《萃取与分离技术》课件

萃取与分离技术萃取与分离技术是化学工程和生物工程领域的核心技术之一，在现代工业生产和科学研究中发挥着至关重要的作用本课程将系统介绍各种萃取分离原理、方法和应用，帮助学生掌握这一重要的化工单元操作技术通过本课程的学习，学生将深入理解萃取分离的基本原理，掌握各种萃取技术的操作要点，并能够在实际工程中合理选择和应用相应的分离技术课程内容涵盖传统溶剂萃取、现代膜分离技术以及绿色萃取等前沿领域主要分离技术分类蒸馏分离溶剂萃取基于组分挥发性差异的分离技术，广泛应用于石油化工、酒精生产利用溶质在两个不互溶相中溶解度差异进行分离在湿法冶金、核等领域通过加热使混合物中易挥发组分优先气化，实现有效分离燃料后处理、医药中间体纯化等领域应用广泛离子交换色谱分离通过离子交换树脂实现离子的选择性交换分离在水处理、生物分基于组分在固定相和流动相间分配系数差异的高效分离技术包括离、贵金属回收等方面发挥重要作用气相色谱、液相色谱等多种形式萃取的定义与原理基本概念相平衡原理萃取是利用混合物中各组分在萃取过程基于热力学平衡原理，两个不互溶液相中溶解度或分当溶质在两相间达到平衡时，配系数的差异而实现分离的单其在各相中的化学位相等分元操作这种技术能够在常温配系数是描述萃取平衡的重要常压下实现高效分离参数亲疏水性转化萃取的关键在于通过化学反应或络合作用，改变目标物质的亲疏水性质，使其从一相转移到另一相中，实现选择性分离萃取技术发展简史1早期发展（世纪）19最初的溶剂萃取法主要用于有机化合物的分离纯化，技术相对简单，设备原始，主要依靠手工操作完成分离过程2工业化时期（世纪前半期）20随着石油化工和核工业的发展，萃取技术开始规模化应用开发了各种萃取设备，萃取剂体系也得到系统研究和优化3膜萃取兴起（世纪后半期）20膜分离技术的出现为萃取带来了革命性变化液膜、支撑液膜等新技术大大提高了分离效率和选择性4绿色萃取时代（世纪至今）21环保要求推动了绿色萃取技术发展离子液体、超临界流体、生物萃取等环境友好型技术成为研究热点溶剂萃取（液液萃取）总览-基本特征适用范围溶剂萃取是最经典的萃取分离技术，使用与水不互溶的有机溶特别适合分离具有亲有机相性质的组分，如疏水性有机化合物、剂作为萃取相这种方法操作简单，设备要求不高，适合处理某些金属络合物等在制药、精细化工、环境治理等领域应用大量物料广泛有机溶剂的选择至关重要，需要考虑其选择性、稳定性、毒性对于极性较强的化合物，通常需要通过化学反应改变其极性后和回收难易程度等因素再进行萃取分离萃取操作的本质极性转化将亲水性目标物质通过络合、离子对形成等方式转化为疏水性形态，使其易于向有机相转移相间传质转化后的目标物质在相界面处发生传质，从水相转移到有机相中，实现初步分离反萃取回收通过改变溶液条件（如、络合剂浓度），将目标物质重新转化为亲pH水形态，反萃取回水相产品获得经过反萃取得到富集的目标产品，完成整个萃取分离循环过程影响萃取效率的主要因素分配系数溶液值溶剂选择性操作温度pH分配系数是决定萃取效值直接影响萃取质萃取剂的化学性质决定温度影响分配平衡和传pH率的根本因素，数值越的存在形态和萃取剂的了其对不同物质的选择质速率适当提高温度大萃取效果越好它受络合能力合适的性理想的萃取剂应具可加快传质，但过高温pH温度、溶液组成、范围是实现高效萃取的有高选择性、良好稳定度可能导致萃取剂分解pH等多种因素影响关键条件性和易回收性或挥发分配定律与分配系数分配定律Nernst理想条件12在一定温度下，溶质在两个不互溶溶剂中的适用于稀溶液且溶质在两相中以相同分子形浓度比为常数，即分配系数有机D=C/C态存在的情况水计算应用实际应用用于预测萃取效率、计算所需萃取级数和萃考虑络合、离解、缔合等因素的影响，需要43取剂用量使用表观分配系数单级萃取与多级萃取单级萃取多级萃取料液与萃取剂在一个萃取器中接触一次后分离操作简单，设料液依次与新鲜萃取剂接触多次，或采用逆流操作方式虽然备投资少，但萃取效率相对较低设备复杂，但能显著提高萃取效率和回收率单级萃取的回收率计算公式为水有机，其理论上，无穷多级萃取可以实现完全分离实际工程中需要在η=D/D+V/V中为分配系数，为相体积效率和经济性之间找到平衡点D