仪器第十二章化学中的分离技术

1、第十二章第十二章 分析化学中的分析化学中的分离技术分离技术一、一、 概述概述二、二、 常用分离方法常用分离方法三、现代分离技术进展三、现代分离技术进展四、分离基本原理四、分离基本原理第一节第一节 概述概述一、概述一、概述 1. 1. 分析对象的复杂性分析对象的复杂性 天然产物天然产物提取具有生理活性的组分；如紫杉醇提取具有生理活性的组分；如紫杉醇 中草药中草药有效组分的测定、分离有效组分的测定、分离2. 2. 药物、高纯试剂的制备药物、高纯试剂的制备 青霉素过敏的原因：含微量其他组分；青霉素过敏的原因：含微量其他组分； 提纯后提纯后可口服可口服 235235铀、铀、 238238铀的分离：铀的

2、分离： 利用利用235235UFUF6 6和和235235UFUF6 6蒸汽扩散速度蒸汽扩散速度的差别。的差别。3. 3. 分析过程中的干扰分析过程中的干扰 仪器分析的选择性和灵敏度不断提高，仪器分析的选择性和灵敏度不断提高， 但在很多情况下有干扰存在，干扰组分须分离。但在很多情况下有干扰存在，干扰组分须分离。分离在定量分析中的作用分离在定量分析中的作用 (1) (1) 将被测组分从复杂体系中分离出来后测定将被测组分从复杂体系中分离出来后测定 (2) (2) 把对测定有干扰的组分分离除去把对测定有干扰的组分分离除去 (3) (3) 将性质相近的组分相互分开将性质相近的组分相互分开 (4) (4

3、) 把微量或痕量的待测组分通过分离达到富集的目的把微量或痕量的待测组分通过分离达到富集的目的二、常用分离方法、常用分离方法 解决常规分离技术（蒸馏、重结晶、萃取等）所不能解决解决常规分离技术（蒸馏、重结晶、萃取等）所不能解决的分离问题；性质特别接近物质的分离。的分离问题；性质特别接近物质的分离。1. 沉淀分离法沉淀分离法 传统的分离方法。采用沉淀剂；属于液传统的分离方法。采用沉淀剂；属于液- -固分离。固分离。2. 溶剂萃取分离法溶剂萃取分离法 被分离物质由一液相转入互不相溶的另一液相的过程；被分离物质由一液相转入互不相溶的另一液相的过程； 液液- -液两相：使用互不相溶的两种溶剂。液两相：使

4、用互不相溶的两种溶剂。 如：液液萃取法、超临界萃取法等。如：液液萃取法、超临界萃取法等。3. 离子交换分离法离子交换分离法 通过带电荷溶质与固体（或液体）离子交换剂中可交换通过带电荷溶质与固体（或液体）离子交换剂中可交换的离子进行反复多次交换而达到分离。的离子进行反复多次交换而达到分离。4. 膜分离技术膜分离技术 是目前发展较快的一种分离方法；是目前发展较快的一种分离方法； 原理：模拟生物分离过程；原理：模拟生物分离过程； 如：利用半透膜（高选择性）淡化海水。如：利用半透膜（高选择性）淡化海水。5. 色谱分离方法色谱分离方法 如：柱层析、制备型气相色谱、制备型液相色谱；如：柱层析、制备型气相色

5、谱、制备型液相色谱；三、现代分离技术的进展三、现代分离技术的进展 现代分离技术以膜分离技术、高效制备色谱、超临界现代分离技术以膜分离技术、高效制备色谱、超临界萃取为代表。萃取为代表。 生物技术的发展需要高效分离技术，从而推动现代分生物技术的发展需要高效分离技术，从而推动现代分离技术的发展，如：核酸、酶、蛋白质、多肽等的活性纯离技术的发展，如：核酸、酶、蛋白质、多肽等的活性纯化等；化等； 四、分离的基本原理四、分离的基本原理1. 分配系数和分离比分配系数和分离比 描述被分离组分在两相中的分配平衡；判断分离的难易描述被分离组分在两相中的分配平衡；判断分离的难易程度；程度； 溶质溶质A A在两相（相

