样品处理分离技术-离子交换分离法（分析制样技术课件）

离子交换分离法基本概念课程：分析制样技术分析制样技术干扰组分或待测组分的分离方法干扰组分或待测组分的分离方法萃取分离法沉淀分离法离子交换分离法色谱分离法离子交换分离法定义0101离子交换分离法定义分析制样技术定义利用离子交换反应(如中和反应、复分解反应等)，将混合液中的某些特定离子暂时交换到离子交换剂上，然后选用合适的洗脱剂，将该离子洗脱下来，使该离子从原溶液中分离浓缩或提纯的操作方法。应用大量干扰元素的除去、微量元素的分离和富集、水及化学试剂的纯化等。01离子交换分离法定义分析制样技术离子交换剂离子交换剂是一种不溶性的、具有网状立体结构的、可解离出正离子或负离子基团的固态物质无机离子交换剂有机离子交换剂01离子交换分离法定义分析制样技术在无机分析中已经成为一种有价值的、有时甚至是不可取代的分离方法。在有机分析和生物分析方面也变得日益重要。在衡量分析方面，离子交换分离法所取得的最大成功是61号元素钷、101号元素钔的第一次被确认。离子交换分离法特点0202离子交换分离法特点分析制样技术特点（1）分离效率高，既能实现相反电荷离子的分离，又能实现相近电荷离子的分离。（2）应用范围广，可以用于分离、富集、纯化。02离子交换分离法特点分析制样技术（3）使用方便，处理量大，多数可再生利用。（4）选择性高，特别是功能性离子交换树脂，选择性分离效果更加突出。（5）操作比较麻烦，周期长。02离子交换分离法特点分析制样技术离子交换分离技术已渗透应用到各种领域中，成为分离与富集很多物质组分行之有效的方法之一。成本低，可重复利用，易于操作劳动强度小，无污染，经济效应好等，离子交换分离技术得到更广泛的应用，应用领域也将越来越广阔。离子交换剂的分类分析制样技术离子交换剂一种不溶性的、具有网状立体结构的、可解离出正离子或负离子基团的固态物质。材质来源树脂的物理结构合成树脂所用原料活性基团的性质及强度根据离子交换剂材质种类不同分类0101根据离子交换剂材质的种类不同分分析制样技术无机离子交换剂有机离子交换剂是由天然的黏土、沸石类矿物和合成的沸石、分子筛、水合金属氧化物，多价金属酸性盐类等化合物构成。应用广泛人工合成的带有离子交换功能基团的高分子聚合物。材质种类也称离子交换树脂根据来源的不同分类0202根据来源的不同分类分析制样技术天然离子交换剂人工合成离子交换剂以天然沸石为主，它是最早应用的无机离子交换剂是含有水的钠、钙以及钡锶、钾等硅铝酸的盐类。合成的沸石来源分子筛色浅，具玻璃光泽，属于是阳离子交换剂。水合金属氧化物多价金属酸性盐类按照树脂的物理结构不同分类0303按照树脂的物理结构不同分类分析制样技术（1）（2）（3）凝胶树脂大孔树脂载体型树脂03按照树脂的物理结构不同分类分析制样技术(1)凝胶型由纯单体混合物经缩合或聚合而成的，外观呈透明状的均相凝胶结构的离子交换树脂。孔隙小、少溶胀度较大水溶胀后呈凝胶状。03按照树脂的物理结构不同分类分析制样技术(2)大孔型由聚合单体和交联剂、致孔剂、分散剂等添加剂经聚合反应制备而成。孔大，溶胀度小，交换速度高，抗污染能力强。03按照树脂的物理结构不同分类分析制样技术(3)载体型一种作为液体色谱的固定相的离子交换树脂。以球形硅胶或玻璃球等非活性材料，作为中心核。按照合成树脂所用原料不同分类0404按照合成树脂所用原料不同分类分析制样技术苯乙烯系丙烯酸系酚醛系合成树脂所用原料04按照合成树脂所用原料不同分类分析制样技术(1)苯乙烯系由苯乙烯或其衍生物聚合或以苯乙烯为主与其他不饱和化合物共聚所制得的聚合物。