(生物制药工艺学)第八章离子交换法(ion-exchange
离子交换PPT课件
每克干树脂所能交换的物质的量（mmol)。 决定于网状结构中活性基团的数目。 交换容量由实验测得
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影响离子交换选择性的因素
水合离子半径：半径越小，亲和力越大； 离子化合价：高价离子易于被吸附； 溶液pH：影响交换基团和交换离子的解离程度，但不
影响交换容量； 离子强度：越低越好； 有机溶剂：不利于吸附； 交联度、膨胀度、分子筛：交联度大，膨胀度小，筛
（可交换离子）
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树脂的网络骨架
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离子交换的分类
按活性基团分类，可分为阳离子交换树 脂(cation exchange)（含酸性基团）和 阴离子交换树脂(anion exchange)（含 碱性基团）。
具体又可以分为：强阳、弱阳 强阴、弱阴
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常用的离子交换树脂
强酸性阳离子交换树脂：活性基团是-SO3H （磺酸基）和-CH2SO3H（次甲基磺酸基）；
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DEAE anion exchanger
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离子交换纤维素具有开放性的支持骨架，大分 子能自由地进入和迅速地扩散，故对大分子的 吸附容量较大。
离子交换纤维素上交换基团引起大分子的变性，同时 它有较理想的回收率。
离子交换纤维素 树脂骨架为纤维素，根据活性基团的性质可分为阳 离子交换纤维素和阴离子交换纤维素两类
特点：骨架松散、亲水性强、表面积大、交换容量大、 吸附力弱、交换和洗脱条件温和、分辨率高
常用的离子交换纤维素有： 甲基磺酸纤维素、羧甲基纤维素、二乙基氨基乙基 纤维素
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CMC Cation Exchanger
*多糖基离子交换树脂：固相载体为多糖类
物质，亲水性强、交换空间大、对生物大分子 物质变性作用小。
生物制药工艺学习题 第八章 离子交换法
第八章离子交换法一、填空题1、离子交换剂由、和组成。
平衡离子带为阳离子交换树脂，平衡离子带称阴离子交换树脂。
2、常见的离子交换剂有，，等。
3、离子交换树脂的基本要求有、、、和。
4、影响离子交换选择性的因素主要有、、、、等。
5、请写出下列离子交换剂的名称和类型：CM-C的名称是，属于交换纤维素; DEAE-C的名称是，属于交换纤维素;。
6、色谱聚焦（chromatofocusing）是一种高分辨的新型的蛋白质纯化技术。
它是根据，结合，能分离几百毫克蛋白质样品，洗脱峰被聚焦效应浓缩，分辨率很高，操作简单。
7、写出下列离子交换剂类型：732 ，724 ，717 ，CM-C ,DEAE-C ，PBE94 。
8、在采用多缓冲阴离子交换剂作固定相的离子交换聚焦色谱过程中，当柱中某位点之pH 值下降到蛋白质组分值以下时，它因带电荷而，如果柱中有两种蛋白组分，pI值较者会超过另一组分，移动至柱下部pH较的位点进行。
9、影响离子交换选择性的因素有、、、、。
二、选择题1、用钠型阳离子交换树脂处理氨基酸时，吸附量很低，这是因为（）A.偶极排斥B.离子竞争C.解离低D.其它2、在酸性条件下用下列哪种树脂吸附氨基酸有较大的交换容量（）A.羟型阴B.氯型阴C.氢型阳D.钠型阳3、在尼柯尔斯基方程式中，K值为离子交换常数，K＞1说明树脂对交换离子吸引力（）A.小于平衡离子B.大于平衡离子C.等于平衡离子D.其它三、名词解释1、蛇笼树脂：2、尼柯尔斯基方程式：3、偶极离子排斥作用：四、问答题1、简述离子交换纤维素的特点有哪些？2、请以CM-C为例说明离子交换纤维素分离纯化蛋白质时的洗脱方法有哪些？并说出各种方法的洗脱原理。
3、请以DEAE-C为例说明离子交换纤维素分离纯化蛋白质时的洗脱方法有哪些？并说出各种方法的洗脱原理。
4、由下图，利用给出的两种离子交换剂（E1，E2）分离3种蛋白质（P1、P2、P3），用箭头流程图表示(并指出E1，E2的类型)。
离子交换法47802
离子交换法早在古希腊时期人们就会用特定的黏土纯化海水.算是比较早的离子交换法.这些黏土主要是沸石....离子交换树脂都是用有机合成方法制成。