6、在两相（相1 1和相和相2 2）中的活度之比（在一定温）中的活度之比（在一定温度下是一个常数），度下是一个常数），分配系数分配系数：221121)()()()()(AAAAAPAAaaK a 、A、 分别为活度、浓度、活度系数。分别为活度、浓度、活度系数。 两组分分配系数相差越大越易分离；两组分的两组分分配系数相差越大越易分离；两组分的分离比分离比：APBPKK)()( 分配系数大者为分子项，分离比分配系数大者为分子项，分离比1。2. 回收因子与分离因子回收因子与分离因子定量分析对分离的要求：定量分析对分离的要求： 待测组分待测组分A A在分离过程中的损失要小，即回收完全；在分离过程中的损失要

7、小，即回收完全； 干扰组分干扰组分B B的残留量小。的残留量小。两个量化参数：回收因子（回收率）两个量化参数：回收因子（回收率）RA和分离因子和分离因子SB/A。回收因子：回收因子：BAAAQQAAR)( 在试样中的量在试样中的量的回收量的回收量分离后分离后 常量常量分析中，要求分析中，要求RA达到达到0.999。分离因子：分离因子： 或称分离系数，用来表达或称分离系数，用来表达A 与与B 的分离程度；的分离程度； 由分离因子与由分离因子与A、B 的原始比率乘积可得到最终分离后的原始比率乘积可得到最终分离后两组分的比值；两组分的比值； 分离因子分离因子SB/A ： 00/)()(ABABABQ

8、QSQQ 故：故： 常量分析中，要求常量分析中，要求SB/A达到达到0.001；痕量分析要求达到；痕量分析要求达到10-6。ABABBAABRRQQQQS 00/)()(第十二章第十二章 分析化学中的分析化学中的分离技术分离技术一、一、 无机沉淀剂沉淀分离无机沉淀剂沉淀分离法法二、二、 有机试剂沉淀分离法有机试剂沉淀分离法三、三、 盐析法盐析法第二节第二节 沉淀分离法沉淀分离法一、无机沉淀剂沉淀分离法一、无机沉淀剂沉淀分离法对沉淀反应的要求：对沉淀反应的要求： 所生成的沉淀溶解度小、纯度高、稳定所生成的沉淀溶解度小、纯度高、稳定沉淀剂：沉淀剂：NaOH，NH4OH影响因素：溶液影响因素：溶液p

9、H ，共沉淀现象共沉淀现象1. 氢氧化物沉淀分离法氢氧化物沉淀分离法表 各种金属离子氢氧化物开始沉淀和沉淀完全时的 pH 值氢氢氧氧化化物物溶溶度度积积 KSP开开始始沉沉淀淀时时的的 pH 值值M+=0.01molL-1沉沉淀淀完完全全时时的的 pH 值值M+=0.01molL-1Sn(OH)4110-570.51.3TiO(OH)2110-290.52.0Sn(OH) 2110-271.73.7Fe(OH) 3110-382.23.5Al(OH) 3110-324.15.4Cr(OH) 3110-314.65.9Zn(OH) 2110-176.58.5Fe(OH) 2110-157.59.

10、5Ni(OH) 2110-186.48.4Mn(OH) 2110-138.810.8Mg(OH) 2110-119.611.62.2.硫化物沉淀分离法硫化物沉淀分离法沉淀剂：沉淀剂：H2S约约40余种金属离子可生成难溶硫化物沉淀；余种金属离子可生成难溶硫化物沉淀；各种金属硫化物沉淀的溶解度相差较大；各种金属硫化物沉淀的溶解度相差较大；根据根据H2S的分布曲线，溶液中的分布曲线，溶液中S2-的浓度与的浓度与pH有关，控制有关，控制溶液溶液pH 可控制分步沉淀。可控制分步沉淀。H2S 有毒，气味难闻；有毒，气味难闻；选择性差。选择性差。二、有机试剂沉淀分离法、有机试剂沉淀分离法 特点：高选择性、高

