第一篇:新型化工塔填料概述 天津大學(xué)傳質(zhì)作業(yè)(共)
一、前言
塔器作為汽-液及液-液之間進(jìn)行傳質(zhì)與傳熱的重要設(shè)備,廣泛應(yīng)用于煉油、石化、精細(xì)化工、化肥、農(nóng)藥、醫(yī)藥、環(huán)保等行業(yè)的物系分離,涉及蒸(精)餾、吸收、解吸、汽提及萃取等化工單元操作。塔器分為板式塔和填料塔兩種。板式塔通常結(jié)構(gòu)較為簡單,易于放大,造價較低;但板式塔普遍存在效率較低,壓降較高,持液量大等缺點。為了解決這種問題,填料塔應(yīng)運而生,填料塔近年來發(fā)展很快,尤其是隨著各種新型填料及其它新型塔內(nèi)件開發(fā)成功,應(yīng)用填料塔似乎成了一種潮流。與傳統(tǒng)的板式塔相比,填料塔具有生產(chǎn)能力大、分離效率高、壓降小、操作彈性大、持液量小等優(yōu)點,而且新型填料、新型塔內(nèi)件的開發(fā)應(yīng)用和基礎(chǔ)理論研究的不斷深入,使填料塔的放大效應(yīng)取得了實質(zhì)性的突破,填料塔在化工企業(yè)得到了很好的應(yīng)用,使其與板式塔的競爭變得更為激烈。
二、適用范圍
填料塔應(yīng)用范圍極廣,相對于板式塔更適用于以下工況:①傳質(zhì)速率受氣膜控制的系統(tǒng)以及要求持液量小、停留時間短、壓降小的物系;②有腐蝕性、熱敏性、易起泡沫及粘性物料的條件;③難分離物系及產(chǎn)品純度要求很高的場合;④與高效液體分布器相匹配,還可適用于10:1以上的高操作彈性條件。主要應(yīng)用領(lǐng)域有:①煉油廠常減壓塔,氣體分離塔,催化裂化吸收穩(wěn)定系統(tǒng)、脫硫塔、烷基苯分餾塔等;②乙烯裝置汽油分離塔、乙烯/苯乙烯精餾塔的改造及其他石油化工產(chǎn)品的加工;③化肥行業(yè)脫硫、脫碳、再生塔、熱水飽和塔、尿素除塵塔等;④天然氣分離裝置、空氣分離裝置;⑤制藥、食品、環(huán)保、精細(xì)化工等行業(yè)。近幾年來,蒸餾裝置發(fā)展趨勢是現(xiàn)代填料塔逐步取代傳統(tǒng)填料塔,并部分取代大型板式塔,國外有專家預(yù)言,不就的將來采用規(guī)整填料將成為蒸餾操作唯一可取的途徑。
三、新型散裝填料介紹
散裝填料是具有一定幾何尺寸的顆粒體,在塔內(nèi)以散堆方式堆積。近年一些新型高效散裝填料的出現(xiàn)以及在一些行業(yè)的成功應(yīng)用,如環(huán)保行業(yè)從煙氣中除去HC1和S02等,說明散裝填料將在某些領(lǐng)域得到新的發(fā)展。另外,國內(nèi)外最新的研究工作表明,在液液萃取、液氣比很大的吸收和高壓精餾的情況下,應(yīng)用散裝填料的操作性能優(yōu)于規(guī)整填料和塔盤。因此在合成氨的氣體凈化、石油化工和焦化等領(lǐng)域,散裝填料得到了廣泛的應(yīng)用。
NJT型階梯環(huán)填料
第一代NJT型瓷質(zhì)階梯環(huán)(井)和瓷質(zhì)階梯環(huán)(米)填料較目前國內(nèi)普遍使用的瓷質(zhì)拉西環(huán)填料和瓷質(zhì)矩鞍填料具有通量大、阻力小、效率高、操作范圍寬等優(yōu)點。該填料早在1984年通過了原化工部科技局技術(shù)鑒定。它是一種綜合性能較好的填料,可以在化工生產(chǎn)中,特別是在硫酸裝置的吸收塔中推廣應(yīng)用。在老廠挖潛改造中可以增加設(shè)備生產(chǎn)能力、降低能量消耗、提高產(chǎn)品質(zhì)量。在新塔設(shè)計中可以提高設(shè)備生產(chǎn)強(qiáng)度,降低塔填料層的高度。
①第二代瓷階梯環(huán)填料比第一代瓷階梯環(huán)填料具有更大的比表面積、更高的空隙率和機(jī)械強(qiáng)度。同時減少了壁流,從而提高了干燥、吸收塔的生產(chǎn)強(qiáng)度,在對老廠挖潛改造中可提高生產(chǎn)能力25%左右,對新廠建設(shè)中可使填料阻力更低,能耗更低,塔設(shè)備投資更低
②第二代瓷階梯環(huán)填料比第一代瓷階梯環(huán)填料阻力更小,在結(jié)構(gòu)上使氣液兩相的接觸由面變?yōu)辄c,接觸面不斷更新,加大了吸收推動力,使干燥水分指標(biāo)和吸收率指標(biāo)比第一代瓷階梯環(huán)填料更優(yōu),生產(chǎn)操作更穩(wěn)定。
③第二代瓷階梯環(huán)填料結(jié)構(gòu)設(shè)計合理,制造工藝嚴(yán)謹(jǐn),耐酸度高,經(jīng)使用證實其破損率小于1%,使用壽命長,還可進(jìn)一步降低填料塔的填料高度,更有利于降低制造成本。
④第二代瓷階梯環(huán)填料可在更高的氣流速度下操作,自清洗能力強(qiáng),霧沫夾帶更少,可延遲大修周期,保護(hù)了環(huán)境。
此種填料為硫酸工業(yè)給予了很大的幫助。Impak填料
