離子交換分離法演示

（優(yōu)選）離子交換分離法當(dāng)前1頁(yè)，總共37頁(yè)。定義及特點(diǎn)離子交換劑的種類和性質(zhì)基本理論基本操作應(yīng)用當(dāng)前2頁(yè)，總共37頁(yè)。離子交換法是利用溶液通過(guò)離子交換劑（離子交換樹(shù)脂）時(shí)發(fā)生在溶液和離子交換劑之間的相同符號(hào)的離子交換作用而使離子分離的方法。

各種離子與離子交換樹(shù)脂交換能力不同，被交換到樹(shù)脂上的離子可選用適當(dāng)?shù)南疵搫┮来蜗疵?，從而達(dá)到分離目的定義當(dāng)前3頁(yè)，總共37頁(yè)。

（1）分離效率高能用于帶相反電荷離子分離，又能用于帶相同電荷及性質(zhì)相近離子的分離

（2）應(yīng)用廣既可用于分離，又可用于富集，還可用高純物制備及蛋白質(zhì)、核酸、酶等生物活性物的純化

（3）分離過(guò)程周期長(zhǎng)、耗時(shí)多所以僅用于解決分析中較困難的分離問(wèn)題特點(diǎn)：當(dāng)前4頁(yè)，總共37頁(yè)。離子交換樹(shù)脂離子交換樹(shù)脂的結(jié)構(gòu)帶有活性基團(tuán)的網(wǎng)狀高分子聚合物骨架活性基團(tuán)酚醛樹(shù)脂聚乙烯樹(shù)脂交聯(lián)劑酸性基團(tuán)堿性基團(tuán)—SO3H—COOH—N+R3—NR2Ionexchangeresins特殊基團(tuán)當(dāng)前5頁(yè)，總共37頁(yè)。聚苯乙烯磺酸型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂聚合磺化交聯(lián)劑交聯(lián)作用活性基團(tuán)R-SO3H+M+=R-SO3M+H+當(dāng)前6頁(yè)，總共37頁(yè)。離子交換樹(shù)脂的分類依據(jù)活性基團(tuán)分類陽(yáng)離子交換樹(shù)脂陰離子交換樹(shù)脂螯合樹(shù)脂兩性交換樹(shù)脂強(qiáng)酸型弱酸型交換基為酸性，H+與陽(yáng)離子交換—SO3H—COOH—OHpH>2pH>6使用pH范圍pH>10交換基為堿性，陰離子發(fā)生交換強(qiáng)堿型弱堿型—N+(CH3)3Cl-—N+H3OH-—N+H2ROH-—N+HR2OH-pH<12pH<4含有特殊螯合基團(tuán)的樹(shù)脂電子交換樹(shù)脂，含有氧化還原功能基團(tuán)當(dāng)前7頁(yè)，總共37頁(yè)。強(qiáng)堿型陰離子樹(shù)脂弱酸型陽(yáng)離子樹(shù)脂弱堿型陰離子樹(shù)脂當(dāng)前8頁(yè)，總共37頁(yè)。（1）交聯(lián)度

交聯(lián)度與交換容量交聯(lián)度大，水脹性差，網(wǎng)眼小，交換速度慢，選擇性好，機(jī)械強(qiáng)度好。

交聯(lián)度小，水脹性好，網(wǎng)眼大，交換速度快，選擇性差，機(jī)械強(qiáng)度差。

一般交聯(lián)度4%～14%為宜交聯(lián)度=交聯(lián)劑用量/反應(yīng)物總量×100%樹(shù)脂在合成中分子間相互連成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)稱之“交聯(lián)”當(dāng)前9頁(yè)，總共37頁(yè)。（2）交換容量樹(shù)脂質(zhì)量的重要指標(biāo)取決于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)所含活性基團(tuán)數(shù)目