11、灵敏度、应用普遍；特点：高选择性、高灵敏度、应用普遍； 有机沉淀剂与金属离子生成的三种沉淀类型：有机沉淀剂与金属离子生成的三种沉淀类型：1. 螯合物沉淀螯合物沉淀 8-羟基喹啉与羟基喹啉与Mg2+生成六元环结构的螯合物沉淀；生成六元环结构的螯合物沉淀； 在氨缓冲溶液中，可实现镁与碱金属及碱土金属的分离；在氨缓冲溶液中，可实现镁与碱金属及碱土金属的分离；2. 缔合物沉淀缔合物沉淀 四苯基硼化物与四苯基硼化物与K+的反应产物；溶度积的反应产物；溶度积2.2510-8；3. 三元配合物沉淀三元配合物沉淀 提高选择性和灵敏度的一条途径；提高选择性和灵敏度的一条途径；三、盐析法三、盐析法 原理：在溶液中

12、加入原理：在溶液中加入中性盐中性盐使溶质生成沉淀析出；使溶质生成沉淀析出； 特点：易产生共沉淀，选择性差；成本低；方法简便；特点：易产生共沉淀，选择性差；成本低；方法简便； 应用：蛋白质的分离，对其生物活性有稳定作用；应用：蛋白质的分离，对其生物活性有稳定作用； 常用的中性盐：硫酸盐、磷酸盐、氯化物等；在常用的中性盐：硫酸盐、磷酸盐、氯化物等；在蛋白质的分离中硫酸铵、硫酸钠应用较多。蛋白质的分离中硫酸铵、硫酸钠应用较多。第十二章 分析化学中的分离技术一、分配系数和逆流分配一、分配系数和逆流分配分离分离二、间歇操作的萃取效率二、间歇操作的萃取效率三、溶剂选择的一般规律三、溶剂选择的一般规律第三节

13、 溶剂萃取分离法一、分配系数和逆流分配分离 萃取分离的原理与特点：萃取分离的原理与特点： 定义定义： 被分离物质由一液相转入互不相溶另一液相的过程。被分离物质由一液相转入互不相溶另一液相的过程。 特点特点：萃取分离体系由互不相溶的两液相组成；：萃取分离体系由互不相溶的两液相组成； 原理原理：被分离组分在两液相中的溶解度具有较大的差异；：被分离组分在两液相中的溶解度具有较大的差异；1. 分配系数分配系数 萃取是溶质在两相中经过充分振摇，达到平衡后按一定比例重新分萃取是溶质在两相中经过充分振摇，达到平衡后按一定比例重新分配的过程。在恒温、恒压、较稀浓度下，溶质在两相中达到平衡时，溶配的过程。在恒温

14、、恒压、较稀浓度下，溶质在两相中达到平衡时，溶质在两相中的浓度比值为一常数（分配系数），即：质在两相中的浓度比值为一常数（分配系数），即：恒温，恒压恒温，恒压 21ccKc1 、c2 分配平衡后，溶质在上、下层液相中的浓度。分配平衡后，溶质在上、下层液相中的浓度。讨论：讨论：n不同溶质在不同的溶剂中具有不同的不同溶质在不同的溶剂中具有不同的 K 值；值；nK 值越大表示该溶质在上层溶剂中的溶解度越大；值越大表示该溶质在上层溶剂中的溶解度越大；n当混合物中各组分的当混合物中各组分的K 值很接近时，须通过不断更新溶值很接近时，须通过不断更新溶剂进行多次抽提才能彼此分离；剂进行多次抽提才能彼此分离；

15、n分配系数与物质在两相体系中的溶解度有关，但分配分配系数与物质在两相体系中的溶解度有关，但分配系数不等于溶质在两种溶剂中溶解度的比值。溶解度系数不等于溶质在两种溶剂中溶解度的比值。溶解度是指饱和状态，萃取则常用于稀溶液；是指饱和状态，萃取则常用于稀溶液；分配比：分配比： 分配系数用于描述溶质为单一形式存在的情况，如果有分配系数用于描述溶质为单一形式存在的情况，如果有多种存在形式，则引入多种存在形式，则引入分配比分配比D： c1总总 、c2总总 为分配平衡后溶质（包括所有的存在形式）为分配平衡后溶质（包括所有的存在形式）分别在上、下层液相中的总浓度。分别在上、下层液相中的总浓度。 当溶质以为单一

