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地特三等申論題 105年 [化學工程] 輸送現象與單元操作

第 一 題

📖 題組:
各種分離方法都是利用被分離的成分間性質的差異性進行分離,請寫出以下分離方法各是利用什麼性質的差異:(每小題3分,共24分)
📝 此題為申論題,共 8 小題

小題 (一)

蒸餾(distillation)

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看到「蒸餾」,應聯想到將液體混合物加熱使其部分汽化、再將蒸氣冷凝的過程。能被分離是因為各成分在相同溫度下變成氣體的容易程度不同,因此核心關鍵字為「沸點」或「揮發度」。

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「蒸餾(distillation)」是利用混合物中各成分之沸點(boiling point)揮發度(volatility)/蒸氣壓(vapor pressure)的差異進行分離。

小題 (二)

液相萃取(liquid extraction)

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看到「液相萃取」,應直覺聯想到將溶質從原溶劑轉移到另一種萃取劑的過程。思考溶質為何會發生轉移,其核心原因即為溶質在兩種互不相溶的液體中具有不同的溶解度(或分配係數)。

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液相萃取主要是利用混合物中各成分在兩種不互溶(或部分互溶)的溶劑中,具有不同的溶解度(Solubility)分配係數(Partition coefficient)差異來進行分離。

小題 (三)

氣體吸收(gas absorption)

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看到「氣體吸收」,應立刻聯想氣體混合物與液體溶劑的接觸過程。分離的關鍵在於不同氣體成分在該液相溶劑中是否容易溶解,即利用「溶解度」的差異來達成質傳分離。

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氣體吸收(gas absorption)是利用氣體混合物中各成分在特定液體溶劑中的溶解度(Solubility)差異進行分離。 當氣體混合物與溶劑接觸時,溶解度較大的氣體成分會發生質量傳遞轉移至液相中(被吸收),而溶解度較小(或不溶)的成分則保留在氣相中,藉此達到分離的目的。

小題 (四)

乾燥(drying)

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看到這題,首先想像日常「乾燥」的過程(例如烘乾衣服或乾燥固體粉末),是將水分變成氣體移除,留下固體。因此,核心在於溶劑(水)容易汽化,而固體不會,這反映的是物質的「揮發性」或「蒸氣壓」差異。

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主要利用揮發性(Volatility)(或蒸氣壓/沸點)的差異。 說明:乾燥是利用濕物料中,液體(通常為水或溶劑)具有較高的揮發性(較高的蒸氣壓),而固體物質不具揮發性(或揮發性極低)的特性。藉由供給熱量使液體汽化並將其移除,進而與固體分離。

小題 (五)

篩分(screening)

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看到「篩分」應直觀聯想日常生活中使用篩網過濾的經驗。核心概念是利用網孔阻擋較大的物質並讓較小的物質通過,因此關鍵字必定是顆粒的「大小(粒徑)」或「尺寸」。

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篩分 (screening) 主要是利用固體顆粒間大小(粒徑尺寸)幾何形狀的差異來進行分離。

小題 (六)

脫附(desorption)

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看到「脫附(desorption)」,應聯想其為吸收(absorption)或吸附(adsorption)的逆操作。思考物質從液相或固相轉移至另一相的驅動力,即可推導出其依賴的是成分在相間平衡性質(如溶解度或表面親和力)的差異。

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主要利用被分離成分在溶劑中的「溶解度差異」(氣-液系統,又稱汽提/剝析);或是利用成分對固體表面「吸附力(親和力)差異」(固-流體系統,為吸附的逆操作)。

小題 (七)

吸附(adsorption)

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看到「分離方法與性質差異」,應直接聯想該單元操作發生的相態與物理化學機制。吸附作用發生在固-流界面,核心關鍵在於不同流體分子與固體表面之間作用力(凡得瓦力或化學鍵結)的強弱不同。

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吸附(adsorption)主要是利用混合物中各成分對固體吸附劑表面的親和力(affinity)或吸附力差異進行分離。 當流體通過固體吸附劑時,不同成分與吸附劑表面產生的物理性作用力(如凡得瓦力)或化學鍵結強度不同,親和力較強的成分會優先且大量地附著於固體表面,進而與其他成分分離。

小題 (八)

結晶(crystallization)

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看到「結晶」,應直覺聯想到物質從溶液或熔融液中析出形成固體的過程。其核心驅動力為產生「過飽和度」,因此分離的依據就是不同物質在特定條件下的「溶解度」差異(或是熔融結晶中的「熔點/凝固點」差異)。

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「結晶 (crystallization)」主要是利用被分離成分間的溶解度 (solubility)熔點/凝固點 (melting/freezing point) 的差異。 藉由改變操作條件(如降溫冷卻、蒸發濃縮或添加抗溶劑等),使特定成分在溶劑中達到過飽和狀態,進而優先析出形成固體晶體,達到與母液中其他雜質分離純化的目的。

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