V单级萃取实例分析料液准备调节待分离金属离子溶液的值至适宜范围，加入必要的络合剂或掩蔽pH剂，确保目标离子处于最佳萃取状态萃取操作将有机萃取剂与料液按一定体积比混合，在萃取器中充分接触控制搅拌强度和接触时间，使传质达到平衡相分离停止搅拌后静置分层，或采用离心分离等方法快速实现两相分离收集含有目标物质的有机相效果评估分析萃余液中目标离子的残留浓度，计算单级萃取的回收率，评估分离效果并优化操作条件多级萃取少量多次的优势90%单级萃取使用大量萃取剂一次性萃取的典型回收率99%三级萃取使用相同总量萃取剂分三次萃取的回收率50%萃取剂节省多级萃取相比单级萃取可节省的萃取剂用量3-5最优级数工业应用中经济效益最佳的萃取级数范围多级萃取遵循少量多次比一次大量的原理例如，某金属离子分配系数，使用等体积萃取剂，单级萃取回收率为，而三级D=990%萃取可达这种优势源于每一级都能维持较高的浓度梯度驱动力

99.9%逆萃取（反萃取）过程条件改变通过调节、离子强度等改变萃取平衡1pH络合破坏2加入竞争性配体或改变络合环境相转移3目标物质重新转移至水相萃取剂再生4有机相得到再生可循环使用以羟基喹啉氯仿体系为例，金属离子在时形成络合物被萃取到氯仿相，反萃取时用稀盐酸处理有机相，降低导致络合物8--pH8-10pH分解，金属离子返回水相这个过程不仅回收了目标产品，还实现了萃取剂的循环利用，降低了操作成本典型萃取剂类型一览螯合萃取剂如羟基喹啉、二硫代氨基甲酸盐等，通过形成稳定螯合物实现萃取选8-择性高，萃取能力强，广泛用于金属离子分离溶剂化合物萃取剂如磷酸三丁酯（）、磷氧化合物等，通过溶剂化作用萃取中性分子或离TBP子对在核燃料后处理中应用广泛离子对萃取剂如季铵盐、胺类化合物，通过形成离子对实现阴离子或阳离子的萃取pH适应范围广，操作条件温和液液分配萃取剂-主要是有机溶剂，如苯、氯仿、乙醚等，基于相似相溶原理萃取有机化合物操作简单但选择性相对较低螯合物萃取体系络合反应相转移金属离子与螯合剂在水相中形成亲脂性形成的中性螯合物由于疏水性增强而转1络合物，反应通常伴随质子的释放或吸移到有机相中，实现金属离子的萃取分2收离反萃取回收选择性控制4改变溶液条件使络合物分解，金属离子通过调节、加入掩蔽剂等方式控制pH返回水相，螯合剂留在有机相中可重复3不同金属的络合程度，实现选择性萃取使用溶剂萃取的应用举例稀土元素分离铀的提取与纯化利用不同稀土离子与萃取剂络合能力的微小差异，通过多级逆从铀矿石浸出液中萃取铀，或从核燃料后处理中回收铀流萃取实现高纯度分离常用萃取剂包括、等有煤油体系是最经典的铀萃取系统，广泛应用于核工业P204P507TBP-机磷化合物萃取法可以处理低品位铀矿，回收率高，对核燃料循环具有重稀土萃取是目前工业上最成功的萃取分离应用之一，中国在这要意义一领域处于世界领先地位液膜分离技术简介制乳阶段将内水相与含有载体的膜相制成型乳状液，形成液膜体系的基W/O础结构萃取传质目标物质通过液膜从外水相传递到内水相，实现浓缩和分离破乳回收通过电破乳或化学破乳将内水相分离出来，获得富集的目标产品液膜分离技术将萃取和反萃取过程在一个设备中同时进行，具有设备简单、能耗低、选择性高等优点在废水处理、金属回收、生物分离等领域显示出巨大潜力与传统萃取相比，液膜分离可以实现更高的浓缩倍数和分离效率液膜制乳与破乳操作1乳液制备在高速搅拌下将