16、形式存在时，当溶质以为单一形式存在时，K=D恒温，恒压总总21ccD2. 萃取液萃取液 两相溶剂系统：两相溶剂系统： 水相：水水相：水 有机相：碳烃化合物、醚、酯等有机相：碳烃化合物、醚、酯等3. 多次间歇萃取多次间歇萃取 当一次萃取不能满足要求时，采取多次萃取。当一次萃取不能满足要求时，采取多次萃取。4. 逆流分配萃取逆流分配萃取 逆流分配仪：可连续上百次萃取。逆流分配仪：可连续上百次萃取。二、间歇操作的萃取效率 设试样水溶液体积为设试样水溶液体积为V水水（mL），），组分组分A的总量为的总量为XA（mmol），），加入有机溶剂体积加入有机溶剂体积V有有（mL），），经过一次萃取后，经过一次

17、萃取后，A在水相中的残留量为在水相中的残留量为YA（mmol），），其分配系数其分配系数K：水水有有水水有有）（VYVYXccKAAA/ 以回收率表示萃取效率，则组分以回收率表示萃取效率，则组分A的萃取率的萃取率RA的定义是：的定义是：有水有有有水水有有）（）（）（在两相中的总量组分在有机相中的量组分KVVKVVcVcVcXYXAARAAAAAAA残余在水相中残余在水相中A的分数的分数fA与萃取率与萃取率RA的关系是：的关系是：KKRVVA1则，如果有水有水水KVVVRfAA1KfVVA 11则则，当当有有水水如果用等体积溶剂进行如果用等体积溶剂进行n次萃取，则次萃取，则为：为：nnAnAKV

18、VVfR有水水1)(1)(三、溶剂选择的一般规律 （1）选择一种对被分离物质溶解度大而对杂质溶解度小）选择一种对被分离物质溶解度大而对杂质溶解度小的溶剂，使被分离物质从混合组分中有选择性地分离；的溶剂，使被分离物质从混合组分中有选择性地分离； （2）选择一对被分离物质溶解度小而对杂质溶解度大的）选择一对被分离物质溶解度小而对杂质溶解度大的溶剂，使杂质分离；溶剂，使杂质分离； （3）溶剂的选择原则：溶剂的选择原则：“相似相溶相似相溶”； 常见溶剂的极性大小顺序：常见溶剂的极性大小顺序： 饱和烃类饱和烃类全氯代烃类全氯代烃类不饱和烃类不饱和烃类醚类醚类未全氯代烃类未全氯代烃类酯类酯类芳胺类芳胺类酚

19、类酚类酮类酮类醇类醇类第十二章 分析化学中的分离方法一、一、离子交换与离子交换树离子交换与离子交换树脂脂二、二、离子交换亲和力与分离离子交换亲和力与分离效率效率三、离子交换分离法的应用三、离子交换分离法的应用第四节 离子交换分离法一、离子交换与离子交换树脂 1. 离子交换反应离子交换反应离子交换分离法是通过试样离子在离子交换剂（固相）和淋洗液（液离子交换分离法是通过试样离子在离子交换剂（固相）和淋洗液（液相）之间的分配（离子交换）而达到分离的方法。分配过程是一离子交换相）之间的分配（离子交换）而达到分离的方法。分配过程是一离子交换反应过程。反应过程。 阳离子交换反应：阳离子交换反应： Resi

20、n-SO3H + Na+ = Resin-SO3 Na + H+ Resin-SO3Na + H+ = Resin-SO3 H + Na+ 阴离子交换反应：阴离子交换反应： Resin-N(CH3) 3OH + Cl- = N(CH3) 3 Cl + OH+ Resin-N(CH3) 3 Cl + OH- = N(CH3) 3 OH + Cl - 2. 离子交换树脂离子交换树脂 离子交换反应发生在离子交换树脂上的具有可交换离离子交换反应发生在离子交换树脂上的具有可交换离子的活性基团上。离子交换树脂是以高分子聚合物为骨架，子的活性基团上。离子交换树脂是以高分子聚合物为骨架，反应引入活性基团构成。