①全交換容量：理論值，為特征常數(shù)，不隨條件變化；

②有效（工作）交換容量：實(shí)測(cè)值，與實(shí)驗(yàn)條件有關(guān)。

定義：每克干樹(shù)脂能交換的物質(zhì)的量（mmol/g）當(dāng)前10頁(yè)，總共37頁(yè)。離子交換分離的理論交換平衡唐南理論吸水溶脹樹(shù)脂彈性凝膠電解質(zhì)溶液半透膜A+R-A+溶液中B+C-唐南排斥C-唐南入侵唐南理論當(dāng)前11頁(yè)，總共37頁(yè)。離子交換動(dòng)力學(xué)與溶劑萃取相比，離子交換是在固相與液相之間完成，交換速度比較慢，對(duì)分離效率的影響較大。一般的離子交換過(guò)程有五個(gè)步驟：溶液離子向樹(shù)脂表面擴(kuò)散（膜擴(kuò)散）；離子通過(guò)樹(shù)脂表面向內(nèi)部擴(kuò)散（顆粒擴(kuò)散）；“慢”樹(shù)脂內(nèi)進(jìn)行離子交換（交換反應(yīng)）；已交換離子從樹(shù)脂內(nèi)部向外擴(kuò)散（顆粒擴(kuò)散）；“慢”已交換離子由樹(shù)脂表面向本體溶液擴(kuò)散（膜擴(kuò)散）。M④-SO3HMH①②③⑤當(dāng)前12頁(yè)，總共37頁(yè)。離子交換樹(shù)脂靠靜電引力使離子進(jìn)行交換，所以離子水合半徑r，離子電荷Z，極化度等，均與親和力有關(guān)。

一般規(guī)律：

1.強(qiáng)酸型離子交換樹(shù)脂

（1）不同價(jià)態(tài)離子，Z越大，親和力越大；

Na+<Ca2+<Al3+<Th(Ⅳ)

（2）同價(jià)態(tài)離子，水合半徑r越小，親和力越大；

Li+<H+<Na+<NH4+<K+<Rb+<Cs+<Ag+<Tl+

（3）二價(jià)離子的親和力順序?yàn)椋?/p>

UO22+<Mg2+<Zn2+<Co2+<Cu2+<Cd2+<Ni2+<Sr2+<Pb2+<Ba2+

（4）稀土元素的親和力隨原子序數(shù)增加而減小。離子交換樹(shù)脂的親和力當(dāng)前13頁(yè)，總共37頁(yè)。２.強(qiáng)堿型陰離子交換樹(shù)脂

F-<OH-<Ac-<HCOO-<Cl-<NO2-<CN-<Br-<C2O42-

<NO3-<HSO4-<I-<CrO42-<SO42-<檸檬酸根

當(dāng)前14頁(yè)，總共37頁(yè)。1、樹(shù)脂的選擇、預(yù)處理及裝柱

（1）選擇

依分離對(duì)象和要求，選擇適當(dāng)?shù)念愋秃驼扯鹊臉?shù)脂。

離子交換分離操作測(cè)定陽(yáng)離子,陰離子干擾陰離子交換樹(shù)脂測(cè)定陽(yáng)離子,陽(yáng)離子干擾陽(yáng)離子交換樹(shù)脂制備去離子水分析用顆粒粗(目數(shù)小)顆粒細(xì)(目數(shù)大)當(dāng)前15頁(yè)，總共37頁(yè)。水浸泡（1—2d）——2—3倍2mol/LHCl浸泡（1—2d）——水洗至中性——得H+陽(yáng)離子交換樹(shù)脂或Cl-陰離子交換樹(shù)脂（2）預(yù)處理晾干——研磨——過(guò)篩——浸泡/轉(zhuǎn)型也可依需要用NaCl，NaOH，NH4Cl或Na2SO4等浸泡，使之轉(zhuǎn)為相應(yīng)的類型。當(dāng)前16頁(yè)，總共37頁(yè)。（3）裝柱：

玻璃、塑料：L=10—30cm,φ=1.2～0.6cm（注意帶水裝）當(dāng)前17頁(yè)，總共37頁(yè)。2、柱上操作

（1）交換

試液按一定流速流經(jīng)交換柱。

（2）洗滌

用空白液（多用水），將上層殘液及交換出的離子洗下去。

（3）洗脫（解析）

將置換上柱子的離子用淋洗劑（洗脫劑）置換下來(lái)。

一般：陽(yáng)樹(shù)脂——HCl溶液洗脫；

陰樹(shù)脂——HCl、NaCl或NaOH等。

（4）再生（轉(zhuǎn)型）

使樹(shù)脂回復(fù)至交換前形式（有時(shí)洗滌過(guò)程即再生過(guò)程）

當(dāng)前18頁(yè)，總共37頁(yè)。強(qiáng)酸型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂分離示例Cl-,K+,Na+,Ag+的分離K：親和力H+<Na+<K+<Ag+H2O游離狀態(tài)交換反應(yīng)當(dāng)前19頁(yè)，總共37頁(yè)。H+<Na+<K+<Ag+CtNa+K+Ag+前一狀態(tài)洗脫淋洗曲線當(dāng)前20頁(yè)，總共37頁(yè)。