家电、机械、汽车、包装和日用品中最广泛应用的塑料之一。04按照合成树脂所用原料不同分类分析制样技术(2)丙烯酸系丙烯酸树脂乳液配制皮革及某些高档商品的涂饰剂、制取丙烯酸树脂漆等，是一种化工中间体。(3)酚醛系电木苯酚和甲醛在催化剂条件下缩聚、经中和、水洗而制成的树脂，其中以苯酚和甲醛树脂最为重要04按照合成树脂所用原料不同分类分析制样技术特点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、力学性能、耐热性能。应用防腐蚀工程、胶粘剂、阻燃材料、砂轮片制造等行业。按照活性基团的性质和强度的不同分类0505按照活性基团的性质和强度的不同分类分析制样技术离子交换树脂阳离子交换树脂阴离子交换树脂特殊离子交换树脂05按照活性基团的性质和强度的不同分类分析制样技术(1)阳离子交换树脂酸性基团磺酸基（一SO3H)亚甲基磺酸基（一CH2SO3H)磷酸基（一PO3H2)羧基（一COOH)羟基（一OH)强酸性阳离子交换树脂弱酸性阳离子交换树脂混合型阳离子交换树脂05按照活性基团的性质和强度的不同分类分析制样技术①强酸性阳离子交换树脂以具有强酸性活性基团一SO3H为特征在溶液中可完全离解具有弱酸性的活性基团一COOH和一OH这类树脂受外界酸度的影响较大在分析中应用较少②弱酸性阳离子交换树脂③混合型阳离子交换树脂含有上述两种阳离子交换树脂活性基团05按照活性基团的性质和强度的不同分类分析制样技术(2)阴离子交换树脂碱性基团伯胺基一NH3OH仲胺基一NH2CH3OH一叔胺基NH(CH3)2OH季胺基一N(CH3)3OH强碱性阴离子交换树脂弱碱性阴离子交换树脂05按照活性基团的性质和强度的不同分类分析制样技术①强碱性阴离子交换树脂具有强碱性能在水溶液中电离出OH-②弱碱性阴离子交换树脂具有弱碱性对OH-亲和力大05按照活性基团的性质和强度的不同分类分析制样技术(3)特殊离子交换树脂特殊活性交换基团两性树脂螯合树脂氧化还原树脂离子交换树脂的结构分析制样技术离子交换剂一种不溶性的、具有网状立体结构的、可解离出正离子或负离子基团的固态物质。种类无机离子交换剂有机离子交换剂分析制样技术离子交换树脂的结构离子交换树脂一种不溶于酸碱和有机溶剂的网状结构的功能高分子化合物。分析制样技术离子交换树脂的结构（1)具有三维空间立体结构的网络骨架(通常用R表示)结构（2)与网络骨架以共价键相连的活性基团，不能自由移动（通常用M表示）（3)与活性基团以离子键联结的可移动的活性离子(即可交换离子，如H+、OH-等)分析制样技术离子交换树脂的结构单体网状结构的高分子聚合物骨架交联剂与酸、碱、某些有机溶剂和一般弱氧化物都不起作用，对热也较稳定。聚苯乙烯型树脂单体交联剂酚醛树脂一OH一SO3单体交联剂一SO3H一COOH分析制样技术离子交换树脂的结构离子交换树脂骨架活性基因定基离子可交换离子R—SO3H骨架固定离子交换基团交换离子分析制样技术离子交换树脂的结构活性基因酸性基团碱性基团特殊基团骨架骨架骨架阳离子交换树脂阴离子交换树脂特殊离子交换树脂磺酸基羧基等季胺基叔胺基分析制样技术离子交换树脂的结构阳离子交换树脂遇水可发生置换反应阴离子交换树脂粉状和球状，都是人工合成的精糖和高级食用糖浆的提纯水的处理(硬水软化、高压锅炉水、无离子水、注射水、海