内水相逐渐加入到含载体和表面活性剂的有机膜相中，形成稳定的乳液控制搅拌速度和时间是关键W/O2萃取操作将制备好的乳液与含有目标物质的外水相混合，在适当搅拌下进行萃取传质操作时间通常为分钟10-303相分离停止搅拌后静置分层，分离出负载了目标物质的乳液相这一步骤需要控制好搅拌强度，避免乳液破坏4破乳回收采用电破乳、超声破乳或加入破乳剂等方法破坏乳液结构，分离内水相得到浓缩的目标产品有机相可以循环使用固液萃取及其应用-植物成分提取食品工业应用固体废料处理从中草药、香料植咖啡因萃取、油脂从工业废渣、电子物中提取有效成分提取、天然色素和垃圾中回收有价金常用溶剂包括水、香料的分离纯化属通过酸浸或碱乙醇、丙酮等，需超临界萃取在浸将金属转入液相，CO2要考虑提取温度、食品工业中应用日再用萃取法分离纯时间和溶剂极性的益广泛化影响样品前处理分析化学中的样品预处理，如土壤中有机污染物的提取、生物样品中药物成分的分离等萃取设备概述混合澄清型设备塔式萃取设备-包括搅拌槽、离心萃取机等两如填料塔、筛板塔、脉冲塔等相在混合器中充分接触传质，然两相在塔内逆流接触，传质效率后在澄清器中分离设备简单，高，适合连续操作和大规模生产操作灵活，适合间歇操作专用萃取器针对特定应用开发的设备，如膜萃取器、微通道萃取器等具有高效率、小型化、易控制等特点离心萃取机工作原理应用优势利用离心力加速两相的混合和分离过程料液和萃取剂在转子分离效率高，设备紧凑，占地面积小能够处理密度差较小的内混合，离心力使两相快速分离相比重力分离，大大缩短了两相体系，对乳化敏感的物系也能有效分离分离时间广泛应用于制药、精细化工、核燃料后处理等对分离效率要求转速通常为，停留时间仅需几分钟，特别高的场合维护方便，自动化程度高1000-3000rpm适合处理难分离的乳化体系搅拌萃取器结构组成混合区域12由搅拌槽、搅拌器、挡板、进出料口等组成高速搅拌实现两相充分分散和传质控制系统澄清区域自动控制温度、、停留时间等参数43降低搅拌强度或设置静区使两相分离pH搅拌萃取器是最常用的萃取设备之一，具有结构简单、操作灵活、适应性强等优点但也存在能耗较高、易产生乳化、放大效应明显等缺点在设计时需要合理选择搅拌器类型、转速和槽体结构，以获得最佳的传质效果和分离性能萃取过程的主要工艺参数萃取剂用量萃取剂与料液的相比（）直接影响萃取效率和经济性相比过小导致萃O/A取不完全，过大则增加后续分离负担和成本最优相比需要通过萃取等温线确定接触时间充分的接触时间确保传质平衡，但过长的时间可能导致乳化一般接触时间为分钟，具体取决于物系性质和搅拌强度5-30操作温度温度影响分配系数、传质速率和萃取剂稳定性适当升温可提高传质速率，但需考虑萃取剂挥发和分解的风险搅拌强度合适的搅拌强度保证良好分散，促进传质过强的搅拌会造成严重乳化，影响相分离需要在传质效率和分离性能间找到平衡萃取过程的动力学基础界面传质阻力溶质必须克服相界面的传质阻力才能从一相转移到另一相界面传质系数和界面面积是关键参数，影响整体传质速率液膜扩散控制在萃取过程中，溶质需要通过相界面两侧的液膜层进行扩散当化学反应很快时，扩散往往成为控制步骤化学反应动力学当萃取伴随化学反应时，反应速率可能成为控制因素络合反应、酸碱反应的快慢直接影响萃取速率传质模型建立结合传质理论和反应动力学建立数学模型，用于预测萃取性能、优化操作条件和设备设计萃取过程的平衡计算基础物料平衡建立各组分在料液相和萃取相中的物料平衡方程，这是所有萃取计算的基础相平衡关系应用分配定律或平衡常数表达式，建立各相中组分浓度之间的关系求解方程组联立物料平衡和相平衡方程，求解各相中组分的平衡浓度性能评估计算萃取率、分离因子等性能指标，评估萃取效果以简单萃取为例设料液中溶质初浓度为₀，萃取后水相浓度为，有机相浓度C