樣品處理分離技術(shù)-離子交換分離法（分析制樣技術(shù)課件）

離子交換分離法基本概念課程：分析制樣技術(shù)分析制樣技術(shù)干擾組分或待測(cè)組分的分離方法干擾組分或待測(cè)組分的分離方法萃取分離法沉淀分離法離子交換分離法色譜分離法離子交換分離法定義0101離子交換分離法定義分析制樣技術(shù)定義利用離子交換反應(yīng)(如中和反應(yīng)、復(fù)分解反應(yīng)等)，將混合液中的某些特定離子暫時(shí)交換到離子交換劑上，然后選用合適的洗脫劑，將該離子洗脫下來(lái)，使該離子從原溶液中分離濃縮或提純的操作方法。應(yīng)用大量干擾元素的除去、微量元素的分離和富集、水及化學(xué)試劑的純化等。01離子交換分離法定義分析制樣技術(shù)離子交換劑離子交換劑是一種不溶性的、具有網(wǎng)狀立體結(jié)構(gòu)的、可解離出正離子或負(fù)離子基團(tuán)的固態(tài)物質(zhì)無(wú)機(jī)離子交換劑有機(jī)離子交換劑01離子交換分離法定義分析制樣技術(shù)在無(wú)機(jī)分析中已經(jīng)成為一種有價(jià)值的、有時(shí)甚至是不可取代的分離方法。在有機(jī)分析和生物分析方面也變得日益重要。在衡量分析方面，離子交換分離法所取得的最大成功是61號(hào)元素钷、101號(hào)元素鍆的第一次被確認(rèn)。離子交換分離法特點(diǎn)0202離子交換分離法特點(diǎn)分析制樣技術(shù)特點(diǎn)（1）分離效率高，既能實(shí)現(xiàn)相反電荷離子的分離，又能實(shí)現(xiàn)相近電荷離子的分離。（2）應(yīng)用范圍廣，可以用于分離、富集、純化。02離子交換分離法特點(diǎn)分析制樣技術(shù)（3）使用方便，處理量大，多數(shù)可再生利用。（4）選擇性高，特別是功能性離子交換樹(shù)脂，選擇性分離效果更加突出。（5）操作比較麻煩，周期長(zhǎng)。02離子交換分離法特點(diǎn)分析制樣技術(shù)離子交換分離技術(shù)已滲透應(yīng)用到各種領(lǐng)域中，成為分離與富集很多物質(zhì)組分行之有效的方法之一。成本低，可重復(fù)利用，易于操作勞動(dòng)強(qiáng)度小，無(wú)污染，經(jīng)濟(jì)效應(yīng)好等，離子交換分離技術(shù)得到更廣泛的應(yīng)用，應(yīng)用領(lǐng)域也將越來(lái)越廣闊。離子交換劑的分類(lèi)分析制樣技術(shù)離子交換劑一種不溶性的、具有網(wǎng)狀立體結(jié)構(gòu)的、可解離出正離子或負(fù)離子基團(tuán)的固態(tài)物質(zhì)。材質(zhì)來(lái)源樹(shù)脂的物理結(jié)構(gòu)合成樹(shù)脂所用原料活性基團(tuán)的性質(zhì)及強(qiáng)度根據(jù)離子交換劑材質(zhì)種類(lèi)不同分類(lèi)0101根據(jù)離子交換劑材質(zhì)的種類(lèi)不同分分析制樣技術(shù)無(wú)機(jī)離子交換劑有機(jī)離子交換劑是由天然的黏土、沸石類(lèi)礦物和合成的沸石、分子篩、水合金屬氧化物，多價(jià)金屬酸性鹽類(lèi)等化合物構(gòu)成。應(yīng)用廣泛人工合成的帶有離子交換功能基團(tuán)的高分子聚合物。材質(zhì)種類(lèi)也稱離子交換樹(shù)脂根據(jù)來(lái)源的不同分類(lèi)0202根據(jù)來(lái)源的不同分類(lèi)分析制樣技術(shù)天然離子交換劑人工合成離子交換劑以天然沸石為主，它是最早應(yīng)用的無(wú)機(jī)離子交換劑是含有水的鈉、鈣以及鋇鍶、鉀等硅鋁酸的鹽類(lèi)。