Impak填料最初由美國Lantacskan公司提出,后經(jīng)北京化工大學(xué)等單位多年研究改進(jìn)。是近一個世紀(jì)填料發(fā)展的新成果。構(gòu)型特點是:①環(huán)鞍結(jié)合,既有鞍型結(jié)構(gòu)的良好分布性能,又有環(huán)型結(jié)構(gòu)高通量的特點;②開放壁面;③扁環(huán)結(jié)構(gòu)。對不同高徑比的環(huán)型填料對比研究表明:高徑比越小,傳質(zhì)效率越高。Impak填料單體外形呈扁環(huán),使填料單元立放最穩(wěn),有利于加強(qiáng)氣液湍動,活化內(nèi)表面。Impak填料集扁、鞍、環(huán)結(jié)構(gòu)于一體,采用多褶壁面,多層筋片,強(qiáng)化了填料的整體性能,體現(xiàn)了現(xiàn)代散裝填料構(gòu)型正趨于成熟。實驗對比表明:其負(fù)荷能力與DN50mm金屬Intalox鞍環(huán)相當(dāng);在一般的氣液流率下,傳質(zhì)效率比DN50mm金屬Intalox鞍環(huán)高出30以上;傳質(zhì)單元壓降很低,適合于精密分離、熱敏物系和舊塔節(jié)能改造。階梯短環(huán)填料
階梯短環(huán)填料(CMR)是美國Glistch公司兼并英國傳質(zhì)公司后大力推廣的一種散裝填料,與其前身階梯環(huán)相比,高徑比從原有的0.5降到0.3。這種看似簡單的幾何特性卻是CMR性能優(yōu)越的關(guān)鍵。大量實驗表明,CMR的性能確實明顯優(yōu)于鮑爾環(huán)和篩板塔,且可以用碳鋼、不銹鋼、非鐵合金、塑料和陶瓷制造。因此,CMR的應(yīng)用很廣泛,已在近千座工業(yè)塔中得到廣泛的應(yīng)用。超級扁環(huán)填料
清華大學(xué)根據(jù)國外新型填料發(fā)展的動向。創(chuàng)新研制了內(nèi)彎弧型筋片扁環(huán)填料(QH-1型扁環(huán)填料)。其結(jié)構(gòu)特點為:①采用和傳統(tǒng)填料不同的內(nèi)彎弧型筋片結(jié)構(gòu),使填料內(nèi)部的流道更為合理,提高了傳質(zhì)效率,同時這種結(jié)構(gòu)可提高填料的強(qiáng)度;②針對液液體系軸向混合嚴(yán)重的特點,采用0.2-0.3極低的高徑比,使填料在亂堆時也能體現(xiàn)一定程度的有序排列,從而降低了阻力降,有效抑制了兩相的非理想流動,有助于進(jìn)一步提高處理能力和傳質(zhì)效率;③可根據(jù)體系和生產(chǎn)要求,采用多種材質(zhì)加工制造,且有多種規(guī)格,因而選用范圍寬,操作彈性大。實驗研究和工業(yè)應(yīng)用表明,QH-1型扁環(huán)填料用于液液萃取和在大液體噴淋密度下,性能超過鮑爾環(huán)、Intalox等國外引進(jìn)的新型填料,已在潤滑油精制、芳烴抽提、液化氣脫硫、合成氨廠脫碳塔和再生塔中得到成功的應(yīng)用。
為進(jìn)一步提高扁環(huán)填料的性能,又開發(fā)了新的撓性梅花扁環(huán)填料(QH-2型扁環(huán)填料),不僅傳質(zhì)效率高、處理能力大、阻力降小,而且質(zhì)量輕、成本較低,比QH-1型又有所提高。
近年來,中國還引進(jìn)和吸收了許多高效、先進(jìn)的散裝填料,如金屬矩鞍環(huán)(IMTP)、改進(jìn)型金屬鮑爾環(huán)(HY-PAK)、金屬階梯環(huán)、塑料矩鞍環(huán)、共軛環(huán)等,也較接近理想填料,比規(guī)整填料具有更好的自清理能力,不易堵塞。
四、新型規(guī)整填料介紹
目前規(guī)整填料種類多,形狀不同,性能各異。理想的規(guī)整填料應(yīng)具備 下特點:(1)壓降小;(2)分離效率高;(3)節(jié)能,可減小塔徑;(4)液體滯流量少;(5)操作彈性大,適應(yīng)性強(qiáng);(6)產(chǎn)品提取率高。
Zupak組片式波紋填料
Zupak組片式波紋填料填料是原天津大學(xué)填料塔新技術(shù)公司近年開發(fā)出來的獲獎專利產(chǎn)品,目前有兩大類8種型號。Zupak填料和相應(yīng)型號的Mellapak填料相比,比表面積增加了10%左右,開孔率增加了30%-40%,分離效率提高約10%,通量提高20%,壓力降降低30%左右。開發(fā)成功第一次就用在當(dāng)時中國最大直徑的塔上(8400 mm),目前正處于迅速推廣階段。
BH型高效填料
BH型高效填料是北京化工大學(xué)在對國內(nèi)外各種填料進(jìn)行深入細(xì)致研究的基礎(chǔ)上川,為滿足化工行業(yè)對超高純度產(chǎn)品的要求,克服普通填料表面對甘油、水等表面張力大的物系難以良好潤濕成膜的缺點,并通過對各種填料網(wǎng)紋構(gòu)型進(jìn)行深入研究、綜合比較,結(jié)合填料流體力學(xué)性能與傳質(zhì)學(xué)的研究成果而研究開發(fā)出的一種新型高效填料。BH型高效填料己在我國醋酸乙烯制備、甲醇精餾、丙炔醇制備、水合脫生產(chǎn)等行業(yè)中大規(guī)模應(yīng)用,達(dá)到了提高了產(chǎn)品質(zhì)量,降低化學(xué)物料排放,提高這些行業(yè)的技術(shù)水平和產(chǎn)品競爭力的預(yù)期目標(biāo)。
SM、SW、SC、SB系列新型規(guī)整填料
上?;ぱ芯吭簢腋咝Х蛛x塔填料及裝置技術(shù)研究推廣中心于20世紀(jì)70年代開發(fā)了SC、SB絲網(wǎng)波紋填料系列,80年代開發(fā)了SM系列SL板波紋填料,90年代開發(fā)了SW 系列網(wǎng)孔波紋填料并取得專利證書。這些填料已在國內(nèi)多座塔器中應(yīng)用,效果顯著。
SINOPAK填料
該填料系南京大學(xué)開發(fā)的波紋型系列無壁流規(guī)整填料,采用了專門的防壁流設(shè)計并獲得1996年國家專利。分離效率比其他普通波紋規(guī)整填料高10%-25%,其綜合性能完全達(dá)到和優(yōu)于國外同類填料產(chǎn)品。