Cw为，相比为，则有物料平衡₀，相平衡联立Co RC=Cw+R·Co D=Co/Cw求解得萃取率η=D·R/1+D·R多级萃取计算举例萃取法与其他分离技术的比较分离方法能耗选择性设备投资适用范围萃取法低高中等液体混合物蒸馏法高中等高挥发性差异大色谱法中等很高高高价值小量产品离子交换低高中等离子型化合物膜分离中等中等中等分子量差异大萃取法在常温常压下操作，能耗低，选择性好，特别适合热敏性物质的分离与蒸馏相比避免了高温操作，与色谱相比适合大规模生产在工业应用中，常将萃取与其他分离技术联用，发挥各自优势膜分离技术与萃取的联用膜萃取预处理选择性萃取利用膜分离技术预处理料液，去除悬浮经过预处理的清液进行萃取分离，提高1物和大分子干扰物质，为后续萃取创造萃取选择性和效率，减少萃取剂消耗2良好条件废液处理膜浓缩回收4萃余液和洗涤液通过膜分离技术处理，萃取后的产品溶液通过反渗透或纳滤膜3回收有用组分，减少环境污染进一步浓缩，提高产品浓度和纯度膜分离萃取联用技术结合了两种方法的优点，在生物制药、环境治理、食品加工等领域显示出巨大潜力这种集成工艺能够显著-提高分离效率，降低能耗和废物产生，符合绿色化工发展趋势绿色萃取与环境友好型萃取剂离子液体超临界流体水性两相体系室温离子液体具有几乎为超临界₂是最常用的绿由聚合物或盐形成的水性CO零的蒸气压、宽的电化学色萃取介质，无毒、不易两相系统，避免了有机溶窗口、良好的热稳定性等燃、易回收在食品、医剂的使用特别适合生物特点可设计性强，能够药、天然产物提取中应用大分子的分离纯化针对特定分离任务调节其广泛性质可回收萃取剂开发易于回收和再生的萃取剂，如磁性萃取剂、pH响应性萃取剂等，减少萃取剂的消耗和环境影响微萃取与分析前处理固相微萃取SPME利用涂有萃取相的纤维从样品中萃取目标化合物操作简单，萃取和进样一体化，广泛用于环境和食品分析中挥发性和半挥发性化合物的检测液相微萃取LPME包括单滴微萃取、空心纤维液相微萃取等技术用微升级别的萃取剂实现高倍数富集，成本低，适合痕量分析搅拌棒吸附萃取SBSE在搅拌棒表面涂覆萃取相，萃取容量比大，适合低浓度化合物的富集SPME特别适用于水样中有机污染物的分析分散液液微萃取DLLME利用萃取剂和分散剂快速形成微乳体系，萃取时间短，富集倍数高在农药残留、药物分析等领域应用广泛超临界流体萃取简介临界条件将萃取介质加热加压至临界点以上，获得超临界流体状态萃取过程超临界流体与样品接触，溶解目标化合物实现萃取分离分离回收通过降压或升温使超临界流体恢复气态，析出萃取物介质回收萃取介质完全回收循环使用，实现绿色萃取过程超临界流体萃取技术以超临界₂最为常用，其密度接近液体，粘度接近气体，扩CO散系数介于气液之间，传质性能优异广泛应用于咖啡因脱除、啤酒花萃取、中草药有效成分提取等领域操作参数如温度、压力可方便调节溶剂化能力，实现选择性萃取分离效果评估指标95%回收率目标组分被萃取出的百分比，是评估萃取完全程度的重要指标

99.5%纯度萃取产品中目标组分的含量百分比，反映萃取选择性的好坏100分配系数溶质在两相中浓度比值，数值越大萃取效果越好50分离因子两个组分分配系数的比值，表征选择性分离能力的大小这些指标相互关联，共同反映萃取分离的效果高回收率保证了目标产品的收率，高纯度确保了产品质量，而分离因子则体现了萃取过程的选择性在实际应用中，需要根据具体要求在这些指标间寻求平衡，优化萃取工艺条件富集与分离案例海水中Ⅳ测定U仪器检测反萃取净化经过萃取富集后的样品可用萃取富集ICP-用稀硝酸或水将铀从有机相反萃取、荧光光谱等高灵敏度方法检样品预处理MS使用磷酸三丁酯（）煤油体到水相中，进一步去除干扰离子，测，实现海水中痕量铀的准确测定TBP-海水中铀浓度极低（约），系萃取Ⅳ在适当的硝酸浓度获得适合分析的样品溶液3μg/L