合成的沸石來(lái)源分子篩色淺，具玻璃光澤，屬于是陽(yáng)離子交換劑。水合金屬氧化物多價(jià)金屬酸性鹽類(lèi)按照樹(shù)脂的物理結(jié)構(gòu)不同分類(lèi)0303按照樹(shù)脂的物理結(jié)構(gòu)不同分類(lèi)分析制樣技術(shù)（1）（2）（3）凝膠樹(shù)脂大孔樹(shù)脂載體型樹(shù)脂03按照樹(shù)脂的物理結(jié)構(gòu)不同分類(lèi)分析制樣技術(shù)(1)凝膠型由純單體混合物經(jīng)縮合或聚合而成的，外觀呈透明狀的均相凝膠結(jié)構(gòu)的離子交換樹(shù)脂?？紫缎?、少溶脹度較大水溶脹后呈凝膠狀。03按照樹(shù)脂的物理結(jié)構(gòu)不同分類(lèi)分析制樣技術(shù)(2)大孔型由聚合單體和交聯(lián)劑、致孔劑、分散劑等添加劑經(jīng)聚合反應(yīng)制備而成?？状?，溶脹度小，交換速度高，抗污染能力強(qiáng)。03按照樹(shù)脂的物理結(jié)構(gòu)不同分類(lèi)分析制樣技術(shù)(3)載體型一種作為液體色譜的固定相的離子交換樹(shù)脂。以球形硅膠或玻璃球等非活性材料，作為中心核。按照合成樹(shù)脂所用原料不同分類(lèi)0404按照合成樹(shù)脂所用原料不同分類(lèi)分析制樣技術(shù)苯乙烯系丙烯酸系酚醛系合成樹(shù)脂所用原料04按照合成樹(shù)脂所用原料不同分類(lèi)分析制樣技術(shù)(1)苯乙烯系由苯乙烯或其衍生物聚合或以苯乙烯為主與其他不飽和化合物共聚所制得的聚合物。家電、機(jī)械、汽車(chē)、包裝和日用品中最廣泛應(yīng)用的塑料之一。04按照合成樹(shù)脂所用原料不同分類(lèi)分析制樣技術(shù)(2)丙烯酸系丙烯酸樹(shù)脂乳液配制皮革及某些高檔商品的涂飾劑、制取丙烯酸樹(shù)脂漆等，是一種化工中間體。(3)酚醛系電木苯酚和甲醛在催化劑條件下縮聚、經(jīng)中和、水洗而制成的樹(shù)脂，其中以苯酚和甲醛樹(shù)脂最為重要04按照合成樹(shù)脂所用原料不同分類(lèi)分析制樣技術(shù)特點(diǎn)世界上最早由人工合成的，至今仍很重要的高分子材料。具有良好的耐酸性能、力學(xué)性能、耐熱性能。應(yīng)用防腐蝕工程、膠粘劑、阻燃材料、砂輪片制造等行業(yè)。按照活性基團(tuán)的性質(zhì)和強(qiáng)度的不同分類(lèi)0505按照活性基團(tuán)的性質(zhì)和強(qiáng)度的不同分類(lèi)分析制樣技術(shù)離子交換樹(shù)脂陽(yáng)離子交換樹(shù)脂陰離子交換樹(shù)脂特殊離子交換樹(shù)脂05按照活性基團(tuán)的性質(zhì)和強(qiáng)度的不同分類(lèi)分析制樣技術(shù)(1)陽(yáng)離子交換樹(shù)脂酸性基團(tuán)磺酸基（一SO3H)亞甲基磺酸基（一CH2SO3H)磷酸基（一PO3H2)羧基（一COOH)羥基（一OH)強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂弱酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂混合型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂05按照活性基團(tuán)的性質(zhì)和強(qiáng)度的不同分類(lèi)分析制樣技術(shù)①?gòu)?qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂以具有強(qiáng)酸性活性基團(tuán)一SO3H為特征在溶液中可完全離解具有弱酸性的活性基團(tuán)一COOH和一OH這類(lèi)樹(shù)脂受外界酸度的影響較大在分析中應(yīng)用較少②弱酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂③混合型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂含有上述兩種陽(yáng)離子交換樹(shù)脂活性基團(tuán)05按照活性基團(tuán)的性質(zhì)和強(qiáng)度的不同分類(lèi)分析制樣技術(shù)(2)陰離子交換樹(shù)脂堿性基團(tuán)伯胺基一NH3OH仲胺基一NH2CH3OH一叔胺基NH(CH3)2OH季胺基一N(CH3)3OH強(qiáng)堿性陰離子交換樹(shù)脂弱堿性陰離子交換樹(shù)脂05按照活性基團(tuán)的性質(zhì)和強(qiáng)度的不同分類(lèi)分析制樣技術(shù)①?gòu)?qiáng)堿性陰離子交換樹(shù)脂具有強(qiáng)堿性能在水溶液中電離出OH-②弱堿性陰離子交換樹(shù)脂具有弱堿性對(duì)OH-親和力大05按照活性基團(tuán)的性質(zhì)和強(qiáng)度的不同分類(lèi)分析制樣技術(shù)(3)特殊離子交換樹(shù)脂特殊活性交換基團(tuán)兩性樹(shù)脂螯合樹(shù)脂氧化還原樹(shù)脂離子交換樹(shù)脂的結(jié)構(gòu)分析制樣技術(shù)離子交換劑一種不溶性的、具有網(wǎng)狀立體結(jié)構(gòu)的、可解離出正離子或負(fù)離子基團(tuán)的固態(tài)物質(zhì)。種類(lèi)無(wú)機(jī)離子交換劑有機(jī)離子交換劑分析制樣技術(shù)離子交換樹(shù)脂的結(jié)構(gòu)離子交換樹(shù)脂一種不溶于酸堿和有機(jī)溶劑的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的功能高分子化合物。分析制樣技術(shù)離子交換樹(shù)脂的結(jié)構(gòu)（1)具有三維空間立體結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)骨架(通常用R表示)結(jié)構(gòu)（2)與網(wǎng)絡(luò)骨架以共價(jià)鍵相連的活性基團(tuán)，不能自由移動(dòng)（通常用M表示）（3)與活性基團(tuán)以離子鍵聯(lián)結(jié)的可移動(dòng)的活性離子(即可交換離子，如H+、OH-等)分析制樣技術(shù)離子交換樹(shù)脂的結(jié)構(gòu)單體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高分子聚合物骨架交聯(lián)劑與酸、堿、某些有機(jī)溶劑和一般弱氧化物都不起作用，對(duì)熱也較穩(wěn)定。