CHINAPAK填料
該填料系天津市博隆科技開發(fā)公司開發(fā)的規(guī)整填料專利產(chǎn)品,綜合了金屬孔板波紋填料和金屬矩鞍環(huán)填料各自的優(yōu)點,克服了散堆填料易于淘流的缺點,工業(yè)應(yīng)用獲得成功。
自分布填料和再分布填料
自分布填料是將特制的規(guī)整填料作為液體再分布器使用的,旨在改善液體分布性能的填料。其作用是將多點式或多線式液體分布狀態(tài)變成多線式或面分布狀態(tài),以減少液體分布的端效應(yīng)。這方面工作美國Glitsch公司領(lǐng)先一步。中國在1990年后。由天津大學(xué)研制的自分布填料在工程上得到了應(yīng)用。
相對于填料層兩端氣液分布的端效應(yīng)。填料層中部存在著“中效應(yīng)”。再分布填料就是為了消除“中效應(yīng)” 而專門設(shè)計的一種特制填料。換言之,它不僅克服了壁流現(xiàn)象,重要的是它能將環(huán)塔壁區(qū)的高液流量向塔心縮移,同時又將塔中心部位的高氣流量向環(huán)塔壁區(qū)擴(kuò)展,因而既是液體再分布器,又是氣體再分布器,同時還起傳質(zhì)作用。自分布填料和再分布填料既適用于規(guī)整填料塔,也適用于散裝填料塔。
新型復(fù)合填料
清華大學(xué)研究開發(fā)的新型復(fù)合填料是在規(guī)整填料基礎(chǔ)上采用交錯90。排列的水平波紋(PFG)組合而成。PFG本身是種填料,同時又起到分布器的作用,具有良好的自分布性能,分離效果比規(guī)整填料提高15% ~20%。每米填料的理論板數(shù)比同規(guī)格的Sulzer填料高15%左右。在新型復(fù)合填料基礎(chǔ)上采用一定厚度的復(fù)合填料單元體作為塔板,形成分層填料塔板。其傳質(zhì)效率高,填料用量少(降低填料成本),高效低阻,性能優(yōu)于一般塔板和填料,特別適用于真空精餾工況條件下的高純度分離。
五、展望
由于波紋填料的開發(fā)成功和一些基礎(chǔ)理論研究成果在填料塔工程放大問題上的突破,填料塔大型化帶來的放大效應(yīng)問題得到了一定程度的解決,尤其是20世紀(jì)90年代,一些大通量、低壓降、高效率填料和塔內(nèi)件的成功開發(fā)及應(yīng)用,使填料塔分離工程技術(shù)進(jìn)入了一個嶄新階段。21世紀(jì)的填料塔分離技術(shù)將向行業(yè)化、復(fù)合化、節(jié)能化、大型化方向發(fā)展。不同種類的填料組成填料復(fù)合塔,或組成填料-塔板復(fù)合塔是一種新的開發(fā)途徑。新型“分布填料” 也將在分布器的開發(fā)中占據(jù)重要地位。
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第二篇:化工分離與傳質(zhì) 作業(yè)
環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生
《化工傳質(zhì)與分離》
試題(開卷)
研究生姓名:
學(xué)號:
1.簡述膜分離技術(shù)的特點、常用膜分離技術(shù)的基本原理及其在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用(至少五種,側(cè)重于應(yīng)用)。(10分)答:
膜分離技術(shù)的優(yōu)點如下:
1.膜分離過程屬于速率分離過程,一般不發(fā)生相變,因此與有相變的平衡分離方法相比能耗低;
2.多數(shù)膜分離過程在常溫下進(jìn)行,特別適用于熱敏性物質(zhì)的分離; 3.膜分離過程一般不耗或少耗化學(xué)試劑,對產(chǎn)品無二次污染,且成本低操作方便、設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、維護(hù)費用低;
4.分離效率高,膜性能可調(diào)節(jié),應(yīng)用范圍廣,適合于無機(jī)物、有機(jī)物及生物物質(zhì)的制備;
5.工藝適用性強(qiáng),可實現(xiàn)連續(xù)分離,易與其他過程相結(jié)合(聯(lián)合過程),易于放大,處理規(guī)??烧{(diào); 膜分離的缺點如下:
1.在膜的運行過程中可能會發(fā)生濃差極化和膜污染,使其分離性能劣化; 2.使用壽命有限;
3.固膜分離存在選擇性低,因而在高純度分離的應(yīng)用中受到限制。常用的膜分離技術(shù)(1)微濾(MF)微濾技術(shù)是目前所有膜技術(shù)應(yīng)用最廣泛的一種膜分離技術(shù)。微濾主要用于過濾0.1~10pm大小的顆粒、細(xì)菌、膠體。其過濾原理和普通過濾相似,屬于篩網(wǎng)過濾。微濾過濾具有操作壓力低(<0.2 MPa),對水質(zhì)的適應(yīng)性強(qiáng)、占地面積小的優(yōu)點。微濾作為較經(jīng)濟(jì)的微過濾方式在飲用水處理方面應(yīng)用廣泛,可代替常規(guī)的澄清過濾和二沉池,在水質(zhì)波動較大時仍可連續(xù)處理,占地面積小;用于各種廢水的預(yù)處理,以降低濁度、懸浮物,滿足后處理進(jìn)水要求。(2)超濾(UF)超濾膜也屬于壓力驅(qū)動膜,其分離原理一般認(rèn)為是篩分過程。其孔徑范圍為0.05~1 nm。超濾主要用于去除固體顆粒物、懸浮物、從溶液中分離大分子物質(zhì)和膠體。