结晶和膜分离

1、第十一章第十一章结晶和膜分离结晶和膜分离 11.111.1结晶概述结晶概述特点：特点：(1) (1) 选择性高选择性高(2) (2) 纯度高纯度高(3) (3) 设备简单，操作方便设备简单，操作方便(4) (4) 影响因素多影响因素多结晶分类结晶分类n溶液结晶溶液结晶n熔融结晶熔融结晶n升华结晶升华结晶1.沉淀结晶沉淀结晶11.1.111.1.1基本概念基本概念晶体的性状晶体的性状n自范性：自发成长成为结晶多面体的可能性自范性：自发成长成为结晶多面体的可能性n均匀性：宏观上物理和化学性质相各向同均匀性：宏观上物理和化学性质相各向同1.各向异性：晶体的几何特性及物理效益随方向不同而各向异性：晶体

2、的几何特性及物理效益随方向不同而不同不同结晶过程：结晶过程：第一步：成核：产生微小晶粒（晶核）作为结晶的核心。第一步：成核：产生微小晶粒（晶核）作为结晶的核心。第二步：成长：晶核变大，成为宏观意义上的晶体。第二步：成长：晶核变大，成为宏观意义上的晶体。两个概念两个概念晶浆：晶体剩余的饱和溶液晶浆：晶体剩余的饱和溶液母液：剩余的溶液母液：剩余的溶液结晶操作过程结晶操作过程n成核成核n晶体成长晶体成长n固液分离固液分离1.洗涤洗涤重要的概念：重要的概念：n相平衡：固体的溶解和析出达到动态平衡相平衡：固体的溶解和析出达到动态平衡n溶解度：相平衡时单位质量的溶剂所能溶解的固体的质量溶解度：相平衡时单位

3、质量的溶剂所能溶解的固体的质量n溶解度曲线：表示溶解度与温度的关系溶解度曲线：表示溶解度与温度的关系n饱和溶液：溶质的浓度恰好等于溶解度饱和溶液：溶质的浓度恰好等于溶解度n过饱和溶液：溶质的浓度超过溶质的溶解度过饱和溶液：溶质的浓度超过溶质的溶解度n过饱和度：过饱和溶液与饱和溶液的浓度的差过饱和度：过饱和溶液与饱和溶液的浓度的差11.1.211.1.2结晶过程的相平衡结晶过程的相平衡过饱和溶液的形成方式：过饱和溶液的形成方式：(1) (1) 冷却冷却(2) (2) 溶剂蒸发溶剂蒸发(3) (3) 改变溶剂性质改变溶剂性质(4) (4) 化学反应产生低溶解度物质化学反应产生低溶解度物质11.1.

4、211.1.2结晶过程的相平衡结晶过程的相平衡A A 稳定区：稳定区： 不饱和区不饱和区B B 第一介稳区：加入晶种结晶会生长，第一介稳区：加入晶种结晶会生长，但不产新晶核但不产新晶核C C 第二介稳区：加入晶种结晶会生长，第二介稳区：加入晶种结晶会生长，同时有新晶核产生同时有新晶核产生D D 不稳区：瞬时出现大量微小晶核，不稳区：瞬时出现大量微小晶核，发生晶核泛滥发生晶核泛滥11.1.211.1.2结晶过程的动力学结晶过程的动力学 成核成核 初级成核：自发产生的晶核过程初级成核：自发产生的晶核过程均相初级成核均相初级成核非均相初级成核非均相初级成核 二次成核：已存在晶体条件下产生晶核过程二次

5、成核：已存在晶体条件下产生晶核过程剪应力成核剪应力成核接触成核接触成核 一般结晶过程应以二次成核作为晶核的来源一般结晶过程应以二次成核作为晶核的来源11.1.211.1.2结晶过程的动力学结晶过程的动力学结晶成长过程（扩散学说）结晶成长过程（扩散学说）扩散过程：溶质达到晶体表面（浓度差，越大，速度越快）扩散过程：溶质达到晶体表面（浓度差，越大，速度越快）表面反应过程：溶质嵌入晶面（温度越高，速率越快）表面反应过程：溶质嵌入晶面（温度越高，速率越快）传热过程：结晶热传递到溶液中传热过程：结晶热传递到溶液中结晶过程控制晶核形成速率的必要性：结晶过程控制晶核形成速率的必要性：n晶体产品的粒度下降晶体

6、产品的粒度下降n产品粒度分布不合格产品粒度分布不合格n控制成核现象的措施：控制成核现象的措施：n维持稳定的饱和度维持稳定的饱和度n控制晶体生长的速率控制晶体生长的速率n减少晶体的机械碰撞能量减少晶体的机械碰撞能量n消除溶液中可能成为晶核的微粒消除溶液中可能成为晶核的微粒n细消操作细消操作影响晶体纯度的影响因素影响晶体纯度的影响因素n母液在晶体表面的母液在晶体表面的吸藏吸藏n母液被母液被包藏包藏与晶簇中与晶簇中A.形成不同的形成不同的晶习晶习晶体的生存理论和育晶操作晶体的生存理论和育晶操作 生存理论：小粒子具有较大的表面能，微小晶体的溶解度高于粒生存理论：小粒子具有较大的表面能，微小晶体的溶解度

