Методы, основанные на различиях в распределении вещества между фазами

Методы, основанные на образовании новой фазы

К этой группе методов относятся методы, при реализации которых происходит образование новой фазы. Она включает осаждение и кристаллизацию, вымораживание (твердая фаза)^*; отгонку, упаривание, дистилляцию и ректификацию (газ); вымораживание и селективное растворение (жидкость). Твердая фаза выделяется из жидкой и газообразной, газообразная – из жидкой и твердой, жидкая – газовой и твердой смеси Применимость и важность, входящих в эту группу методов, различна. Наибольшее практическое применение находят методы выделения из растворов в виде твердой и газообразной фазы – осаждение, кристаллизация, отгонка и дистилляция. Методы испарения (простая отгонка, вакуум-отгонка, отгонка в потоке водяного пара или инертного газа, молекулярная дистилляция, отгонка с химическим превращением) находят широкое применение при концентрировании органических соединений. Процессы вымораживания из жидкой и газовой фазы, также как селективное растворение твердой смеси, применяют значительно реже и узконаправленно.

Методы разделения, основанные на образовании выделяемым компонентом новой фазы

Агрегатное состояние исходной смеси веществ (фазы)	МКиР, если выделяющаяся фаза
Твердое тело	Газ	Жидкость
Жидкость	Осаждение, кристаллизация, вымораживание	Отгонка, упаривание, дистилляция, ректификация	-
Газ	Вымораживание	-	Вымораживание
Твердое тело	-	Возгонка, отгонка в парах реагента	Селективное растворение

По природе используемого процесса разделения осаждение, реакционная отгонка и селективное растворение относятся к химическим методам, а кристаллизация, вымораживание, отгонка, упаривание, дистилляция, ректификация – физическим методам, в основе которых лежат фазовые переходы вследствие изменения температуры.

Характерным признаком методов, входящих в эту группу, является наличие системы фаз и способ осуществления распределения.

Эта группа включает статическую и динамическую сорбцию, соосаждение, зонную плавку и направленную кристаллизацию, твердофазную (жидкость – твердая), жидкостную (жидкость – жидкость), газовую (жидкость – газ) и флюидную (сверхкритический флюид –жидкость или твердое тело) экстракцию, а также адсорбцию (газ – твердое) и абсорбцию (газ – жидкость). К этой же группе относятся различные виды хроматографии.
В данных методах межфазовое распределение может быть осуществлено различными способами – одно- и многократным его повторением, хроматографическим.

Методы, основанные на различиях в межфазовом распределении вещества

Система фаз, участвующих в распределении	МКиР и способы осуществления распределения
однократный	многократный	хроматографический
Жидкость – твердое тело	Соосаждение, статистическая сорбция, твердофазная экстракция	Многократная перекристалли-зация, (зонная плавка и направ-ленная крис-таллизация), динамическая сорбция.	Жидкостно-твердофазная (ионообменная, адсорбционная, гель- проникающая, аффинная) хроматография
Жидкость – жидкость	Экстракция	Многоступенчатая экстракция	Жидкостно-жидкостная) хроматография
Жидкость - газ	Газовая экстракция, абсорбция	Динамическая сорбция (барботаж)	Газожидкостная и жидкостно-жидкост- ная хроматография
Газ – твердое тело	Статистическая адсорбция	Динамическая адсорбция	Газоадсорбционная хроматография
Флюид -твердое тело (жидкость)	Сверхкритическая флюидная экстракция	-	Сверхкритичес-кая флюидная хроматография

Общей характеристикой всех методов этой группы является коэффициент распределения К_d. Его величина характеризует массоперенос. Нельзя его изменить, не изменяя природы или объема хотя бы одной фазы, участвующей в распределении. Многоступенчатые и хроматографические способы осуществления методов позволяют провести указанные изменения и, как следствие, изменить распределение.

Методы, основанные на индуцированном переходе из одной фазы в другую через разделяющую их третью фазу (мембранные методы)

Массоперенос и распределение можно изменить искусственным путем, оказывая воздействие соответствующей силой. В роли последней может быть градиент химического или электрохимического потенциала, давления, температуры и т.д. В общем случае в этих методах происходит перенос вещества из одной фазы в другую через разделяющую их третью фазу, которая выполняет роль перегородки, мембраны. Часто методы этой группы называют мебранными. Они лежат в основе разделения в объектах живой природы.