用超濾膜處理電泳涂漆廢水已在我國汽車工業(yè)、電器工業(yè)部門禱到了廣泛應(yīng)用,通過超濾膜的分離特性將有大量金屬離子雜質(zhì)的電泳漆從廢水中回收出來重新利用。(3)納濾(NF)納濾介于反滲透和超濾之間,是20世紀(jì)80年代出現(xiàn)典型的反滲透復(fù)合膜之后研制開發(fā)的又一種新型分子級的膜分離技術(shù)。納濾也屬于壓力驅(qū)動型過程,其操作壓力通常為0.5MPa~1.0MPa;納濾膜的一個顯著特點是具有離子選擇性,它對二價離子的去除濾高(95%以上),一價離子的去除率低(40%~80%)”。因此納濾廣泛應(yīng)用于河水及地下水中含三鹵甲烷中間體THM、低分子有機(jī)物、農(nóng)藥、異味、硝酸鹽、硫酸鹽、氟、硼、砷等有害物質(zhì)的去除,廢水的脫色,廢水中不同有機(jī)物的分級濃縮。(4)反滲透(RO)
反滲透膜幾乎對所有的溶質(zhì)都具有很高的脫除率,反滲透出水水質(zhì)很高,在水處理中通常用于除鹽處理。反滲透在環(huán)保領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用是飲用水質(zhì)的改善、城市污水、工業(yè)廢水和垃圾滲濾液的處理。(5)液膜(LM)液膜就是懸浮在液體中的一層很薄的乳液顆粒,其分離機(jī)理通常認(rèn)為是選擇性滲透、化學(xué)反應(yīng)、萃取和吸附。液膜和同膜相比具有傳質(zhì)速度快、選擇性高、分離效率高的特點。液膜分離特別適合于溶液中特定離子和有機(jī)物的分離。液膜分離已應(yīng)用于醫(yī)藥化工、濕法冶金和廢水處理等研究領(lǐng)域。采用表面活性劑的液膜處理某工廠含酚廢水除酚率大于99%。液膜法處理含有氨、苯胺和其它苯胺類化合物的廢水,廢水中氨、苯胺類物質(zhì)的去除率達(dá)到98%以上。(6)集成膜技術(shù)(IMT)集成膜技術(shù)就是將膜技術(shù)與其它傳統(tǒng)工藝的優(yōu)化組合,將膜技術(shù)和傳統(tǒng)工藝技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化組合可進(jìn)一步拓展膜技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域,充分發(fā)揮膜技術(shù)的節(jié)能、高效等優(yōu)越性,有效的降低生產(chǎn)成本。如采用浸沒式活性污泥的反應(yīng)器處理生活污水造紙黑液中回收木質(zhì)素磺酸鈉要用絮凝、UF和RO等方法集成;采用生物發(fā)酵制取無水乙醇要用膜反應(yīng)器,蒸餾和滲透汽化等方法集成去除廢水中有毒物質(zhì)需采用膜萃取及反萃取將毒物濃縮,再放入膜反應(yīng)器中凈化等方法集成。采用集成膜技術(shù)可以使各種廢物變廢為寶,有效的減輕環(huán)境污染,延長組件的使用壽命。2.簡述影響萃取劑萃取性能的基本因素以及萃取劑選擇的基本標(biāo)準(zhǔn)。(10分)答:萃取是利用溶質(zhì)在互不相溶的兩相之間分配系數(shù)的不同而使溶質(zhì)得到純化或濃縮的方法。
影響萃取劑性能的基本因素如下:
1.萃取基團(tuán)性O(shè)H生成沉淀的離子易于被以O(shè)為萃取基團(tuán)的萃取劑萃??;能與NH3生成絡(luò)合物的離子易于能的影響
類比原則:能與被以N為萃取基團(tuán)的萃取劑萃?。荒苌闪蚧锍恋淼碾x子易于被以S為萃取基團(tuán)的萃取劑萃取。軟硬酸堿原則:軟親軟、硬親硬。
2.空間位阻的影響:一般隨空間位阻的增加,萃取劑的萃取效率下降。3.溶解度的影響:萃取劑必須在水相及有機(jī)相中有很好的平衡。
萃取劑的選擇標(biāo)準(zhǔn):
4.萃取劑分子中至少有一個萃取功能基,通過功能基與被萃取物結(jié)合形成萃合物;
5.萃取劑分子中至必須有相當(dāng)長的烴鏈或芳環(huán),其目的是使萃取劑及萃合物易于溶于有機(jī)相,而難于溶于水相;
6.絡(luò)合劑應(yīng)該具有相應(yīng)的官能團(tuán),與待分離溶質(zhì)的絡(luò)合鍵能要足夠大,以便形成絡(luò)合物,實現(xiàn)相轉(zhuǎn)移,該鍵能還要相對較低,使絡(luò)合物容易完成反萃取時的逆向反應(yīng),使絡(luò)合劑得到再生;
7.在發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)和回收溶劑時,溶劑的萃水量應(yīng)盡量小或者容易實現(xiàn)溶劑水中的去除;
8.絡(luò)合萃取過程中應(yīng)無其他副反應(yīng),絡(luò)合劑應(yīng)該具有一定的熱穩(wěn)定性,不易分解或降解,以免發(fā)生不可逆的損失;
9.合反應(yīng)在正逆反應(yīng)方向上均應(yīng)在一定條件下具有足夠快的速率 3.簡述離子交換過程中影響離子交換速率的因素。(10分)答:影響離子交換速率的因素如下:
1.樹脂的粒度:小顆粒樹脂總是相應(yīng)于大的交換速率,顆粒均勻的樹脂比不均勻的樹脂交換速率快;
2.樹脂的交聯(lián)度:樹脂交聯(lián)度越大,樹脂的溶脹性越差,從而影響離子在樹脂顆粒內(nèi)部擴(kuò)散的速率;
3.溫度:提高溫度既提高了擴(kuò)散速率,又提高了交換反應(yīng)速率,從而加快了整個交換反應(yīng)速率;