隨著試液不斷地流經(jīng)柱子，交換了的樹(shù)脂層越來(lái)越厚，繼續(xù)加試液于交換柱中，則流出液中開(kāi)始出現(xiàn)未被交換的離子．此時(shí)交換過(guò)程達(dá)到了“始漏點(diǎn)”，被交換到柱上的離子的量(mmol)稱為該交換柱在此條件下的“始漏量”（break-throughcapacity）

交換容量與始漏量：交換柱的總交換容量大于始漏量。（由于達(dá)到始漏點(diǎn)時(shí)，柱上還有未交換的樹(shù)脂）。始漏量當(dāng)前21頁(yè)，總共37頁(yè)。離子種類——親和力強(qiáng),始漏量大樹(shù)脂顆粒大小——細(xì),始漏量大溶液流速——大,始漏量小溫度——高,始漏量大交換柱形狀——一定量樹(shù)脂,柱細(xì),始漏量大影響始漏量的因素柱高:20-40cm流速:2-5mL/min當(dāng)前22頁(yè)，總共37頁(yè)。一、去離子水的制備自來(lái)水過(guò)濾R-SO3H柱RN(CH3)3OH柱去離子水混合柱RN(CH3)3OH柱離子交換分離應(yīng)用除去水中：Ca2+，Mg2+，K+，Na+及少量Fe3+；Cl–CO3

2-及少量S2－當(dāng)前23頁(yè)，總共37頁(yè)。二.微量組分的分離富集

礦石中痕量鉑、鈀的測(cè)定：

（1）礦石溶解（2）加入較濃的HCl，Pt(IV)，Pd(II)轉(zhuǎn)化為PtCl62-

或PdCl42-陰離子（3）試液通過(guò)裝有Cl-強(qiáng)堿性陰離子交換樹(shù)脂微型交換（4）PtCl62-或PdCl42-被交換于樹(shù)脂上（5）取出樹(shù)脂——高溫灰化——王水浸取殘?jiān)ㄈ荩?）分光光度法測(cè)定Pt(IV)，Pd(II)。當(dāng)前24頁(yè)，總共37頁(yè)。三.相同電荷離子的分離Li+，Na+，K+的分離：

（1）含有Li+，Na+，K+的混合溶液通過(guò)強(qiáng)酸型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂柱，三種離子都被樹(shù)脂吸附。

（2）用0.1mol/L的HCl淋洗，三種離子都被洗脫。(3）根據(jù)樹(shù)脂對(duì)這三種離子親和力的不同,可做淋洗曲線。

(4）將洗脫下來(lái)的Li+，Na+，K+分別用容器收集后進(jìn)行測(cè)定。當(dāng)前25頁(yè)，總共37頁(yè)。四.干擾組分的分離

（1）重量法測(cè)定硫酸根：

當(dāng)有大量Fe3+存在時(shí)，產(chǎn)生嚴(yán)重的共沉淀現(xiàn)象，而影響測(cè)定。用陽(yáng)離子交換樹(shù)脂消除Fe3+的干擾，測(cè)定流出液中HSO4-。（2）比色法測(cè)定鋼鐵中的Al3+或鑄鐵中Mg2+：大量Fe3+干擾測(cè)定。可將試樣溶解于9M的HCl溶液中，使Fe3+以FeCl42-形式存在，然后以陰離子交換樹(shù)脂消除Fe3+的干擾，測(cè)定流出液中Al3+和Mg2+.（3）

堿滴定法測(cè)定硼鎂礦中的硼使用陽(yáng)離子交換樹(shù)脂消除礦石中陽(yáng)離子的干擾，測(cè)定流出液中H3BO3。當(dāng)前26頁(yè)，總共37頁(yè)。五、有機(jī)化合物的分離（包括農(nóng)藥殘余和抗生素）凡是在水溶液中能離解的有機(jī)化合物如羧酸、酚、胺類等，可用離子交換法分離。羧基、酚基在pH值較大時(shí)以—COO-,--O-形式存在，可被交換在陰離子交換樹(shù)脂；含氮有機(jī)化合物在pH較小時(shí)形成-NH3?、=NH2-、=NH+而被陽(yáng)離子交換樹(shù)脂所交換。應(yīng)該指出的是，在交換分子量較大的有機(jī)離子時(shí)，一般要采用較小交聯(lián)度的樹(shù)脂（1-4%），這種樹(shù)脂的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)較稀疏，容易吸附大的離子，所以適合于有機(jī)堿、有機(jī)酸的分離。