水淡化等)废水中有害阴离子的除去(氰离子、硫氰酸根离子等)稀有元素的提取氨基酸、维生素丙、酒石酸、柠檬酸的分离等分析制样技术离子交换树脂的结构特殊离子交换树脂含有酸、碱两种基团则为两性树脂含有具有螯合能力的基团则为螯合树脂能使某些离子发生氧化还原反应则为氧化还原树脂离子交换树脂的性质分析制样技术离子交换树脂的性质性质物理性质外观含水率溶胀性化学性质交换容量交联度亲和力物理性质0101物理性质分析制样技术(1)外观一般为淡黄色、乳白色、褐色或黑色球状物，在交换过程中会发生颜色变化。粒度以筛的网目表示（60网目、80网目、100网目等）。离子交换性能（粒度小交换速度快，颗粒太小时流经树脂溶液流速反而减慢）。01物理性质分析制样技术(2)含水率单位质量树脂所含的非游离水分的多少，一股用百分数表示。树脂产品固有的性质之一。因素类别结构酸碱性交联度交换容量离子形态01物理性质分析制样技术链的断裂、孔结构的变化、交换容量的下降等含水量树脂含水量的变化反映出树脂内在质量的变化01物理性质分析制样技术(3)溶胀性将干燥的树脂浸泡于水溶液中，水渗透到树脂中，使树脂的体积膨胀。一般强酸性和强碱性离子交换树脂的溶胀性大。同类离子交换树脂其交换容量越大，溶胀性越大。电解质浓度越大的溶液中，树脂溶胀性越小。交换离子的水合程度越大，树脂溶胀性越大。化学性质0202化学性质分析制样技术(1)交换容量是离子交换树脂的工作性能指标，它是指离子交换树脂交换能力的大小。通常用每克干树脂或每毫升溶胀后的树脂所能交换的1价离子的物质的量表示。交换反应是在树脂的活性基团上活性基团的多少交换能力的大小02化学性质分析制样技术(2)交联度苯乙烯聚合只会制得长链的聚苯乙烯，二乙烯苯与苯乙烯共聚合才能得到具有网状结构的聚合物。交联分子与分子之间的相互联结。交联度二乙烯苯是交联剂，所含交联剂的质量分数。02化学性质分析制样技术交联度符号：“×-”x-4交联度4％x-6交联度6％x-10交联度10％一般树脂的交联度都比较大，如10％等在水中的溶解度很小，交联度也不宜过大过大网状结构过于紧密。网间的空隙过小。妨碍外界离子扩散到树脂的内部。降低离子交换反应的速率。02化学性质分析制样技术(3)亲和力离子交换树脂对离子交换吸附性的大小，被称为离子交换亲和力。主要是因为静电引力因此，离子的相对半径小、电荷多，被交换吸附的能力强。离子的水化程度随着离子半径的减小和电荷增多而增加。一个离子被交换程度的大小决定于水化离子的相对半径大小和电荷多少。离子半径小者，其亲和力小，反之则大。离子交换操作方法分析制样技术离子交换的操作过程操作步骤步骤1：树脂预处理步骤3：加入料液进行离子交换步骤5：加入洗脱剂洗脱步骤2：装柱步骤4：洗涤步骤6：洗脱液步骤1：树脂预处理0101步骤1：树脂预处理分析制样技术

使用前必须经过筛分、净化处理。相同的分离工作最好使用同批次的树脂。研磨、过筛使粒度符合要求。浸泡使树脂充分溶胀。树脂粒度不足时净化减少杂质。01步骤1：树脂预处理分析制样技术新树脂去离子水浸泡24小时倾去水后洗至澄清3~5mol/L的盐酸溶液浸泡24~48小时去离子水洗涤至中性阳离子交换树脂以氢型存在，阴离子交换树脂以Cl-型存在。其他形式的树脂，可用相应的溶液对树脂进行转型处理。步骤2：装柱0202步骤2：装柱分析制样技术(1)工业设备

固定床（间歇式交换）