4.溶液濃度:在溶液濃度小于0.01mol/L時,總的交換速率可由膜擴(kuò)散決定,濃度增加,膜擴(kuò)散速率上升;當(dāng)濃度大于0.01mol/L時,樹脂內(nèi)擴(kuò)散變成控制步驟,繼續(xù)提高溶液濃度意義不大;
5.攪拌速度:加大攪拌速率可以減小膜厚度從而提高擴(kuò)散速率,但攪拌達(dá)到一定值時,交換速率不再上升;
6.離子交換的性質(zhì):主要是離子的價態(tài)和水化離子的大小,離子價態(tài)越高,吸引力越大,擴(kuò)散速率越快,水化離子越大,則越難擴(kuò)散。
4.簡要說明質(zhì)譜技術(shù)的特點以及不同質(zhì)譜電離方式(EI、CI、ESI、APCI)的優(yōu)缺點。(10分)
答:質(zhì)譜分析法是利用帶電粒子在磁場或電場中的運動規(guī)律,按照離子的質(zhì)荷比大小對離子進(jìn)行分離和測定從而對樣品進(jìn)行定性和定量分析的一種方法。
質(zhì)譜技術(shù)的特點:質(zhì)譜不屬波普范圍;質(zhì)譜圖與電磁波的波長和分子內(nèi)某種物理量的改變無關(guān);質(zhì)譜是分子離子及碎片離子的質(zhì)量與其相對強(qiáng)度的譜,譜圖與分子結(jié)構(gòu)有關(guān);質(zhì)譜法進(jìn)樣量少,靈敏度高,分析速度快;質(zhì)譜是唯一可以給出分子量,確定分子式的方法。不同質(zhì)譜電離方式優(yōu)缺點如下: 1)電子電離(EI)電子電離優(yōu)點如下:
① 非選擇性電離,只要樣品能氣化都能夠離子化; ② 離子化效率高,靈敏度高;EI譜提供豐富的結(jié)構(gòu)信息,是化合物的“指紋譜”;
③ 有龐大的標(biāo)準(zhǔn)譜庫供檢索,譜庫中的譜圖是在70eV條件下獲得的,圖譜重復(fù)性好,被稱作“經(jīng)典”的EI譜。電子電離缺點如下:
① 樣品必須能氣化,不適于難揮發(fā)、熱不穩(wěn)定的樣品;
② 有的化合物在EI方式下分子離子不穩(wěn)定易碎裂,得不到分子量信息,圖譜復(fù)雜,解釋有一定困難;
③ EI方式只檢測正離子,不檢測負(fù)離子。2)化學(xué)電離(CI)化學(xué)電離優(yōu)點如下:
① CI是獲得分子量信息的重要手段;
② 可通過控制反應(yīng),根據(jù)離子親和力和電負(fù)性選擇不同的反應(yīng)試劑,用于不同化合物的選擇性檢測。化學(xué)電離缺點如下:
① 和EI一樣要求樣品必須能氣化,適用于熱穩(wěn)定性好、蒸氣壓高的樣品,不適用于難揮發(fā)、熱不穩(wěn)定的樣品;
② CI圖譜重復(fù)性不如EI圖譜,沒有標(biāo)準(zhǔn)譜庫,只有少量專用庫或自建譜庫;反應(yīng)試劑容易形成較高的本底,會影響檢測限;
③ CI的操作比EI源相對難一些,反應(yīng)試劑的壓力需要摸索。3)電噴霧電離(ESI)
電霧電離優(yōu)點如下:
① 質(zhì)量數(shù)可達(dá)70000Da;
② 靈敏度高達(dá)femtomole級;軟電離,可觀察生物分子非共價反應(yīng); ③ 易于和LC串聯(lián),直接分析流速為1ml/min的LC洗脫液; ④ 沒有基質(zhì)干擾;
⑤ 適于四級桿質(zhì)量分析器、離子阱質(zhì)量分析器做結(jié)構(gòu)分析;
⑥ 帶多電荷,允許質(zhì)量范圍窄的設(shè)備檢測高質(zhì)量數(shù)的離子,通過計算平均值給出更精確的質(zhì)量數(shù);
⑦ 特別適于測多肽的修飾;
⑧ 樣品前處理簡單可直接分析RP-HPLC脫鹽處理的溶液。電霧電離缺點如下:
① 耐鹽能力低;對某些化合物特別敏感,污染難清洗; ② 樣品需先氣化,混合物不適用;
③ 帶多電荷,在分析混合物時,產(chǎn)生混亂; ④ 定量時需內(nèi)校準(zhǔn); 4)大氣壓化學(xué)電離(APCI)大氣壓化學(xué)電離優(yōu)點如下:
① 利用所得到的[M+1]+及[M-1]-進(jìn)行分子確認(rèn); ② 源參數(shù)調(diào)整簡單,容易使用;
③ 耐受性好,噴霧器及針的位置不關(guān)鍵;LC流速可達(dá)2.0ml/min; ④ 好的靈敏度; 大氣壓化學(xué)電離缺點如下:
① 有限的結(jié)構(gòu)信息; ② 易發(fā)生熱裂解; ③ 低質(zhì)量時化學(xué)噪聲大;
④ 不適合做分子量大于1000的化合物;
5.吸附的原理與特點,試舉一例說明吸附技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用。(10分)答:固體物質(zhì)表面對氣體或液體分子的吸著現(xiàn)象稱為吸附,其中固體物質(zhì)稱為吸附劑,被吸附的物質(zhì)稱為吸附質(zhì)。
根據(jù)吸附質(zhì)與吸附劑表面分子間結(jié)合力性質(zhì)的不同將吸附分為物理吸附和化學(xué)吸附。
物理吸附也稱為范德華吸附,是吸附劑分子與吸附質(zhì)分子間引力作用的結(jié)果,其結(jié)合力較弱,容易脫附。其特點是單分子層或多分子層吸附,一般是多分子層,過程可逆,吸附速率達(dá),脫附容易,易達(dá)到平衡。
化學(xué)吸附是由吸附質(zhì)與吸附劑分子間化學(xué)鍵的作用所引起的,其結(jié)合力比物理吸附大得多,放出的熱量也大得多,與化學(xué)反應(yīng)的數(shù)量級相當(dāng)。其特點是具有顯著的選擇性,總是單分子層吸附,過程往往不可逆,吸附速率一般較小,低溫下不易達(dá)到平衡。