21、高分子聚合物以苯乙烯反应引入活性基团构成。高分子聚合物以苯乙烯-二乙烯苯二乙烯苯共聚物小球常见，可引入各种特性的活性基团，使之具有选共聚物小球常见，可引入各种特性的活性基团，使之具有选择性。择性。 Resin-SO3H（氢型）树脂的酸性最强，其氢型）树脂的酸性最强，其Resin-SO3 Na（钠型）比氢型稳定，商品常为钠型，使用前用酸淋洗钠型）比氢型稳定，商品常为钠型，使用前用酸淋洗转型（再生）。阴离子交换树脂的转型（再生）。阴离子交换树脂的Cl型稳定。型稳定。 离子交换反应是一可逆反应。离子交换反应是一可逆反应。 离子交换树脂使用后需要进行再生处理。离子交换树脂使用后需要进行再生处理。 3.

22、离子交换容量离子交换容量 离子交换树脂在交换反应中可交换离子的数目用交换容离子交换树脂在交换反应中可交换离子的数目用交换容量表示，单位量表示，单位 mmol/g 干树脂。干树脂。 将离子交换树脂装入玻璃柱即构成离子交换分离柱，可将离子交换树脂装入玻璃柱即构成离子交换分离柱，可用来分离干扰离子。当淋洗液为中性水溶液时，干扰离子保用来分离干扰离子。当淋洗液为中性水溶液时，干扰离子保留在柱中。留在柱中。 离子交换反应是一可逆反应，被交换离子随淋洗液离子交换反应是一可逆反应，被交换离子随淋洗液pH不同而在分离柱中移动，由于不同离子与离子交换树脂之间不同而在分离柱中移动，由于不同离子与离子交换树脂之间的

23、作用力不同，流出分离柱的时间不同而被分离。的作用力不同，流出分离柱的时间不同而被分离。 一般使用的离子交换树脂的粒度为一般使用的离子交换树脂的粒度为50-100目。目。二、离子交换亲和力与选择性系数 离子交换分离中的分配系数是组分离子在树脂上的浓离子交换分离中的分配系数是组分离子在树脂上的浓度与在溶液中的浓度之比，对阳离子度与在溶液中的浓度之比，对阳离子Mn+，分配系数分配系数KP为：为： nMMRPccK 分配系数分配系数KP反映了离子与树脂的亲和力大小。反映了离子与树脂的亲和力大小。 不同离子对树脂的亲和力大小具有如下规律：不同离子对树脂的亲和力大小具有如下规律： (1) 稀溶液中，离子电

24、荷越大，亲和力越大；稀溶液中，离子电荷越大，亲和力越大； (2) 相同电荷时，水合半径越小，亲和力越大；相同电荷时，水合半径越小，亲和力越大； (3) 多元素阴离子亲和力的顺序为：多元素阴离子亲和力的顺序为： SO42-C2O42- I-NO3- CrO42- Br- SCN- Cl- Ac-F- (4) H+对强酸性离子交换树脂的亲和力在对强酸性离子交换树脂的亲和力在Na+与与Li+之间，之间，离子交换树脂的酸性越弱，离子交换树脂的酸性越弱， H+与其亲和力越大；与其亲和力越大； (5) OH-对强碱性离子交换树脂的亲和力在对强碱性离子交换树脂的亲和力在Ac-与与F-之间，之间，离子交换树脂

25、的碱性越弱，离子交换树脂的碱性越弱， OH-与其亲和力越大；与其亲和力越大； 当溶液中有多种离子可与树脂发生交换时：当溶液中有多种离子可与树脂发生交换时： R-A + B+ = R-B + A+ 此反应的平衡常数称为离子交换的选择性系数此反应的平衡常数称为离子交换的选择性系数KB/A。三、离子交换分离法的应用 1. 去离子水的制备去离子水的制备 实验室用去离子水及锅炉用水的软化。采用串联的阳离子交换柱和实验室用去离子水及锅炉用水的软化。采用串联的阳离子交换柱和阴离子交换柱。阴离子交换柱。2. 干扰组分的分离干扰组分的分离 如测定矿石中的铀时，为了除去其他金属离子的干扰，将矿石溶解如测定矿石中的