聚苯乙烯型樹(shù)脂單體交聯(lián)劑酚醛樹(shù)脂一OH一SO3單體交聯(lián)劑一SO3H一COOH分析制樣技術(shù)離子交換樹(shù)脂的結(jié)構(gòu)離子交換樹(shù)脂骨架活性基因定基離子可交換離子R—SO3H骨架固定離子交換基團(tuán)交換離子分析制樣技術(shù)離子交換樹(shù)脂的結(jié)構(gòu)活性基因酸性基團(tuán)堿性基團(tuán)特殊基團(tuán)骨架骨架骨架陽(yáng)離子交換樹(shù)脂陰離子交換樹(shù)脂特殊離子交換樹(shù)脂磺酸基羧基等季胺基叔胺基分析制樣技術(shù)離子交換樹(shù)脂的結(jié)構(gòu)陽(yáng)離子交換樹(shù)脂遇水可發(fā)生置換反應(yīng)陰離子交換樹(shù)脂粉狀和球狀，都是人工合成的精糖和高級(jí)食用糖漿的提純水的處理(硬水軟化、高壓鍋爐水、無(wú)離子水、注射水、海水淡化等)廢水中有害陰離子的除去(氰離子、硫氰酸根離子等)稀有元素的提取氨基酸、維生素丙、酒石酸、檸檬酸的分離等分析制樣技術(shù)離子交換樹(shù)脂的結(jié)構(gòu)特殊離子交換樹(shù)脂含有酸、堿兩種基團(tuán)則為兩性樹(shù)脂含有具有螯合能力的基團(tuán)則為螯合樹(shù)脂能使某些離子發(fā)生氧化還原反應(yīng)則為氧化還原樹(shù)脂離子交換樹(shù)脂的性質(zhì)分析制樣技術(shù)離子交換樹(shù)脂的性質(zhì)性質(zhì)物理性質(zhì)外觀含水率溶脹性化學(xué)性質(zhì)交換容量交聯(lián)度親和力物理性質(zhì)0101物理性質(zhì)分析制樣技術(shù)(1)外觀一般為淡黃色、乳白色、褐色或黑色球狀物，在交換過(guò)程中會(huì)發(fā)生顏色變化。粒度以篩的網(wǎng)目表示（60網(wǎng)目、80網(wǎng)目、100網(wǎng)目等）。離子交換性能（粒度小交換速度快，顆粒太小時(shí)流經(jīng)樹(shù)脂溶液流速反而減慢）。01物理性質(zhì)分析制樣技術(shù)(2)含水率單位質(zhì)量樹(shù)脂所含的非游離水分的多少，一股用百分?jǐn)?shù)表示。樹(shù)脂產(chǎn)品固有的性質(zhì)之一。因素類(lèi)別結(jié)構(gòu)酸堿性交聯(lián)度交換容量離子形態(tài)01物理性質(zhì)分析制樣技術(shù)鏈的斷裂、孔結(jié)構(gòu)的變化、交換容量的下降等含水量樹(shù)脂含水量的變化反映出樹(shù)脂內(nèi)在質(zhì)量的變化01物理性質(zhì)分析制樣技術(shù)(3)溶脹性將干燥的樹(shù)脂浸泡于水溶液中，水滲透到樹(shù)脂中，使樹(shù)脂的體積膨脹。一般強(qiáng)酸性和強(qiáng)堿性離子交換樹(shù)脂的溶脹性大。同類(lèi)離子交換樹(shù)脂其交換容量越大，溶脹性越大。電解質(zhì)濃度越大的溶液中，樹(shù)脂溶脹性越小。交換離子的水合程度越大，樹(shù)脂溶脹性越大?；瘜W(xué)性質(zhì)0202化學(xué)性質(zhì)分析制樣技術(shù)(1)交換容量是離子交換樹(shù)脂的工作性能指標(biāo)，它是指離子交換樹(shù)脂交換能力的大小。通常用每克干樹(shù)脂或每毫升溶脹后的樹(shù)脂所能交換的1價(jià)離子的物質(zhì)的量表示。交換反應(yīng)是在樹(shù)脂的活性基團(tuán)上活性基團(tuán)的多少交換能力的大小02化學(xué)性質(zhì)分析制樣技術(shù)(2)交聯(lián)度苯乙烯聚合只會(huì)制得長(zhǎng)鏈的聚苯乙烯，二乙烯苯與苯乙烯共聚合才能得到具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的聚合物。交聯(lián)分子與分子之間的相互聯(lián)結(jié)。交聯(lián)度二乙烯苯是交聯(lián)劑，所含交聯(lián)劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。