离子交换分离的试验技巧及研究方法

知识与经验

离子交换分离的试验技巧及研究方法

周锦帆1,王 慧2,吴 骋2,俞 璐2,王国新2

(1.检验检疫科学编辑部,北京100022; 2.常熟出入境检验检疫局,常熟215500)

中图分类号:O652.63 文献标志码:B 文章编号:1001-4020(2010)08-0960-03

复杂物质的分离,首选的分离方法是离子交换[1],已被分析化学工作者公认。文献[2]已报道过采用阴离子交换树脂在1mo l L-1盐酸溶液中可选择性分离金,然后用原子吸收光谱法测定,该方法已被国内进口铜精矿企业及检验检疫实验室普遍采用。在本文中主要介绍离子交换分离的试验技巧及研究方法。

1 离子交换分离的优点

树脂商品化数十年,质量可靠,费用小;分离操作简便,采用小型离子交换柱进行分离,分离速度快;不使用有毒有害的有机萃取剂及溶剂,环境污染小;离子交换树脂性能稳定,可再生长期反复使用。

2 离子交换分离的方法

以下3种情况:阳离子与阳离子,阳离子与阴离子,阴离子与阴离子都可进行离子交换分离。

离子交换分离方法的研究,通常要解决几个问题,树脂的种类,离子交换柱的大小,淋洗剂及其浓度的选择,以使其有效分离。

2.1 树脂种类的选择

阳离子交换树脂用于阳离子与阴离子分离、阳离子与阳离子分离,最常用的是Bio-Rad AG50w-X8树脂。

阴离子交换树脂用于阳离子与阴离子分离,最常用的是Bio-Rad AG1-X8树脂。

萃淋树脂是使用粒径为150~180 m(80~ 100目)的CL-T BP树脂,用于Fe3+、UO2+2、铬( )的分离。

Chelex-100树脂是最有实用价值的螯合树脂,常用于微量重金属离子的分离,尤其是碱和碱土金属中重金属离子的分离。

收稿日期:2009-10-09

活性氧化铝树脂可从其他阴离子中分离SO2-4、F-、PO3-4等离子。

建议少用泡沫塑料、巯基棉和活性炭作为吸附剂,因为它们的吸附容量小、不易再生、性能不稳定。

2.2 树脂粒径的选择

离子交换树脂颗粒与分离效果及分离耗时有极大关系。试验用的树脂过细,则流速很慢,如用38~ 75 m(200~400目)树脂,再加上淋洗液体积又大,则整个分离时间很费时,影响分析方法实用性。试验用的树脂过粗180~300 m(50~80目),则分离效果较差。

从外观上,离子交换树脂选择应注意以下几点:

(1)树脂的级别:若有可能,选用分析级,优点是粒径均匀、杂质少、灰分低。

(2)树脂的颜色:选用浅色树脂,以便观察有色金属离子的分离效果。

(3)树脂的粒径:若自己研磨,选用粒径为125~180 m(80~120目)的树脂;若使用商品树脂,则选用粒径为75~150 m(100~200目)的树脂。

2.3 树脂的预处理

商品化的树脂在使用前需进行预处理,以处理阳离子交换树脂为例。将100g市售阳离子树脂(经研磨后树脂粒径为150~180 m)或进口树脂(75~150 m)置于500mL烧杯中,加3mo l L-1盐酸溶液250m L,搅拌,放置2h,即可有效地洗去新树脂内的金属离子。滤去液体,用去离子水300m L洗去滞留在树脂颗粒间的盐酸,滤去液体,重复一次,洗到pH值为1~2即可。一般没有必要用有机溶剂处理树脂或用浓度小于4m ol L-1盐酸溶液长期浸泡树脂。

2.4 小型离子交换柱

用什么样的离子交换柱来实施离子交换分离,涉及离子交换分离的实用价值问题。不同作者使用

树脂量不同的离子交换柱,分离的效果差异很大,即树脂用量(树脂层高度和体积)的选择是离子交换分离实施的核心之一。离子交换柱的设计,决定了分析方法的可靠性、实用性、可推广性、试剂用量和空白高低。

交换柱内树脂的量,应该用柱管的内径与树脂层的高度来表示,以说明树脂层体积。树脂层的规格有1.2cm 15cm,1.2cm 10cm及小型离子交换柱0.6cm 6cm等。

