分離過程

分離過程分為平衡分離過程和速率控制分離過程兩大類，而平衡分離過程義分為添加能量型和添加物質型。 ^[1] 

對於分離因子不大而需採用多級分離過程時，考慮到能量消耗的高低，應首先選擇平衡分離過程，再選擇速率控制過程。平衡分離過程中，若欲達到相同的分離效果，採用能量分離劑比採用物質分離劑的總能量消耗低，這是因為：一方面，物質分離劑將不斷損耗而需補充新的分離劑；另一方面，使用物質分離劑的過程引入了另一組分，此組分又必須從一個產品中除去(再生)而循環使用，換言之，加入的物質分離劑終將以消耗能量的形式得以再生。例如，在丙烷一丙烯一丙二烯混合物的分離過程中，首先選擇蒸餾、萃取一蒸餾次之、萃取再次之。

對於分離因子接近於1，且要求產品純度十分高的分離過程，應優先考慮色層分離，這是因為這種方法可在一個裝置中提供更多的分離級，而經濟性也很好。對於分離因子較大的系統，可採用單級或級數不多的分離過程，如應優先考慮速率控制分離過程，這樣可避免在每一級都要添加相同能量或物質的缺點。例如，海水淡化採用反滲透，果汁濃縮採用超濾等。

能量消耗的角度出發，在各類分離過程中，精餾操作是較為經濟的。由於精餾過程不加入有污染作用的質量分離劑，且可在一個設備內分為多級。因此，精餾一般是優先考慮的分離過程，只有當產品對熱不耐受（如產品因受熱變質、變色、聚合等）、分離因子接近於1或需要苛刻的精餾條件時（如塔板數過多、壓力過高等），才改用其他操作。另外，由於目前全球倡導低碳經濟，且因能源短缺導致企業能耗成本不斷上漲，共沸精餾、萃取精餾、萃取和變壓吸附等低能耗的分離過程的應用有明顯增加的趨勢，此外結晶和離子交換也有一定程度的增加。

依據被分離混合物中各組分在不互溶的兩相平衡體系分配組成不等的原理進行分離的過程叫做平衡分離過程。

分離媒介可以是能量媒介如熱和功或物質媒介如溶劑和吸附劑，有時也可兩種同時應用。下表列出了常用的基於平衡分離的分離過程。如：蒸發、蒸餾、吸收、萃取、結晶等。

在某種推動力（濃度差、壓力差、温度差、電位差等）的作用下，利用被分離組分在均相中的傳遞速率差異而實現組分的分離稱為速率分離過程。這類過程所處理的原料和產品通常屬於同一相態。僅有組成上的差別，例如利用溶液中分子、離子等粒子的遷移速率和擴散速率等的不同來進行分離。

如圖1所示為典型的速率分離過程，如：滲透、色譜分離、熱擴散、膜電解等，其分離劑大多為壓力或温度。在同一液或者固一氣系統巾，當固體顆粒較小、兩相密度接近時，顆粒上浮或下沉速率會很低，需藉助離心力甚至超高速離心力米分離，或通過滲透膜強化其速率差來實現分離；當粒子尺寸小到與分子的大小相當時，還必須採用其他推動力。

膜分離過程是指在一定的傳質推動力下。利用膜對不同物質的透過性差異，對混合物進行分離的過程。膜分離過程按推動力不同，可分為壓力差、濃度差、電勢差等為推動力的膜過程。按分離系統的狀態，可分為氣體膜分離過程、液體膜分離過程等。幾種已在工業中使用的膜分離過程及其特性見下表：

各種膜分離過程儘管具有不同的機理和適用範圍，但有許多共同的特點：

（1）多數膜分離過程無相變發生，能耗通常較低；

（2）膜分離過程一般無須從外界加入其他物質，可節約資源和保護環境；

（3）膜分離過程可使分離與濃縮、分離與反應同時實現，大大提高了分離效率；

（4）膜分離過程通常在温和條件下進行，因而特別適用於熱敏性物質的分離、分級、濃縮與富集； ^[2] 

（5）膜分離過程應用範圍廣；

（6）膜分離過程的規模和處理能力可在很大範圍內變化，而它的效率、設備單價、運行費用等都變化不大。

根據被分離物（溶質）粒子的大小及所用膜的結構。可以將壓力差為推動力的膜分離過程分為四類：微濾、超濾、納濾和反滲透。它們構成了一個可分離固態微粒到離子的四級分離過程。

（1）超濾與微濾

超濾和微濾都是成熟的膜分離技術，已廣泛應用於化工、醫藥、輕工、機械電子和環保等領域。其中微濾是目前應最廣泛的膜分離過程。

一般來説，超濾用於截留大分子溶質，而允許低分子溶質和溶劑通過，從而將大分子和小分子物質分開；微濾是將膠體或更大尺寸的微粒同真溶液分開。超濾和微濾過程有諸多相似之處。多數情形下兩者只有量的差別，而無質的差別。

①超濾膜和微濾膜

描述超濾膜的重要參數是透過和截留性能。其中透過性能以純水的透過速度表示，而截留性能以截留相對分子質量表示。截留相對分子質量為膜對物質截留達到90%時所對應物質的相對分子質量。一般商品超濾膜的截留相對分子質量為幾百至幾百萬。