7、高于粒度较大的晶体，因而微小晶体能够与某一定浓度的过饱和溶液建度较大的晶体，因而微小晶体能够与某一定浓度的过饱和溶液建立平衡关系。结果：微小晶粒溶解而大晶体长大。立平衡关系。结果：微小晶粒溶解而大晶体长大。 育晶：微小颗粒变成较大颗粒育晶：微小颗粒变成较大颗粒结晶过程中过饱和度过大有何不妥？结晶过程中过饱和度过大有何不妥？ A：初级成核速度过快，形成过多的晶核，晶体粒度变：初级成核速度过快，形成过多的晶核，晶体粒度变小，容易出现严重的包藏现象。小，容易出现严重的包藏现象。 B：晶体生长速度过快，出现吸藏现象：晶体生长速度过快，出现吸藏现象杂质或添加剂对结晶的影响杂质或添加剂对结晶的影响n浓度很

8、低就起作用浓度很低就起作用n能够改变结晶质量能够改变结晶质量膜分离技术的地位和影响l美国官方文件曾说美国官方文件曾说1818世纪电器改变了整个工业进世纪电器改变了整个工业进程，而程，而2020世纪膜技术将改变整个面貌世纪膜技术将改变整个面貌”，“目前没目前没有一种技术，能像膜技术这么广泛地被应用有一种技术，能像膜技术这么广泛地被应用”l日本日本和欧洲和欧洲则把膜技术作为则把膜技术作为2121世纪的基盘技术进行世纪的基盘技术进行研究和开发研究和开发l“谁掌握了膜技术，谁就掌握了化学工业的未谁掌握了膜技术，谁就掌握了化学工业的未来来”- - Norman N. LiNorman N. Li，美国科

9、学院院士，著名华裔美国科学院院士，著名华裔科学家科学家l膜分离已得到广泛应用膜分离已得到广泛应用。2121世纪是工业生物技术的世纪是工业生物技术的世纪，膜技术将扮演重要角色世纪，膜技术将扮演重要角色11.211.2膜分离概述膜分离概述近近2020年发展起来的膜分离技术，已广泛用于生物工程、食品、医药、年发展起来的膜分离技术，已广泛用于生物工程、食品、医药、化工等工业生产及水处理等各个领域；化工等工业生产及水处理等各个领域；膜分离技术是用半透膜作为选择障碍层，允许某些组分透过而保留膜分离技术是用半透膜作为选择障碍层，允许某些组分透过而保留混合物中其它组分，从而达到分离目的的技术。混合物中其它组分

10、，从而达到分离目的的技术。膜分离技术它具有设备简单、操作方便、无相变、无化学变化、处膜分离技术它具有设备简单、操作方便、无相变、无化学变化、处理效率高和节省能量等优点，已作为一种单元操作日益受到人们极理效率高和节省能量等优点，已作为一种单元操作日益受到人们极大重视。大重视。膜分离的特点膜分离的特点操作在常温下进行；操作在常温下进行；是物理过程，不需加入化学试剂；是物理过程，不需加入化学试剂；不发生相变化（因而能耗较低）；不发生相变化（因而能耗较低）；在很多情况下选择性较高；在很多情况下选择性较高；浓缩和纯化可在一个步骤内完成；浓缩和纯化可在一个步骤内完成；设备易放大，可以分批或连续操作。设备易

11、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因而在生物产品的处理中占有重要地位11.211.2膜分离概述膜分离概述微微 滤滤透析透析n利用具有一定孔径大小、高分子溶质不能透过的亲水膜，将含有高分利用具有一定孔径大小、高分子溶质不能透过的亲水膜，将含有高分子溶质和其它小分子溶质的溶液；与水溶液，或缓冲液分隔；由于膜子溶质和其它小分子溶质的溶液；与水溶液，或缓冲液分隔；由于膜两侧的溶质浓度不同，在浓差的作用下，左侧高分子溶液中的小分子两侧的溶质浓度不同，在浓差的作用下，左侧高分子溶液中的小分子溶质（如无机盐）透向右侧，右侧的水透向左侧，这就是透析。溶质（如无机盐）透向右侧，右侧的水

12、透向左侧，这就是透析。n纯水或缓冲溶液称为透析液；纯水或缓冲溶液称为透析液；n所用的亲水膜称为透析膜；所用的亲水膜称为透析膜；n透析过程中透析膜内无流体流动，溶质以扩散的形式移动透析过程中透析膜内无流体流动，溶质以扩散的形式移动。水分子水分子大分子大分子小分子小分子透析膜透析膜电渗析分离原理示意图电渗析分离原理示意图渗透蒸发渗透蒸发n它是利用膜与被分离有机液体混合物中各组分的亲合力不同，而有选择性地它是利用膜与被分离有机液体混合物中各组分的亲合力不同，而有选择性地优先吸附溶液某一组分，及各组分在膜中扩散速度不同，来达到分离的目的。优先吸附溶液某一组分，及各组分在膜中扩散速度不同，来达到分离的目的。它不存在蒸馏法中的共沸点的限制，可连续分离、浓缩，直至得到纯有机物。它不存在蒸馏法中的共沸点的限制，可连续分离、浓缩，直至得到纯有机物。n分离过程是用一张渗透蒸发膜分离过程是用一张渗透蒸发膜, ,将进料液相和透过气相分隔开将进料液相和透过气相分隔开, ,并在气相侧抽并在气相侧抽真空或通以惰性气流真空或通以惰性气流, ,把渗透组分的蒸气压控制到接