吸附技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用示例:活性炭吸附在廢水處理中的應(yīng)用。例子:活性炭處理農(nóng)藥廢水
農(nóng)藥生產(chǎn)過程中步驟多,原材料、合成工藝、產(chǎn)品化學(xué)結(jié)構(gòu)之間差異大,生產(chǎn)過程中有大量的廢水排出,農(nóng)藥廢水有機(jī)物濃度高、毒性大、可生化性差,而且廢水成份復(fù)雜?;钚蕴靠捎行У貙r(nóng)藥廢水進(jìn)行吸附處理。研究表明,活性炭可用于有機(jī)氯農(nóng)藥廢水的處理,對異狄氏劑、毒殺芬、艾氏劑、狄氏劑、DDT的吸附量分別為100mg/g、42 mg/g、30 mg/g、15 mg/g和11mg/g;殺菌劑鄰苯基苯酚的生產(chǎn)廢水,當(dāng)濃度為100 mg/L時,活性炭的用量為2.5g/L,可達(dá)99.6%的去除率;活性炭還可以吸附除草劑廢水中含有的2,4-二氯酚及少量的3,4-二氯酚、2,5-二氯酚和2,6-二氯酚。
6.簡要說明不同類型質(zhì)譜分析器的工作原理及優(yōu)缺點。(15分)
答:質(zhì)量分析器的功能是將離子源產(chǎn)生的離子,按其質(zhì)荷比m/z 進(jìn)行分離、檢測,得到化合物特征質(zhì)量信息。1)離子阱分析器
離子阱分析器工作原理如下:
由兩個端蓋電極和位于它們之間的類似四極桿的環(huán)電極構(gòu)成。端蓋電極施加直流電壓或接地,環(huán)電極施加射頻電壓(rf),通過施加適當(dāng)電壓就可以形成一個勢能阱(離子阱)。根據(jù)rf電壓的大小,離子阱就可捕捉某一質(zhì)量范圍的離子。離子阱可以儲存離子,待離子累積到一定數(shù)目后,升高環(huán)電極上的rf電壓,離子按質(zhì)量從高到低的次序依次離開離子阱,被電子倍增監(jiān)測器檢測。目前離子阱分析器已發(fā)展到可以分析質(zhì)荷比高達(dá)數(shù)千的離子。離子阱分析器優(yōu)點如下:
① 離子阱在全掃描模式下仍然具有較高靈敏度;
② 單個離子阱通過期間序列的設(shè)定就可以實現(xiàn)多級質(zhì)譜(msn)的功能; ③ 價格相對低廉,體積較?。?離子阱分析器缺點如下:
① 有空間電荷效應(yīng); ② 低質(zhì)量截止等問題; ③ 動態(tài)范圍窄,不利于定量; 2)飛行時間分析器
飛行時間分析器工作原理
具有相同動能,不同質(zhì)量的離子,因其飛行速度不同而分離。假如固定離子飛行間隔,則不同質(zhì)量離子的飛行時間不同,質(zhì)量小的離子飛行時間短而首先到達(dá)檢測器。各種離子的飛行時間與質(zhì)荷比的平方根成正比。離子以離散包的形式引進(jìn)質(zhì)譜儀,這樣可以同一飛行的出發(fā)點,依次丈量飛行時間。離子包通過一個脈沖或者一個柵系統(tǒng)連續(xù)產(chǎn)生,但只在一特定的時間引進(jìn)飛行管。飛行時間分析器優(yōu)點如下:
① 新發(fā)展的飛行時間分析用具有大的質(zhì)量分析范圍; ② 較高的質(zhì)量分辨率; ③ 結(jié)構(gòu)簡單;
④ 靈敏度高,尤其適合蛋白等生物大分子分析。飛行時間分析器缺點如下:
分辨率和動態(tài)線性范圍不夠理想。3)四極桿分析器 四極桿分析器工作原理:
因其由四根平行的棒狀電極組成而得名。離子束在與棒狀電極平行的軸上聚焦,一個直流固定電壓(dc)和一個射頻電壓(rf)作用在棒狀電極上,兩對電極之間的電位相反。對于給定的直流和射頻電壓,特定質(zhì)荷比的離子在軸向穩(wěn)定運動,其他質(zhì)荷比的離子則與電極碰撞湮滅。將dc和rf以固定的斜率變化,可以實現(xiàn)質(zhì)譜掃描功能。四極桿分析器對選擇離子分析具有較高的靈敏度。四極桿分析器優(yōu)點如下:
① 四極桿質(zhì)量分析器能夠通過電場的調(diào)節(jié)進(jìn)行質(zhì)量掃描或質(zhì)量選擇; ② 質(zhì)量分析器的尺寸能夠做到很小; ③ 掃描速度快;
④ 無論是操作還是機(jī)械構(gòu)造,均相對簡單。四極桿分析器缺點如下: ① 分辨率不高; ② 桿體易被污染; ③ 維護(hù)和裝調(diào)難度較大。4)扇形磁分析器
扇形磁分析器工作原理
離子源中天生的離子通過扇形磁場和狹縫聚焦形成離子束。離子離開離子源后,進(jìn)進(jìn)垂直于其前進(jìn)方向的磁場。不同質(zhì)荷比的離子在磁場的作用下,前進(jìn)方向產(chǎn)生不同的偏轉(zhuǎn),從而使離子束發(fā)散。由于不同質(zhì)荷比的離子在扇形磁場中有其特有的運動曲率半徑,通過改變磁場強(qiáng)度,檢測依次通過狹縫出口的離子,從而實現(xiàn)離子的空間分離,形成質(zhì)譜。扇形磁分析器優(yōu)點如下:
① 重現(xiàn)性好、分辨率與質(zhì)量大小無關(guān);
② 能夠較快地進(jìn)行掃描(每秒 10 個質(zhì)荷比單位); 扇形磁分析器缺點如下:
目前出現(xiàn)的小型化質(zhì)量分析器中,扇形磁場所占的比重不大,因為如果把磁場體積和重量降低將極大地影響磁場的強(qiáng)度,從而大大削弱其分析性能。5)離子回旋共振質(zhì)量分析器 離子回旋共振質(zhì)量分析器工作原理