當(dāng)前27頁(yè)，總共37頁(yè)。六、在工業(yè)上的應(yīng)用工業(yè)鹽酸的純化：黃色Fe3+從非極性或弱極性有機(jī)產(chǎn)品除去極性有機(jī)雜質(zhì)。例如從汽油、煤油、苯、甲苯中除去吡啶、酚、羧酸等雜質(zhì)。藥品食品工業(yè)中的脫鹽，以及除去有毒的金屬離子，如砷、鉛、汞、硫等。電鍍和膠片洗印廢水處理：消除污染，回收貴金屬牛奶中重金屬離子的分離富集。當(dāng)前28頁(yè)，總共37頁(yè)。七．螯合樹(shù)脂螯合樹(shù)脂是一種對(duì)金屬離子具有選擇性吸附能力的離子交換樹(shù)脂。它以高選擇性和穩(wěn)定性在痕量分析方面具有獨(dú)特的作用。螯合樹(shù)脂在其功能團(tuán)中常含有O、N、S、P和As等原子，它們與金屬離子往往形成多配位絡(luò)合物。當(dāng)前29頁(yè)，總共37頁(yè)。螯合樹(shù)脂的分類（按螯合基團(tuán)分）亞氨基二乙酸型樹(shù)脂

8-羥基喹啉型樹(shù)脂和8-氨基喹啉型樹(shù)脂水楊酸型冠醚型

從分離的角度看，高選擇性的螯合樹(shù)脂是離子交換樹(shù)脂的發(fā)展方向。例如，新合成的氨羧型LZ-85樹(shù)脂能選擇性地從大量鈷中分離出微量鎳。當(dāng)前30頁(yè)，總共37頁(yè)。亞氨基二乙酸型即EDTA型樹(shù)脂是一種“廣譜性”的應(yīng)用廣泛的螯合樹(shù)脂。它具有較高的交換容量(4-%meq/g)，主要用于二價(jià)離子與堿金屬的分離。主要商品牌號(hào)有DowexA-1、Chelex-100、DiaionCR-10、KT-1及國(guó)產(chǎn)的D401等。

Chelex-100型螯合樹(shù)脂的性能：pH6-14；0.5meq./ml；75℃使用。吸附順序?yàn)椋篊u>Pb>Fe3＋>Al>Cr3＋>Ni>Zn>Ag>Co>Cd>Fe3＋>Mn2＋>Ba>Ca>Ni>K。例如，用DowexA-1樹(shù)脂可從濃碳酸溶液和鹽水中分出少量的堿土金屬及其它二價(jià)過(guò)渡金屬離子如Cu2＋、Zn2＋等；用Chelex-100型螯合樹(shù)脂可從海水中富集ppb級(jí)的Cu2＋、Pb2＋、Cd2＋等離子。當(dāng)前31頁(yè)，總共37頁(yè)。螯合樹(shù)脂的特點(diǎn)①高選擇性：螯合樹(shù)脂的最大特點(diǎn)在于它的選擇性。這主要是樹(shù)脂中引入具有一定選擇性的分析功能團(tuán)。由于引入到樹(shù)脂的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中的螯合基團(tuán)的旋轉(zhuǎn)自由度大為降低，因此它形成螯合物的能力相對(duì)減弱，選擇性可望進(jìn)一步提高。在某些場(chǎng)合下，離子交換樹(shù)脂可能進(jìn)一步提高分析功能團(tuán)的選擇性。②穩(wěn)定性：正如普通的離子交換樹(shù)脂一樣，螯合樹(shù)脂具有較高的穩(wěn)定性。③交換速度：螯合樹(shù)脂與金屬離子的交換過(guò)程較為緩慢，這不僅與樹(shù)脂交聯(lián)度/孔徑有關(guān)，而且與樹(shù)脂母體的特性有關(guān)。使用親水性交換劑，或使用纖維狀吸附劑，可能大幅度提高吸附速度。當(dāng)前32頁(yè)，總共37頁(yè)。螯合樹(shù)脂的應(yīng)用

使用優(yōu)點(diǎn)：①操作容易；②可重復(fù)使用；③無(wú)需特殊試劑等。在從大量共存離子中選擇性地分離富集待測(cè)離子，以及在去除重金屬等環(huán)境污染物有廣泛的應(yīng)用。1)海水中的痕量元素：NH4＋型的Chelex-100螯合樹(shù)脂，50-100目，12柱。PH7.5-8試液，<5ml/min流速過(guò)柱。Cd、Co、Cr、Cu、Fe、Mn、Ni、Pb、U、Zn等20多種金屬離子富集在柱上。然后用2.5mol/LHNO3洗脫，可用多種方法測(cè)定。2)