树脂层为0.6cm 6cm的小型离子交换柱,树脂层体积为1.7m L,树脂干重约为0.8g,主要用于样品中微量元素的富集分离。经验表明:90%以上的离子交换分离均可以用树脂量约为1.7mL的小型离子交换柱解决。小型离子交换柱具有树脂层体积小、淋洗体积小、操作方便、可缩短离子交换分离时间、空白低、样品回收率高等优点。

较大型离子交换柱的树脂层为1.2cm 10cm,柱体积较大、树脂层体积为13mL,用于解决大量基体元素的分离,如用于0.2g钢中 g级14个稀土元素的分离。可以吸附0.2g铁离子,待测微量稀土元素快速通过交换柱而得以分离。

2.5 离子交换柱的制备

小型离子交换柱通常用5m L(或10mL)酸滴定管加工而成,柱上部有5cm长的18cm 50m m 的广口,10m L酸滴定管加工的离子交换柱常用于萃淋树脂柱的分离。大型离子交换柱通常内径为1.2cm,长30cm,其上部8cm是直径2.8cm的广口。为了得到好的精密度,尽可能选择内径相同的同一批交换柱。交换柱不使用时,树脂层上部应保持一定量的水,且把交换柱的活塞拧紧,以免滴漏使柱内液体流干(因为流干时会有气泡进入树脂层,从而影响分离效果)。

2.6 离子交换柱的装柱及必备工具

柱的下部先装约0.5cm腈纶纤维,以防止150~180 m(80~100目)树脂漏出。腈纶纤维耐酸耐碱,可长期使用。装柱时在柱的下部不允许用玻璃纤维,因为在重新装柱时玻璃纤维易破碎,并混入离子交换树脂中,即在树脂中有了玻璃纤维杂质。

对于树脂粒径小于180 m(100目)或装萃淋树脂(比重比普通树脂小)时,在树脂装柱后,树脂层上部应加0.5cm脱脂棉,以防止加入样液上柱后和淋洗时树脂明显向上漂浮。

30cm的不锈钢焊条做成的小钩子是装柱的必备工具,其用途是在重新装柱时,钩出柱内的腈纶纤维。形状见图1

。

图1 不锈钢小钩子

Fig.1 Small stainless steel hook

塑料直尺:测量树脂层高度。一批离子交换柱其内径应完全相同,树脂层高度相差不超过0.3cm,目的是使一批离子交换柱分离流速一致、分离效果一致。

秒表:测流速。如果采用150~180 m(80~ 100目)树脂,在分离时可将活塞开到最大,不必控制流速。同一批交换柱进行分离,若装柱有经验,流速必然基本一致。

5mL或10mL移液管。倒用的移液管的用途是吸出柱内过量的树脂,以及在加腈纶纤维和脱脂棉时将其稍稍压实。

2.7 装柱方法

装柱以湿法装柱为好。具体方法:先将交换柱(用滴定管加工而成)内装满水,打开活塞,在水通过交换柱的同时排去活塞下面的气泡,再加腈纶纤维,用移液管的平头把腈纶纤维稍压紧。然后将离子交换树脂与水混匀,注入垂直放置的交换柱中,静置使其慢慢沉降至所需高度,这样制成的交换柱比较均匀,若加入树脂量过多,可用移液管倒过来将过多的树脂吸出。

装柱效果的检查:同一批离子交换柱,将活塞完全打开,其流速应非常接近。

2.8 常见离子交换柱装柱错误

粒子的粒径为180~300 m(50~80目)时,分离效果差。 树脂用量过多,即使分离少量金属离子,所装的树脂量大于5m L,或10m L,使整个分离消耗的淋洗剂量增多,分离时间过长。 树脂用浓度大于6m ol L-1盐酸溶液浸泡,此时室内酸蒸气过大,树脂的洗涤效果并不比3mol L-1盐酸溶液好。 交换柱自制,活塞密封性差,常滴漏,树脂层内有空气,使交换柱不得不经常重装。 用玻璃纤维放在树脂层底,重装柱时,由于玻璃纤维破碎而混入树脂。

3 离子交换分离条件的快速确定 K d及

其应用

如何确定阳离子与阳离子、阳离子与阴离子分