在某種程度上,離子回旋共振(ICR)質(zhì)量分析器與NMR有些相似。在一定強(qiáng)度的磁場中,離子做圓周運動,離子運行軌道受共振變換電場限制。當(dāng)變換電場頻率和回旋頻率相同時,離子穩(wěn)定加速,運動軌道半徑越來越大,動能也越來越大。當(dāng)電場消失時,沿軌道飛行的離子在電極上產(chǎn)生交變電流。對信號頻率進(jìn)行分析可得出離子質(zhì)量。將時間與相應(yīng)的頻率譜利用計算機(jī)經(jīng)過傅里葉變換形成質(zhì)譜。
離子回旋共振質(zhì)量分析器優(yōu)點如下:
ICR具有非常高的質(zhì)量分辨率,能夠檢測大質(zhì)量離子、進(jìn)行離子的無損分析和多次測量,具有很高的靈敏度和級聯(lián)質(zhì)譜的能力,是一種在現(xiàn)代質(zhì)譜學(xué)領(lǐng)域中具有重要用途的質(zhì)量分析器。
離子回旋共振質(zhì)量分析器缺點:對環(huán)境要求高。6)混合型質(zhì)量分析器
a)Q-TOF是由四極桿質(zhì)譜和飛行時間質(zhì)譜組成的串聯(lián)型質(zhì)譜儀,因此無論是在MS或MS/MS模式下均具有較高的分辨率和質(zhì)量精確度。可以進(jìn)行多種模式的質(zhì)量檢測,主要包括MS Scan、TOF MS和TOFMS/MS,這些模式同樣可以用于負(fù)離子的檢測,但是花費較高。
b)Q-IT,即由四極桿和離子阱組成的混合型質(zhì)譜。對Scan模式靈敏度高,但中性丟失實驗較難實現(xiàn)。
C)Triple quadrupole,三重串聯(lián)四級桿。對MRM定量靈敏度較高,但對Scan模式靈敏度較低。
7.簡述色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)的特點,并結(jié)合當(dāng)前的環(huán)境問題論述色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)在環(huán)境領(lǐng)域中的應(yīng)用。(15分)答:色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)的特點
1)氣相色譜作為進(jìn)樣系統(tǒng),將待測樣品進(jìn)行分離后直接導(dǎo)入了質(zhì)譜進(jìn)行檢測,即滿足了質(zhì)譜分析對樣品單一性的要求,還省去了樣品制備、轉(zhuǎn)移的繁瑣過程,不僅避免了樣品受污染,對于質(zhì)譜進(jìn)樣量還能有效控制,也減少了質(zhì)譜儀器的污染,極大的提高了對混合物的分離、定性、定量分析效率。
2)質(zhì)譜作為檢測器,檢測的是離子質(zhì)量,獲得化合物的質(zhì)譜圖,解決了氣息色譜定性的局限性,即使一種通用性檢測器,優(yōu)勢選擇性的檢測器。因為質(zhì)譜法的多種電離方式可使各種樣品分子得到有效的電離,所有離子經(jīng)質(zhì)量分析器分離后均可以被檢測,有廣泛適用性。而且質(zhì)譜的多種掃描港式和質(zhì)量分析技術(shù),可以有選擇的只檢測所需要的目標(biāo)化合物的特征離子,而不檢測不需要的質(zhì)量離子,如此專一的選擇性,不僅能排除基質(zhì)和雜質(zhì)峰的干擾,還極大地提高了檢測靈敏度。在食品安全的有害物質(zhì)殘留分析中,由于GC/MS方法在選擇性和靈敏度上的優(yōu)勢,而被作為最終確證方法。
3)聯(lián)用的優(yōu)勢還體現(xiàn)在可獲得更多信息。單獨使用氣相色譜只獲得保留時間,強(qiáng)度兩維信息,單獨使用質(zhì)譜也只獲得質(zhì)荷比和強(qiáng)度兩維信息,而氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用可得到質(zhì)量,保留時間、強(qiáng)度三維信息。增加一維信息意味著增強(qiáng)了解決問題的能力?;衔锏馁|(zhì)譜特征加上氣象色譜保留時間雙重定性信息,和單一定性分析方法比較,顯然專屬性更強(qiáng)。質(zhì)譜特征相似的同分異構(gòu)體,靠質(zhì)譜圖難以區(qū)分,而有色譜保留時間就不難鑒別了。
4)氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了分析技術(shù)的計算機(jī)化,計算機(jī)化不僅改善并提高了儀器的性能,還極大的提高了工作效率,從控制儀器運行,數(shù)據(jù)采集和處理,定性、定量分析,譜庫檢索以及打印報告輸出,計算機(jī)的介入使儀器可以全自動晝夜運行,從而縮短了各種新方法開發(fā)的時間和樣品運行時間,實現(xiàn)了高通量、高效率分析的目標(biāo)。
實際上,聯(lián)用技術(shù)還帶來許多無形的利益,包括減低成本。現(xiàn)代GC/MS的分離度和分析速度、靈敏度、專屬性和通用性,至今仍是其他聯(lián)用技術(shù)難以達(dá)到的,因此只要待測成分適用于GC分離,GC/MS就成為聯(lián)用技術(shù)中首選的分析方法。
環(huán)境領(lǐng)域中的應(yīng)用
在環(huán)境方面,GC-MS正在成為跟蹤持久性有機(jī)物污染所選定的工具。GC-MS設(shè)備的費用已經(jīng)顯著地降低,并且,同時其可靠性也已經(jīng)提高。這樣就使該儀器更適合用于環(huán)境監(jiān)測研究。對于一些化合物,如某些殺蟲劑和除草劑GC-MS的敏感度不夠,但對大多數(shù)環(huán)境樣品的有機(jī)物分析,其中包括許多主要類型的殺蟲劑,它是非常敏感和有效的。特別近年來,環(huán)境內(nèi)分泌干擾物(EDCs)在我國造成的環(huán)境污染及健康危害已引起全社會的廣泛關(guān)注。GC-MS由于使用成本較低,操作簡便,并且在分析時有比較完善的質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫支持,易于化合物的鑒定,目前也廣泛應(yīng)用于EDCs的分析測定。