流动床（连续交换）（塑料、钢制）(2)实验设备玻璃柱或有机玻璃选择下部有玻璃活塞的玻璃柱，柱长和柱径比通过实验确定。02步骤2：装柱分析制样技术相差较小时，需要较长的柱子。柱子长，阻力大，需加压。玻璃柱下放玻璃纤维，防止树脂流失。一边加树脂一边轻敲柱子，防止夹有气泡。保持液面始终高于树脂层，以防止树脂干裂。装好树脂后上部再覆盖一层玻璃纤维。步骤3加入料液进行离子交换0303步骤3：加入料液进行离子交换分析制样技术柱上交换交换反应：R-A+B+→R-B+A+被吸附在树脂上被交换进入料液03步骤3：加入料液进行离子交换分析制样技术离子交换过程HHHHHHHH离子交换树脂Na+Na+HHHHHH离子交换树脂NaNaH+H+放出放出吸着交换03步骤3：加入料液进行离子交换分析制样技术0VabcdfC0C0C0C0C0heABCDEcC0C交换柱中离子浓度分布规律和流出液中离子浓度变化曲线○

未交换+未交换步骤4：洗涤0404步骤4：洗涤分析制样技术洗涤是为了将残留在树脂上的溶液及其夹带的物质除去或回收，这是离子交换前后洗脱前后的重要步骤，是影响药物分离纯化质量的重要因素。适宜的洗涤剂应能将树脂上残留的物质洗脱下来，但不与有效组分发生交换反应。最常用的洗涤剂是去离子水（蒸馏水）步骤5：加入洗脱剂洗脱0505步骤5：加入洗脱剂洗脱分析制样技术样品入口淋洗再生剂入口返洗洗脱离子交换完成并经洗涤后，被分离物质的离子仍保留在树脂上，需将其重新交换到适宜的溶液中，以实现分离纯化或浓缩的目的作用使交换到树脂上的离子，逐个从树脂上解吸下来。05步骤5：加入洗脱剂洗脱分析制样技术洗脱液一般选用离子强度较大的酸、碱或盐等溶液。一次分离完成后，使柱内树脂再生，将柱子恢复至交换前的状态，以备下次应用。洗脱之后，树脂转为氢型或氢氧型。步骤6：洗脱液0606步骤6：洗脱液分析制样技术分离经过前面步骤的操作，待测离子已全部进入洗脱液，这时可根据需要对洗脱液进一步处理，最终达到目标物质分离与纯化的目的。离子交换分离法的应用分析制样技术离子交换分离法应用大量干扰元素的除去微量元素的分离和富集水及化学试剂的纯化是现代分析化学中重要的化学分离技术之一。分析制样技术离子交换分离法应用应用去离子水的制备痕量元素的预富集性质相似元素的分离生物大分子分离——高效离子交换色谱法去离子水的制备0101去离子水的制备分析制样技术离子交换法纯化该法用氢型强酸阳离子交换树脂（RH）除去水中的阳离子。交换出来的H+和OH-结合生成水。再用强碱阴离子交换树脂（ROH）除去水中的阴离子。01去离子水的制备分析制样技术离子交换Nacl阳离子交换树脂阴离子交换树脂H+OH-进行离子交换进行离子交换阳离子交换树脂阴离子交换树脂Na+Cl-H2O01去离子水的制备分析制样技术有机玻璃离子交换装置FY组合型净水器，集净化杀菌为一体净水效果痕量元素的预富集0202痕量元素的预富集分析制样技术采用仪器分析法（如原子吸收或发射光谱法、分光光度法、极谱法等）直接测定痕量元素的含量尚有困难。由于仪器的检测限达不到测量要求大量基体干扰测定02痕量元素的预富集分析制样技术用离子交换技术可将痕量元素从几升或几十升溶液中交换到小柱上，然后用少量淋洗液洗脱，这样痕量元素的富集倍数可达103～105。一种测定到10-6mol/L的方法，经离子交换富集后可测定到10-9～10-11mol/L。02痕量元素的预富集分析制样技术为了富集痕量元素必须选择合适的离子交换剂-洗脱剂体系，使被富集元素对离子交换剂有很高的亲和力。被分