適讀人群 :本書適合于化學(xué)化工、材料、有色金屬冶煉、環(huán)境科學(xué)與技術(shù)、生物醫(yī)藥與食品等領(lǐng)域的大學(xué)生專業(yè)課程和研究生專業(yè)基礎(chǔ)課程的教學(xué)用書,更適合于這些領(lǐng)域的科學(xué)研究和技術(shù)開發(fā)人員閱讀和參考。
《分離化學(xué)與技術(shù)》的寫作特點:側(cè)重從化學(xué)的角度來闡述分離原理,從提升分離效率和降低分離成本的要求來討論分離技術(shù),以各相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用實例來體現(xiàn)分離的重要性和適用性。在內(nèi)容安排上,突出各分離方法的化學(xué)原理、技術(shù)特征以及其應(yīng)用進(jìn)展。內(nèi)容豐富,在傳統(tǒng)的萃取、吸附和色層、溶解與浸取、沉淀與結(jié)晶、膜分離等5大分離技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行了細(xì)致、全面的總結(jié),特別是在稀土資源的分離與利用方面有非常詳細(xì)的案例分析。同時對近年來的新的分離方法和技術(shù)也進(jìn)行了適當(dāng)?shù)慕榻B。
本書適合于化學(xué)化工、環(huán)境科學(xué)與工程、材料科學(xué)與工程、生物食品醫(yī)藥、分析檢測等學(xué)科的本科學(xué)生專業(yè)課和研究生專業(yè)基礎(chǔ)課教材。更適合于從事這些方面的研究人員和企業(yè)技術(shù)人員閱讀。
化學(xué)專業(yè)的學(xué)生和教師,從事化學(xué)研究及化學(xué)工程技術(shù)開發(fā)的專業(yè)技術(shù)人員除了需要有四大化學(xué)(無機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué))基礎(chǔ)知識外,還需要學(xué)習(xí)兩門更為基本和實用的專業(yè)基礎(chǔ)課程:合成化學(xué)和分離化學(xué)。因為化學(xué)工作者常做的兩件事主要是合成和分離。其中,合成是產(chǎn)生新物質(zhì)的基本途徑,而分離是獲取所需物質(zhì)的根本保證。而對于從事資源、冶金、材料、食品、醫(yī)藥、環(huán)保、分析檢測等領(lǐng)域的科技和工程人員,合成工作有所減少,但分離工作分量越來越重。
本書的撰寫是基于作者長期的工作積累以及未來科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要來開展的。筆者畢業(yè)于江西大學(xué)化學(xué)系,并留校任教。作為“稀有元素化學(xué)”課程的助教和“無機(jī)化學(xué)專業(yè)實驗”課教師,系統(tǒng)輔導(dǎo)了多個年級的課程學(xué)習(xí),熟悉各主要稀有元素的分離化學(xué)。并主講了堿分解黑鎢精礦制備仲鎢酸銨和三氧化鎢、氫還原制備鎢粉、離子交換法分離鐠釹、分液漏斗模擬串級萃取分離稀土、銅配合物穩(wěn)定常數(shù)的測定等幾個實驗。在科研上,跟隨賀倫燕和馮天澤老師開展離子吸附型稀土資源開采技術(shù)研究,完成了硫酸銨浸礦法提取稀土工藝的改進(jìn)與工業(yè)推廣應(yīng)用,碳酸氫銨沉淀法提取稀土工藝的研究與工業(yè)試驗。這些工作的核心內(nèi)容是稀有元素的分離化學(xué)與技術(shù),包括浸取、沉淀、離子交換和萃取。1985—1988年,在杭州大學(xué)攻讀碩士學(xué)位,師從倪兆艾教授,開展了稀土元素配位規(guī)律性研究,主要關(guān)注伯胺和開鏈冠醚對稀土的萃取機(jī)理和規(guī)律性研究,也開展了一些固體配合物的合成與表征內(nèi)容;2000—2003年,赴南京大學(xué)攻讀博士學(xué)位,師從游效曾院士,側(cè)重稀土功能配合物的合成與表征研究。從教35年來,一直從事以稀土為主要對象、以分離和配位為主要內(nèi)容的教學(xué)與科研工作。工作的特色領(lǐng)域是稀土濕法冶金與環(huán)境保護(hù)、稀土微納米材料。