描述微濾膜的重要參數為孔徑，常見的商品微濾膜的孔徑一般在0.02μm至幾十微米。但是，孔徑相同的膜性質也可能不同．有時還要考慮表面孔隙率、孔結構狀態、最大孔徑、孔徑分佈、親（疏）水性等性質。

②超濾和微濾傳質機理

超濾和微濾是簡單的篩分過程。溶質或懸浮物料按微粒或分子大小不同而分離，比膜的物質和溶劑（水）一起透過膜，而較大的物質則被截留。膜是多孔性的，膜內有很多孔道，水以滯流方式在孔道內流動，因而服從Hagen—Poiseuille方程。

微孔濾膜的截留機理大體可分為表面截留和深層截留。表面截留可通過三種方式實現：a、機械截留，指膜可以截留比它孑L徑大或與孔徑相當的微粒等雜質，即篩分作用；b、吸附截留，包括吸附和電性質等各種因素的影響；c、架橋截留，即在孔的入口處，微粒因架橋作用被截留。深層戡留過程中微粒並非被截留在膜的表面，而是在膜的內部。

③超濾和微濾工藝流程

超濾和微濾的操作方式有問歇式和連續式兩種，間歇式常用於小規模生產，濃縮速度快，所需面積小。

超濾和微濾工藝流程多種多樣，按運行方式分為循環式、連續式和部分循環連續式，按組件組合排列形式分為一級一段、一級多段和多級等。原料液升壓後一次通過超濾組件，稱為一級一段；如果濃縮液直接進入下游組件，稱為一級二段；同理，如果第二段的濃縮液再直接進人下游組件，則稱為一級三段；其餘段數以此類推。如果透過液經升壓後進入下游組件，稱為二級；其透過液如果經再次升j矗送人下游組件，稱為三級；其餘級數以此類推。

（2）反滲透和納濾

反滲透是最早工業化和最成熟的膜分離過程之一。反滲透的工業應用是從海水、苦鹹水的脱鹽開始的。現在又許多新的應用。納濾是新近發展起來的介於反滲透和超濾的壓力驅動膜分離過程，困其能夠截留納米級物質，故得名。

圖2形象地表示出滲透與反滲透現象。開始階段，鹽水放在左側，純水放在右側。中間是緻密，兩側壓力相同。緻密膜只允許水通過，而不允許鹽通過。由於膜兩側的水化學勢不相等，水從右側滲透進入左側的鹽水中，引起鹽水的稀釋，達到平衡時，左側的壓力為P1，右側的壓力為P2，壓力差ΔP=P1一P2稱為滲透壓。滲透壓是反滲透過程非常重要的數據。

對於分離過程來説，滲透過程似乎沒有用途，因為溶劑在朝着“錯誤”的方向傳遞，導致混合而不是分離。然而，溶劑通過膜的傳遞方向可以逆轉，如圖2（C）所示，在膜左側施加壓力P1，使P1一P2>ΔP。此時左側鹽水中的水就會通過膜傳遞到右側的純水中，鹽水中的鹽濃度增大。這種現象叫反滲透。

分離方法的分類有多種方式，但是有些分類方式並不十分嚴格，這是由於有些分離方法涉及兩種以上的機制；每一種分離方式無非是以下三個過程的單獨、同時或依次進行的過程：①化學轉化；②兩相中的分配；③相的物理分離。按照分配和相分離之間的關係來研究分離就產生多種分離模式。

1、間歇分離 這是最簡單的分離模式。它只涉及兩相之間的單次分配平衡過程、這種模式適合於將被分離的物質濃集在一相中，例如預濃集這種分離方式，就是由於平衡常數的不同，被被物質完全轉移至體積很小的一相間歇分離的例子如單次溶劑萃取、共沉澱、沉澱和電沉積等。它們的分離效率的高低主要決定於通過初步的化學轉換，以生成具有實現分離所需要的衍生物。

2、多級間歇分離 當簡單的間歇分離不能實現定量轉移時，可採用多級間歇分離。多級間歇分離，即分配→相分離→分配→相分離，例如對水相中的某一組分，用新鮮溶劑重複萃取，直至完全。對於溶解度類似的組分，應採取更復雜的所謂“非連續的逆流萃取方法”，但是必須使用專門的儀器，這種分離可達250 次以上的間歇分離。

3、連續分離 這是一種極其重要的分離技術，它包括了所有色譜技術。分餾也屬於一種連續分離技術，色譜技術是分離性質極為相似的物質的強有力手段。對於大多數色譜技術，分離與檢測在線進行。

4、捕集技術 這種技術十分類似於色諧技術，只是被分離物質最初被捕集於固定相。為此，樣品本身常常是“流動相”，對於與固定相有較大的親和力的組分，就會從體積較大的流動相濃集到小體積的固定相之中。然後，改變條件，使濃集的組分迅速地從固定相釋放至小體積流動相之中。這實際上是痕能約1分的預濃集過程，例如，用吸附劑濃集水及大氣中的痕量有機化合物以及用離子交換劑濃集水中離子等。