02化學(xué)性質(zhì)分析制樣技術(shù)交聯(lián)度符號(hào)：“×-”x-4交聯(lián)度4％x-6交聯(lián)度6％x-10交聯(lián)度10％一般樹(shù)脂的交聯(lián)度都比較大，如10％等在水中的溶解度很小，交聯(lián)度也不宜過(guò)大過(guò)大網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)過(guò)于緊密。網(wǎng)間的空隙過(guò)小。妨礙外界離子擴(kuò)散到樹(shù)脂的內(nèi)部。降低離子交換反應(yīng)的速率。02化學(xué)性質(zhì)分析制樣技術(shù)(3)親和力離子交換樹(shù)脂對(duì)離子交換吸附性的大小，被稱為離子交換親和力。主要是因?yàn)殪o電引力因此，離子的相對(duì)半徑小、電荷多，被交換吸附的能力強(qiáng)。離子的水化程度隨著離子半徑的減小和電荷增多而增加。一個(gè)離子被交換程度的大小決定于水化離子的相對(duì)半徑大小和電荷多少。離子半徑小者，其親和力小，反之則大。離子交換操作方法分析制樣技術(shù)離子交換的操作過(guò)程操作步驟步驟1：樹(shù)脂預(yù)處理步驟3：加入料液進(jìn)行離子交換步驟5：加入洗脫劑洗脫步驟2：裝柱步驟4：洗滌步驟6：洗脫液步驟1：樹(shù)脂預(yù)處理0101步驟1：樹(shù)脂預(yù)處理分析制樣技術(shù)

使用前必須經(jīng)過(guò)篩分、凈化處理。相同的分離工作最好使用同批次的樹(shù)脂。研磨、過(guò)篩使粒度符合要求。浸泡使樹(shù)脂充分溶脹。樹(shù)脂粒度不足時(shí)凈化減少雜質(zhì)。01步驟1：樹(shù)脂預(yù)處理分析制樣技術(shù)新樹(shù)脂去離子水浸泡24小時(shí)傾去水后洗至澄清3~5mol/L的鹽酸溶液浸泡24~48小時(shí)去離子水洗滌至中性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂以氫型存在，陰離子交換樹(shù)脂以Cl-型存在。其他形式的樹(shù)脂，可用相應(yīng)的溶液對(duì)樹(shù)脂進(jìn)行轉(zhuǎn)型處理。步驟2：裝柱0202步驟2：裝柱分析制樣技術(shù)(1)工業(yè)設(shè)備

固定床（間歇式交換）

流動(dòng)床（連續(xù)交換）（塑料、鋼制）(2)實(shí)驗(yàn)設(shè)備玻璃柱或有機(jī)玻璃選擇下部有玻璃活塞的玻璃柱，柱長(zhǎng)和柱徑比通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。02步驟2：裝柱分析制樣技術(shù)相差較小時(shí)，需要較長(zhǎng)的柱子。柱子長(zhǎng)，阻力大，需加壓。玻璃柱下放玻璃纖維，防止樹(shù)脂流失。一邊加樹(shù)脂一邊輕敲柱子，防止夾有氣泡。保持液面始終高于樹(shù)脂層，以防止樹(shù)脂干裂。裝好樹(shù)脂后上部再覆蓋一層玻璃纖維。步驟3加入料液進(jìn)行離子交換0303步驟3：加入料液進(jìn)行離子交換分析制樣技術(shù)柱上交換交換反應(yīng)：R-A+B+→R-B+A+被吸附在樹(shù)脂上被交換進(jìn)入料液03步驟3：加入料液進(jìn)行離子交換分析制樣技術(shù)離子交換過(guò)程HHHHHHHH離子交換樹(shù)脂Na+Na+HHHHHH離子交換樹(shù)脂NaNaH+H+放出放出吸著交換03步驟3：加入料液進(jìn)行離子交換分析制樣技術(shù)0VabcdfC0C0C0C0C0heABCDEcC0C交換柱中離子濃度分布規(guī)律和流出液中離子濃度變化曲線○