Мембранные методы разделения

Система фаз	МКиР. Движущая сила процесса разделения-градиент
химического потенциала (диффузионные методы)	электрохимичес-кого потенциала (электро- мебранные методы)	давления (баромембран-ные методы)
Жидкость – Ж- жидкость	диализ через жидкие мембраны	электродиализ через жидкие мембраны	-
Жидкость – Тв. т. – жидкость	диализ, доннановский диализ	электродиализ, электроосмос	микро- и ультра-фильтрация, обратный осмос, пьезодиализ
Жидкость – Тв. т. – газ	испарение через мембрану	-	-
Газ –Тв. т. – газ	газодиффузное разделение	-	микро- и ультра-фильтрация

Наряду с системой фаз, эти методы различают по движущей (индуцирующей) силе межфазового процесса. Если переход вещества обусловлен градиентом химического потенциала, то эти методы по своей природе являются диффузионными, градиентом электрохимического потенциала - электромембранными и градиентом давления – баромембранными, К диффузионным методам относятся диализ через жидкие мембраны в системе жидкость – жидкость - жидкость, диализ и доннановский диализ в системе жидкость - твердое тело – жидкость, испарение через мембраны в системе жидкость – твердое – газ, а также газодиффузное разделение в системе газ – твердое - газ. Электромебранные методы включают электродиализ через жидкие и твердые мембраны, а также электроосмос. К баромембранным методам принадлежат микро- и ультрафильтрация, обратный осмос и пьезодиализ, осуществляемые через твердые мембраны в системе из двух жидких или газовых фаз. Мембранные методы отличает простота и компактность аппаратуры, легкая возможность организации непрерывности процесса и автоматизации, большая производительность экологическая чистота. В аналитической практике эти методы эффективны при пробоподготовке в потоке. Наибольшее применение находят диффузионные методы. Они лежат в основе активно развиваемого парофазного анализа. В нем с помощью пористых гидрофобных мембран происходит отделение газового экстракта от анализируемого водного раствора. Все более интенсивно исследуются и находят применение биологические мембраны. Это связано с развитием биологических методов анализа качества воды.

Методы внутрифазового разделения

В эту группу входят методы, основанные на различиях в свойствах ионов, атомов или молекул, проявляющихся в пределах одной гомогенной системы при воздействии электрического, магнитного, теплового полей и центробежных или гравитационных сил. Разделение достигается за счет различий в пространственном перемещении частиц. В некоторых случаях используется совокупность воздействий нескольких полей.

Агрегатное состояние мембраны	Действующее поперечное поле или сила. МКиР.
электри-ческое поле	электри-ческое и магнитное поле	центробеж-ная сила или гравитаци-онное поле	тепловое поле	механичес- кое переме- щение
Жидкость	электрофорез (электромиг- рация), ЭППФ	-	ультрацен-трифугиро-вание, СППФ	ТППФ	ПППФ
Газ (вакуум)	электри-ческое	масс-сепарация	ультрацен-трифугиро-вание	-	-

Различия в скорости перемещения указанных частиц определяются их массой, размерами, зарядом, энергией взаимодействия с компонентами окружающей среды. Данная зависимость лежит в основе электрофоретических, сепарационных методов и ультрацентрифугирования.
Влияние поля проявляется также в ППФ-методах, называемых как проточное фракционирование в поперечном поле. Аббревиатура ППФ происходит от сочетания слов поле – поток – фракционирование. В англоязычной литературе эти методы называют FFF-методами, соответственно от слов: field – flow – fraction.
В этих методах используется перпендикулярно направленное воздействие соответствующего поля на однофазовый поток в узком канале-капилляре. Воздействующее поле может быть гравитационным СППФ, термическим ТППФ, электрическим ЭППФ, гидродинамическим ПППФ. В результате действия поля одни частицы смещаются из объема потока к одной из стенок канала и движутся медленнее, чем те, которые меньше смещены или совсем не смещены. Вещества выходят из канала с различными временами удерживания. Как следствие, происходит фракционирование. Изменение концентрации компонентов в выходящем потоке отражает кривая, называемая фрактограммой; она аналогична хроматограмме. По этой причине эту группу методов иногда называют однофазной хроматографией, хотя по природе процессов, вызывающих разделение, данные методы и хроматография ничего общего не имеют.
Любой из указанных методов этой группы характеризуется природой воздействующего на разделяемые компоненты поперечного поля и сил, а также агрегатного состояния фазы, в которой происходит разделение.

Для ППФ-методов используются устройства, отличающиеся сложностью аппаратурного решения и функционирования. Их применение оправдано, если другие решения разделения и анализа более сложны или невозможны. Из ППФ-методов наиболее известны и широко применяются электрофорез и масс-сепарация. С их помощью успешно проводится разделение веществ по размерам и конфигурациям молекул. Большинство из ППФ-методов решает некоторые частные задачи. Так ультрацентрифугирование позволяет преимущественно провести обогащение изотопов урана, фракционирование макромолекул органических веществ.

Дата добавления: 2014-01-07