U直接测定困难需要先调节至下，铀与硝酸形成可萃取的络合物，pH适宜范围，加入还原剂将铀转化为富集倍数可达倍100-1000Ⅳ价态，便于后续萃取操作U生物分离工程中的萃取发酵液处理细胞产物回收微生物发酵产生的抗生素、酶制剂、有机酸等生物活性物质需从细胞内提取的蛋白质、核酸、脂质等生物大分子具有重要价要从复杂的发酵液中分离纯化萃取法能够在温和条件下实现值萃取法可以根据分子大小、电荷性质、疏水性等特征实现高效分离，保持生物活性选择性分离常用的萃取体系包括聚乙二醇硫酸铵双水相体系、离子液体反胶束萃取技术在蛋白质分离中表现优异，能够在保持蛋白质/萃取等，避免了有机溶剂对生物分子的破坏活性的同时实现高效纯化，广泛应用于生物制药工业沉淀分离法简介萃取预富集先用萃取法富集目标离子，提高浓度便于沉淀1选择性沉淀2通过控制、添加沉淀剂实现选择性沉淀pH固液分离3过滤或离心分离沉淀物与母液产品精制4沉淀物洗涤、干燥或重溶解精制沉淀分离与萃取技术联用能够发挥两种方法的协同优势萃取法实现初步分离和富集，沉淀法完成最终产品的回收这种组合工艺在贵金属回收、稀土分离、污水处理等领域应用广泛，既提高了分离效率，又降低了操作成本色谱萃取联用技术-萃取预处理色谱精分离样品经萃取初步分离和富集，去除大部1萃取处理后的样品进入色谱系统，实现分干扰基质，减轻色谱柱负担2高分辨率分离和定量分析方法优化在线联用4优化萃取和色谱条件的匹配，实现最佳发展自动化在线萃取色谱联用系统，-3的整体分离效果提高分析效率和重现性这种联用技术在环境分析、食品安全、药物检测等领域应用广泛萃取法处理复杂基质，色谱法实现精确分离，两者结合大大提高了分析的准确性和可靠性现代仪器已经实现了萃取色谱的全自动化操作，显著提高了分析效率-工业规模萃取稀土分离1矿物分解稀土矿石经酸分解或碱分解得到含稀土离子的浸出液这一步骤需要控制好温度和酸度，确保稀土离子完全浸出2群分离采用萃取法将轻稀土和重稀土进行群分离常用萃取剂，利用P204不同稀土离子的萃取行为差异实现粗分离3单一分离在群分离基础上，进一步用等萃取剂进行单一稀土的分离需P507要采用多级逆流萃取，级数通常达到几十级甚至上百级4产品制备反萃取得到高纯度稀土溶液，经沉淀、煅烧等后处理得到稀土氧化物产品整个过程实现了以上纯度的稀土分离

99.9%精细化工中的萃取分离医药中间体纯化催化剂回收合成药物过程中产生的中间体往均相催化反应后，贵金属催化剂往含有多种杂质，需要通过萃取需要从产品中回收萃取法可以法进行纯化选择合适的萃取剂实现催化剂的高效回收，降低生和操作条件，可以有效去除副产产成本，减少贵金属损失物和催化剂残留产品精制有机合成产物的最终精制常采用萃取法去除极性杂质通过调节值和pH选择合适的溶剂体系，可以获得高纯度的产品实验室教学案例一实验准备配制含有⁺、⁺、⁺的混合溶液，准备羟基喹啉氯Fe³Cu²Zn²8-仿溶液作为萃取剂调节各种的缓冲溶液pH分步萃取在时萃取⁺，时萃取⁺，时萃取⁺pH=2Fe³pH=5Cu²pH=8Zn²每次萃取后用分液漏斗分离两相反萃取回收分别用不同浓度的盐酸将各金属离子从有机相反萃取回水相，实现金属离子的分离回收结果分析用原子吸收光谱或络合滴定法测定各相中金属离子浓度，计算萃取率和分离效果，验证理论计算结果实验室教学案例二反应产物处理酸碱萃取溶剂回收有机合成反应完成后，反利用产物的酸碱性质，用萃取使用的有机溶剂通过应混合物含有目标产物、稀酸或稀碱水溶液萃取离蒸馏回收再利用这不仅未反应原料、副产物和催子型杂质，用有机溶剂萃降低了成本，也符合绿色化剂需要通过萃取法进取中性产物，实现有效分化学的要求，减少了废溶行初步分离纯化离剂的产生纯度检验用薄层色谱、气相色谱或核磁共振等方法检验萃取纯化后产品的纯度，评估萃取效果并优化操作条件。