26、铀时，为了除去其他金属离子的干扰，将矿石溶解后处理成后处理成0.1mol/L的硫酸溶液，的硫酸溶液，U(VI)形成形成UO2(SO4)22-或或UO2(SO4)34- ，在通过强碱性离子交换树脂时，被留在树脂上，金属离子则流出。之，在通过强碱性离子交换树脂时，被留在树脂上，金属离子则流出。之后，将其破坏成为后，将其破坏成为UO2+形式洗脱，回收率可达形式洗脱，回收率可达98%3. 痕量组分的富集痕量组分的富集 天然矿石中痕量钍的富集：钍在盐酸溶液中难以形成稳定的配位离天然矿石中痕量钍的富集：钍在盐酸溶液中难以形成稳定的配位离子，保留；共存的稀土则形成稳定的配位离子，被洗脱。子，保留；共存的稀土

27、则形成稳定的配位离子，被洗脱。第十二章第十二章 分析化学中的分析化学中的分离技术分离技术第五节第五节 膜分离技术与膜分离技术与生物试样分离生物试样分离一一透析透析二、超滤二、超滤三、生物大分子的色谱分三、生物大分子的色谱分离法离法一、一、透析透析 原理：原理：透析是采用半透膜作为滤膜透析是采用半透膜作为滤膜, ,使试样中的小分子经使试样中的小分子经扩散作用不断透出膜外扩散作用不断透出膜外, ,而大分子不能透过被保留，直到膜两而大分子不能透过被保留，直到膜两边达到平衡。边达到平衡。 特点：特点：半透膜两边均为液体，一边为试样溶液，另一边半透膜两边均为液体，一边为试样溶液，另一边为纯净溶剂（水或缓

28、冲溶液）。可不断更换外层溶剂使扩散为纯净溶剂（水或缓冲溶液）。可不断更换外层溶剂使扩散不断进行，直至符合要求。不断进行，直至符合要求。 应用：应用：制备或提纯生物大分子时，除去小分子物质及其制备或提纯生物大分子时，除去小分子物质及其杂质，脱盐。杂质，脱盐。n在溶剂中能膨胀形成分子筛状多孔薄膜，只允许小在溶剂中能膨胀形成分子筛状多孔薄膜，只允许小分子溶质通过，而阻止大分子（如蛋白质）通过；分子溶质通过，而阻止大分子（如蛋白质）通过；n化学惰性；化学惰性；n在水、盐溶液、稀酸或稀碱溶液中稳定；在水、盐溶液、稀酸或稀碱溶液中稳定；n有一定的机械强度和良好的再生性能。有一定的机械强度和良好的再生性能。

29、 用于透析的半透膜应具备的条件：用于透析的半透膜应具备的条件：透析的装置与方法：透析的装置与方法： 半透膜可制成管状，按需要截取一定长度，将一端封闭半透膜可制成管状，按需要截取一定长度，将一端封闭，装入需透析的试样溶液，放入盛有溶剂的透析缸中。，装入需透析的试样溶液，放入盛有溶剂的透析缸中。 预处理预处理：用：用50%乙醇慢慢煮沸乙醇慢慢煮沸1小时，再分别用小时，再分别用50%乙乙醇、醇、0.01mol/L碳酸氢纳溶液、碳酸氢纳溶液、0.001 mol/L EDTA 溶液依次溶液依次洗涤，最后用蒸馏水洗涤三次；洗涤，最后用蒸馏水洗涤三次；透析前，检查是否有泄漏；透析前，检查是否有泄漏；透析袋装一半左右，防止膜外溶剂因浓度差渗入将袋透析袋装一半左右，防止膜外溶剂因浓度差渗入将袋涨裂或过度膨胀使膜孔径改变；涨裂或过度膨胀使膜孔径改变；搅拌；搅拌；定期或连续更换外部溶剂，提高透析效果。定期或连续更换外部溶剂，提高透析效果。透析过程注意点：透析过程注意点：二、超滤二、超滤 超滤是指外源加压的膜分离，其原理与过滤一样。超滤