未交換+未交換步驟4：洗滌0404步驟4：洗滌分析制樣技術(shù)洗滌是為了將殘留在樹(shù)脂上的溶液及其夾帶的物質(zhì)除去或回收，這是離子交換前后洗脫前后的重要步驟，是影響藥物分離純化質(zhì)量的重要因素。適宜的洗滌劑應(yīng)能將樹(shù)脂上殘留的物質(zhì)洗脫下來(lái)，但不與有效組分發(fā)生交換反應(yīng)。最常用的洗滌劑是去離子水（蒸餾水）步驟5：加入洗脫劑洗脫0505步驟5：加入洗脫劑洗脫分析制樣技術(shù)樣品入口淋洗再生劑入口返洗洗脫離子交換完成并經(jīng)洗滌后，被分離物質(zhì)的離子仍保留在樹(shù)脂上，需將其重新交換到適宜的溶液中，以實(shí)現(xiàn)分離純化或濃縮的目的作用使交換到樹(shù)脂上的離子，逐個(gè)從樹(shù)脂上解吸下來(lái)。05步驟5：加入洗脫劑洗脫分析制樣技術(shù)洗脫液一般選用離子強(qiáng)度較大的酸、堿或鹽等溶液。一次分離完成后，使柱內(nèi)樹(shù)脂再生，將柱子恢復(fù)至交換前的狀態(tài)，以備下次應(yīng)用。洗脫之后，樹(shù)脂轉(zhuǎn)為氫型或氫氧型。步驟6：洗脫液0606步驟6：洗脫液分析制樣技術(shù)分離經(jīng)過(guò)前面步驟的操作，待測(cè)離子已全部進(jìn)入洗脫液，這時(shí)可根據(jù)需要對(duì)洗脫液進(jìn)一步處理，最終達(dá)到目標(biāo)物質(zhì)分離與純化的目的。離子交換分離法的應(yīng)用分析制樣技術(shù)離子交換分離法應(yīng)用大量干擾元素的除去微量元素的分離和富集水及化學(xué)試劑的純化是現(xiàn)代分析化學(xué)中重要的化學(xué)分離技術(shù)之一。分析制樣技術(shù)離子交換分離法應(yīng)用應(yīng)用去離子水的制備痕量元素的預(yù)富集性質(zhì)相似元素的分離生物大分子分離——高效離子交換色譜法去離子水的制備0101去離子水的制備分析制樣技術(shù)離子交換法純化該法用氫型強(qiáng)酸陽(yáng)離子交換樹(shù)脂（RH）除去水中的陽(yáng)離子。交換出來(lái)的H+和OH-結(jié)合生成水。再用強(qiáng)堿陰離子交換樹(shù)脂（ROH）除去水中的陰離子。01去離子水的制備分析制樣技術(shù)離子交換Nacl陽(yáng)離子交換樹(shù)脂陰離子交換樹(shù)脂H+OH-進(jìn)行離子交換進(jìn)行離子交換陽(yáng)離子交換樹(shù)脂陰離子交換樹(shù)脂Na+Cl-H2O01去離子水的制備分析制樣技術(shù)有機(jī)玻璃離子交換裝置FY組合型凈水器，集凈化殺菌為一體凈水效果痕量元素的預(yù)富集0202痕量元素的預(yù)富集分析制樣技術(shù)采用儀器分析法（如原子吸收或發(fā)射光譜法、分光光度法、極譜法等）直接測(cè)定痕量元素的含量尚有困難。由于儀器的檢測(cè)限達(dá)不到測(cè)量要求大量基體干擾測(cè)定02痕量元素的預(yù)富集分析制樣技術(shù)用離子交換技術(shù)可將痕量元素從幾升或幾十升溶液中交換到小柱上，然后用少量淋洗液洗脫，這樣痕量元素的富集倍數(shù)可達(dá)103～105。一種測(cè)定到10-6mol/L的方法，經(jīng)離子交換富集后可測(cè)定到10-9～10-11mol/L。02痕量元素的預(yù)富集分析制樣技術(shù)為了富集痕量元素必須選擇合適的離子交換劑-洗脫劑體系，使被富集元素對(duì)離子交換劑有很高的親和力。被分