点R,再利用辅助曲线求出E点，连接RE直线，与FS交点为M。萃取相萃余相第二节萃取ABS1）绘制溶解度曲线与辅助线图解法计算步骤：3)萃取要求xＲ定萃余相R点RE4)由R点根据辅助线定E点5)连RE交FS于M点Ｍ6)根据杠杆法则计算萃取剂Ｓ的量S=FMSMFMM７)根据物料衡算与杠杆法则求萃取相量Ｅ和萃余相量ＲF+S=R+E=MＲＥ=ＭＥＭＲ杠杆法则ABSFE’R’SF=MFMSRE=MEMRS+F=M=E+RR’S=RSRR’R=S+R’E’S=ESEE’E=S+E’FR’R’E’=FE’MEREmax’D最大的萃取剂用量与最小萃取剂用量（二）多级错流萃取萃余相原料液萃取剂萃取剂和稀释剂之间不互溶体系第二节萃取对于第1级，作溶质A的物料衡算：10111mFmmmBXSYBXSY101()mmm1mFBYYXXS由上式得：第1级操作线任意一个萃取级n的操作线方程：0(1)()mnmmnmnnBYYXXS物料平衡第二节萃取（10.2.8）（10.2.7）（10.2.9）直到萃余相的组成Xmn等于或小于所要求的XmR为止。重复操作线的次数即为理论级数。理论级数如何求？已知原料液组成：XmF萃取剂量：S萃取剂组成：Ym0第二节萃取0(1)()mnmmnmnnBYYXXS萃取剂和稀释剂之间部分互溶体系ABSR3R2R1PE1E2E3S0M1MM23F（三）多级逆流萃取原料液萃取剂萃取相中溶质含量高，接近与原料液相平衡的程度萃余相中溶质含量低，接近与新鲜萃取剂相平衡的程度第二节萃取低高（2）第1级至i级的物料衡算方程为:F(1)1mmimimBXSYBXSY1(1)F()mmimmiBYYXXS操作线1.理论级数的计算第二节萃取（10.2.10）（10.2.11）萃取剂和稀释剂之间不互溶体系：（1）绘制分配曲线；图解法求多级逆流萃取所需的理论级数第二节萃取•萃取剂用量的确定影响萃取效果和设备费用。•萃取剂用量少，所需理论级数多，设备费用大；•反之，萃取剂用量大，所需的理论级数少，萃取设备费用低，但萃取剂回收设备大，相应的回收萃取剂的费用高。•在多级逆流操作中对于一定的萃取要求存