分離科學(xué)與技術(shù)是化學(xué)化工、冶金環(huán)保、醫(yī)藥衛(wèi)生等領(lǐng)域的科學(xué)基礎(chǔ),在新材料、新能源、新生活等高新技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮了十分重要的作用。本書是基于我們長期以來在分離化學(xué)與技術(shù)方面的教學(xué)經(jīng)驗和研究成果,并結(jié)合國內(nèi)外這一領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展要求來組織編纂的。與現(xiàn)行已經(jīng)出版的一些與分離相關(guān)的專著和教材相比,本書側(cè)重于從化學(xué)的角度來闡述分離原理,從提升分離效率和降低分離成本的要求來討論分離技術(shù),并以各相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用實例來體現(xiàn)分離的重要性和適用性。在內(nèi)容安排上,突出了各分離科學(xué)的化學(xué)原理、技術(shù)特征及其應(yīng)用進(jìn)展,而對設(shè)備和工程化的內(nèi)容只做了一般介紹。
本書一共包括7章內(nèi)容。第1章為緒論,第2~6章分別為溶劑萃取分離、吸附和色譜及離子交換分離、溶解與浸取分離、沉淀與結(jié)晶分離、膜分離5個主體分離技術(shù)領(lǐng)域,第7章著重討論新型分離技術(shù)及其發(fā)展問題。各章節(jié)的初稿分別由李永繡(第1章)、劉艷珠(第2、7章)、周雪珍(第3、6章)和周新木(第4、5章)完成,最后由李永繡進(jìn)行修改和定稿。在編纂和修改過程中,本實驗室的楊麗芬、周晨、劉笑君、高紅巖、王春波等研究生也參加了素材采集、圖片制作等工作。本書適合作為化學(xué)化工、環(huán)境科學(xué)與工程、材料科學(xué)與工程、生物食品醫(yī)藥、分析檢測等學(xué)科的本科學(xué)生專業(yè)課和研究生專業(yè)基礎(chǔ)課教材,更適合于從事這些方面的研究人員和企業(yè)技術(shù)人員閱讀。
本書作為南昌大學(xué)的研究生教材,列入南昌大學(xué)研究生院的優(yōu)秀研究生教材出版計劃并獲得了經(jīng)費支持。同時也獲得了南昌大學(xué)稀土與微納功能材料研究中心、江西省稀土材料前驅(qū)體工程實驗室的資助。本書的完成得到了國內(nèi)許多同行的支持和幫助,在此一并表示衷心的感謝。本書的撰寫還得益于近幾年我們在承擔(dān)的科技部973課題“稀土資源高效利用和綠色分離的科學(xué)基礎(chǔ)”(2012CBA01204)、科技部支撐計劃課題“離子吸附型稀土高效提取與稀土材料綠色制備技術(shù)”(2012BAE01B02)、國家自然科學(xué)基金項目“風(fēng)化殼中稀土元素三維空間分布與注入液體流動方向的基礎(chǔ)研究”(51274123)的研究成果。
由于作者水平有限,書中肯定存在著一些不足,懇請讀者能夠及時指出,以便我們做進(jìn)一步的改進(jìn)和提高。
李永繡
2017年11月6日
于南昌大學(xué)前湖校區(qū)
第1章 概論 001
1.1 分離的概念與重要性 001
1.2 分離的基本要素及分離技術(shù)研究的主要任務(wù) 002
1.3 分離過程的分類 004
1.3.1 機(jī)械分離 004
1.3.2 傳質(zhì)分離 005
1.3.3 分離化學(xué)與技術(shù) 006
1.4 現(xiàn)代分離技術(shù)與新型分離技術(shù)的發(fā)展 006
1.4.1 基于傳統(tǒng)分離方法的新型分離技術(shù) 008
1.4.2 基于材料科學(xué)的發(fā)展形成的分離技術(shù)——膜分離技術(shù) 010
1.4.3 基于多種分離方法耦合與集成的新型分離技術(shù) 011
1.5 選擇分離技術(shù)的一般規(guī)則 012
1.5.1 選擇的基本依據(jù) 012
1.5.2 過程的經(jīng)濟(jì)性 014
1.5.3 組合工藝排列次序的經(jīng)驗規(guī)則 014
1.6 分離技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用 015