8.簡述常用的環(huán)境樣品前處理方法(固相萃取、微波萃取、加壓溶劑萃取、凝膠滲透)的工作原理及優(yōu)缺點。(20分)答:常用的環(huán)境樣品前處理方法:(1)固相萃取 固相萃取工作原理
固相萃?。⊿PE)的基本原理是樣品在兩相之間的分配,即在固相(吸附劑)和液相(溶劑)之間的分配。它是利用固體吸附劑將液體樣品中的目標(biāo)化合物吸附,與樣品的基體和干擾化合物分離,然后再用洗脫液洗脫,達(dá)到分離和和富集的目的。先使液體樣品通過一裝有吸附劑(固相)小柱,保留其中某些組分,再選用適當(dāng)?shù)娜軇_洗雜質(zhì),然后用少量溶劑迅速洗脫,從而達(dá)到快速分離凈化與濃縮的目的。
固相萃取的優(yōu)點如下:
1)高的回收率(70-100%)和高的富集倍數(shù); 2)使用的高純有毒有機(jī)溶劑量少;
3)無相分離操作,易于收集分析物組分,能處理小體積試樣; 4)操作簡單、快速、易于實現(xiàn)自動化; 固相萃取的缺點如下:
1)使用進(jìn)口固相萃取小柱成本較高; 2)需要專業(yè)人員協(xié)助進(jìn)行方法開發(fā);(2)微波輔助萃取 微波輔助萃取的工作原理
在目標(biāo)化合物的提取過程中(或提取的前處理)加入微波場,根據(jù)不同物質(zhì)吸收微波能力的差異使得基體物質(zhì)的某些區(qū)域或萃取體系中的某些組分被選擇性加熱,從而使得被萃取物質(zhì)從基體或體系中分離,進(jìn)入到介電常數(shù)較小、微波吸收能力相對差的萃取劑中,利用微波場的特點來強(qiáng)化有效成分浸出,達(dá)到提取的目的。
微波輔助萃取技術(shù)的優(yōu)點
1)萃取速度快:MAE大大降低了萃取時間,提高了萃取速度,通常只需數(shù)分鐘至數(shù)十分鐘,而且萃取效率高。
2)選擇性加熱:微波加熱具有選擇性,可通過選擇適當(dāng)?shù)娜軇﹣硖岣咻腿⌒?,以期達(dá)到最佳的萃取效果。
3)加熱迅速:微波能穿透到物料內(nèi)部,使物料表里同時產(chǎn)生熱能,其加熱均勻性好,且加熱迅速。
4)高效節(jié)能:由于微波獨特的加熱機(jī)理,除少量傳輸損耗外,幾乎沒有其它損耗,故熱效率高。
5)易于控制:控制微波功率即可實現(xiàn)立即加熱和終止,操作方便。6)安全環(huán)保:溶劑用量少,所以對環(huán)境造成的污染較小,整個萃取過程無有害氣體排放,不產(chǎn)生余熱和粉塵污染
微波輔助萃取技術(shù)的缺點 1)微波萃取僅適用于熱穩(wěn)定性物質(zhì)的提取,對于熱敏性物質(zhì),微波加熱可能使其變性或失活。
2)微波萃取要求目標(biāo)化合物具有良好的吸水性,否則萃取物難以吸收足夠的微波能而將難以從基體中釋放出來。
(3)加壓溶劑萃取
加壓溶劑萃取的原理:加速溶劑萃取是在提高溫度(50-200℃)和壓力(1000-3000psi或10.3-20.6MPa)下用溶劑萃取固體或半固體樣品的新穎樣品前處理方法。
加速溶劑萃取的優(yōu)點如下:
與索氏提取、超聲、微波、超臨界和經(jīng)典的分液漏斗振搖等公認(rèn)的成熟方法相比,加速溶劑萃取的突出優(yōu)點如下:
1)有機(jī)溶劑用量少,10g樣品一般僅需15ml溶劑; 2)快速,完成一次萃取全過程的時間一般僅需15min; 3)基體影響小,對不同基體可用相同的萃取條件;
4)萃取效率高,選擇性好,已進(jìn)入美國EPA標(biāo)準(zhǔn)方法,標(biāo)準(zhǔn)方法編號3545;現(xiàn)已成熟的用溶劑萃取的方法都可用加速溶劑萃取法做; 5)使用方便、安全性好; 6)自動化程度高。加速溶劑萃取的缺點如下:
1)需要進(jìn)一步凈化分離操作;
2)雜質(zhì)容易與目標(biāo)物質(zhì)一起被萃取出來; 3)儀器設(shè)備十分昂貴。(4)凝膠滲透色譜 凝膠滲透色譜的工作原理
凝膠滲透色譜是基于體積排阻的分離機(jī)理,根據(jù)分子的體積大小和形狀不同而達(dá)到分離的目的。色譜柱內(nèi)填充著起到分離作用的凝膠,是一種多孔性的高分子聚合體,表面布滿孔隙,能被流動相浸潤,吸附性很小。聚合物分子在柱內(nèi)流動過程中,不同大小的分子不同程度地滲透到柱內(nèi)有大小孔徑分布的載體的空洞中去。當(dāng)被分析的試樣隨著淋洗溶劑引入色譜柱后,溶質(zhì)分子即向凝膠內(nèi)部孔洞擴(kuò)散。較小的分子除了能進(jìn)入大的孔外,還能進(jìn)入較小的孔;較大分子則只能進(jìn)入較大的孔;而比最大的孔還要大的分子就只能留在填料顆粒之間的空隙中。因此,隨著溶劑的淋洗,大小不同的分子就得到分離,較大的分子先被淋洗出來,較小的分子較晚被淋洗出來。凝膠滲透色譜的優(yōu)點如下:
1)快速、簡便、重復(fù)性好; 2)進(jìn)樣量少,可實現(xiàn)高度自動化;
3)凝膠滲透色譜分離樣品的過程是一個物理過程;
4)能夠很好地分離蛋白質(zhì)、色素、脂肪等大分子物質(zhì)和農(nóng)藥等小分子物質(zhì); 凝膠滲透色譜的缺點如下:
1)樣品不能得到完全分離; 2)溶劑用量大;