1.6.1 冶金分離與材料制備 015
1.6.2 有機(jī)化學(xué)合成與藥物分離 016
1.6.3 環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的廢水廢氣處理 016
1.7 現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)與本書的內(nèi)容安排 016
參考文獻(xiàn) 017
第2章 溶劑萃取分離 019
2.1 概述 019
2.1.1 溶劑萃取技術(shù)及其重要性 019
2.1.2 溶劑萃取的基本原理和過程 020
2.1.3 液液萃取平衡及相關(guān)的參數(shù) 021
2.2 溶劑萃取化學(xué) 027
2.2.1 物理萃取和化學(xué)萃取 027
2.2.2 物理萃取中的化學(xué)問題 028
2.2.3 化學(xué)萃取中的萃取劑 034
2.2.4 極性有機(jī)化合物萃取分離的化學(xué)問題 041
2.2.5 金屬離子萃取分離及其配位化學(xué) 048
2.2.6 萃取過程動力學(xué) 059
2.3 萃取過程的界面化學(xué)與膠體化學(xué) 063
2.3.1 萃取體系的界面性質(zhì) 063
2.3.2 界面現(xiàn)象與傳質(zhì) 064
2.3.3 萃取體系中膠體組織的生成及影響 064
2.3.4 溶劑萃取中微乳狀液(ME)的生成及對萃取機(jī)理的解釋 067
2.3.5 乳化的形成及其消除 068
2.3.6 萃取過程三相的生成與相調(diào)節(jié)劑 070
2.3.7 稀釋劑與相調(diào)節(jié)劑的選擇 071
2.4 萃取分離技術(shù)的應(yīng)用 074
2.4.1 金屬離子萃取分離 074
2.4.2 有機(jī)化合物的萃取與分離 094
2.5 串級萃取理論與工藝 096
2.5.1 萃取分離的基本過程 096
2.5.2 串級萃取及方式 097
2.5.3 串級萃取理論 100
2.5.4 稀土串級萃取工藝的應(yīng)用與提升 111
2.6 萃取分離的未來發(fā)展 119
參考文獻(xiàn) 119
第3章 吸附、色譜及離子交換分離 122
3.1 概述 122
3.1.1 定義 122
3.1.2 吸附的類型及特性 123
3.1.3 影響吸附的因素 124
3.2 吸附劑及其結(jié)構(gòu)與性能 125
3.2.1 吸附分離常用吸附劑 126
3.2.2 色譜分離用固定相與流動相 129
3.2.3 離子交換分離的離子交換劑 130
3.3 吸附分離化學(xué)與技術(shù) 135
3.3.1 吸附平衡熱力學(xué)與吸附等溫線方程 135
3.3.2 固液吸附動力學(xué) 138
3.3.3 吸附分離工藝 140
3.3.4 吸附分離技術(shù)的應(yīng)用舉例 146
3.4 色譜分離技術(shù) 151
3.4.1 定義與特點 151
3.4.2 色譜分離的分類 152
3.4.3 幾種常用色譜分離的特點 153
3.4.4 色譜理論及表示 156
3.4.5 色譜流出曲線與參數(shù) 159
3.4.6 生產(chǎn)規(guī)模氣液色譜及其應(yīng)用 165
3.4.7 大規(guī)模固液吸附色譜及其應(yīng)用 167
3.5 離子交換分離 170
3.5.1 概述 170
3.5.2 離子交換過程機(jī)制 171
3.5.3 離子交換分離技術(shù) 176
3.5.4 離子交換分離技術(shù)的應(yīng)用 180
參考文獻(xiàn) 189
第4章 溶解與浸取分離 191
4.1 溶解和浸取的基本概念及分類 191
4.1.1 基于浸取過程化學(xué)反應(yīng)和浸取試劑的分類方法 191
4.1.2 原料及中間產(chǎn)品與可供選擇的浸取方法 192
4.1.3 浸取效果的計算 193
4.2 溶解和浸取過程化學(xué)基礎(chǔ) 193
4.2.1 熱力學(xué) 193
4.2.2 動力學(xué) 195
4.3 溶解與浸取分離 201
4.3.1 水溶解反應(yīng)與水浸取 201
4.3.2 電解質(zhì)離子交換浸取 202
4.3.3 酸溶解反應(yīng)與酸浸取 207
4.3.4 堿溶解反應(yīng)與堿浸取 211
4.3.5 配位溶解反應(yīng)與配位浸取 216
4.3.6 氧化還原溶解反應(yīng)與浸取 220
4.3.7 多種溶解反應(yīng)的相互促進(jìn)浸取 221
4.3.8 生物浸取 222
4.4 溶解與浸取分離的發(fā)展 225
參考文獻(xiàn) 225
第5章 沉淀與結(jié)晶分離 227
5.1 概述 227
5.2 沉淀與結(jié)晶分離化學(xué) 228
5.2.1 溶解平衡與溶度積規(guī)則 228
5.2.2 沉淀與結(jié)晶的生成 230
5.2.3 沉淀的膠體特征及其穩(wěn)定與聚沉 238
5.3 沉淀與結(jié)晶分離技術(shù) 245
5.3.1 基于金屬離子氫氧化物沉淀的分離 245
5.3.2 基于金屬離子硫化物沉淀的分離技術(shù) 249
5.3.3 基于金屬離子草酸鹽沉淀的分離方法 250
5.3.4 基于金屬碳酸鹽沉淀的分離技術(shù) 254
5.3.5 基于金屬鹵化物的沉淀結(jié)晶分離技術(shù) 265
5.3.6 基于膠體聚沉的蛋白質(zhì)和生物活性物的沉淀分離技術(shù) 266
5.3.7 基于有機(jī)物沉淀法的金屬選擇性沉淀分離 268
5.3.8 結(jié)晶分離技術(shù)及其應(yīng)用 269
5.4 沉淀結(jié)晶分離技術(shù)的發(fā)展 273
5.4.1 新試劑與新技術(shù) 273
5.4.2 從單純的分離功能提升到材料制備功能 274
參考文獻(xiàn) 275
第6章 膜分離 277
6.1 膜材料 277
6.1.1 膜的定義 277
6.1.2 膜分離技術(shù)的發(fā)展歷史 278
6.1.3 膜的分類及特性 278
6.1.4 膜的制備 282
6.1.5 膜材料及分離原理 285
6.1.6 膜材料的性能表征 299
6.1.7 膜組件 300
6.1.8 膜分離過程的概念、分類和適用范圍 304
6.2 反滲透、納濾、超濾與微濾 305
6.2.1 反滲透 306
6.2.2 納濾 310
6.2.3 超濾 311
6.2.4 微濾 316
6.3 氣體滲透、滲透汽化與膜基吸收 318
6.3.1 氣體分離 319
6.3.2 滲透汽化及蒸汽滲透原理 320
6.3.3 膜基吸收 322
6.4 透析、電滲析與膜電解 324
6.4.1 透析(滲析) 324
6.4.2 電滲析與膜電解 327
6.4.3 雙極膜水解離 337
6.5 膜分離技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展 342
6.5.1 膜法水處理技術(shù) 342
6.5.2 膜法食品加工技術(shù) 343
6.5.3 膜分離技術(shù)的發(fā)展 345
參考文獻(xiàn) 346
第7章 新型分離技術(shù) 348
7.1 新型萃取技術(shù) 348
7.1.1 超臨界流體萃取 348
7.1.2 雙水相萃取 352
7.1.3 液膜萃取 353
7.1.4 反膠束萃取 355
7.1.5 液相微萃取 356
7.1.6 固相微萃取 356
7.1.7 微波萃取 357
7.1.8 超聲波萃取 357
7.1.9 預(yù)分散溶劑萃取 357
7.1.10 凝膠萃取 358
7.1.11 離子液體萃取 358
7.1.12 膜基溶劑萃取 359
7.2 新型精餾技術(shù) 359
7.2.1 恒沸精餾 359
7.2.2 反應(yīng)精餾 360
7.2.3 分子精餾 362
7.3 泡沫分離技術(shù) 363
7.3.1 原理及方式 363
7.3.2 影響泡沫分離的因素 366
7.4 分子識別與印跡分離 368
7.4.1 分子識別特征 368
7.4.2 分子識別體系 369
7.4.3 分子識別的熱力學(xué)基礎(chǔ)以及印跡分離選擇性 372
7.4.4 分子印跡分離技術(shù) 373
7.5 基于多種分離方法耦合與集成的新型分離技術(shù) 374
7.5.1 反應(yīng)-分離的耦合與集成過程 374
7.5.2 分離-分離的集成過程 379
參考文獻(xiàn) 380