常用的原料为苯乙烯或丙烯酸(酯)，通过聚合反应生成具有三维空间立体网络结构的骨架，再在骨架上导入不同类型的化学活性基团(通常为酸性或碱性基团)而制成。
例:苯乙烯型树脂的合成可分为阴离子类型和阳离子类型.一．定义离子交换法(ionexchangeprocess)是液相中的离子和固相中离子间所进行的一种可逆性化学反应，当液相中的某些离子较为离子交换固体所喜好时，便会被离子交换固体吸附，为维持水溶液的电中性,所以离子交换固体必须释出等价离子回溶液中。
二．原理离子交换法是以圆球形树脂(离子交换树脂)过滤原水,水中的离子会与固定在树脂上的离子交换.常见的两种离子交换方法分别是硬水软化和去离子法.硬水软化主要是用在反渗透(RO)处理之前,先将水质硬度降低的一种前处理程序.软化机里面的球状树脂,以两个钠离子交换一个钙离子或镁离子的方式来软化水质.离子交换树脂利用氢离子交换阳离子，而以氢氧根离子交换阴离子；以包含磺酸根的苯乙烯和二乙烯苯制成的阳离子交换树脂会以氢离子交换碰到的各种阳离子(例如Na+、Ca2+、Al3+)。
同样,以包含季铵盐的苯乙烯制成的阴离子交换树脂会以氢氧根离子交换碰到的各种阴离子(如Cl-)。
从阳离子交换树脂释出的氢离子与从阴离子交换树脂释出的氢氧根离子相结合后生成纯水。
阴阳离子交换树脂可被分别包装在不同的离子交换床中，分成所谓的阴离子交换床和阳离子交换床。
也可以将阳离子交换树脂与阴离子交换树脂混在一起，置于同一个离子交换床中。
不论是那一种形式，当树脂与水中带电荷的杂质交换完树脂上的氢离子及(或)氢氧根离子，就必须进行“再生”。
再生的程序恰与纯化的程序相反，利用氢离子及氢氧根离子进行再生，交换附着在离子交换树脂上的杂质。
三．纯化方法若将离子交换法与其他纯化水质方法(例如反渗透法、过滤法和活性碳吸附法)组合应用时，则离子交换法在整个纯化系统中，将扮演非常重要的一个部分。
107675-生物制药工艺-第八章离子交换法
2、阴离子交换树脂
交换基是碱性基团，能交换阴离子的树脂。
（1）强碱性阴离子交换树脂
具有强碱性的活泼基团：-CH2N(CH3)3+Cl -
特性
❖ 淡黄色的球状颗粒；Biblioteka 反应简式为： R-NR3OH
R-NR3+ ＋OH－
❖ 对强酸根和弱酸根都能交换；
❖ 对酸碱氧化剂及某些有机溶剂都比较稳定；
❖ 在酸性、碱性溶液中都能使用，交换容量不受溶液中 pH值影响。
（2）弱酸性阳离子交换树脂
含有弱酸性活泼基团，如：-COOH、-OH等。 此类树脂的交换能力受酸度的影响较大。
反应简式为： R-COOH
R-COO－ ＋H＋
树脂由于离解性较弱，在低pH值下，难以离解和进行 离子交换，只能在碱性、中性或微酸性溶液中发挥作用 （R-COOH应在pH>6的溶液中操作，R-OH应在>9的 溶液中操作）。 这类树脂也是用酸进行再生。
常用离子交换树脂特性表
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第三节 离子交换动力学
离子交换平衡
树脂吸附离子，主要靠静电力。将含阳离子A+的交换树脂 RA+浸入到含阳离子B+的溶液中，交换反应为：
R－A+ + B+ ⇌ R—B+ + A+
KB/A
[B ]R [A ] [A ]R [B ]
K
B D
K
A D
KB/A>1－说明什么？KB/A<1－说明什么？
命名
根据1958年化工部拟定的离子交换树脂命名法 草案，各类树脂命名编号如下：
强酸类阳离子
1---100
弱酸类阴离子
101---200
离子交换色谱（ion
离⼦交换⾊谱（ion exchange chromatography）2、离⼦交换⾊谱（ion exchange chromatography）蛋⽩质、多肽均属于两性电解质，在缓冲液pH⼩于其等电点时，带净正电荷，⽽在缓冲液pH⼤于其等电点时，带净负电荷。
阴离⼦交换凝胶本⾝带有正电荷基团，阳离⼦交换凝胶本⾝带负电荷基团。
由于静电相互作⽤⽽使样品结合到凝胶上，再采⽤盐浓度梯度或者更换缓冲液的pH值进⾏洗脱对于等电点⼩于5.0的酸性蛋⽩质，推荐使⽤阴离⼦交换，对于等电点⼤于7.0的碱性蛋⽩质，推荐使⽤阳离⼦交换。
两种模式：⼀种使⽬的蛋⽩结合凝胶，通过梯度洗脱；⼀种使⽬的蛋⽩不结合凝胶，⽽⼤部分杂质结合凝胶，则穿过液中含有⽬的蛋⽩。
column chromatography（柱⾊谱）batch chromatography（批⾊谱）c、疏⽔作⽤⾊谱利⽤蛋⽩质、多肽在⾼盐存在下，可以结合疏⽔凝胶，⽽在盐浓度降低时⼜可以解脱的原理实现分离。
d、亲和⾊谱利⽤蛋⽩质、多肽与某些配基的特异性相互作⽤⽽进⾏分离。
例如：酶-底物，酶-抑制剂，糖蛋⽩-凝集素，抗原-抗体等。
近来发展了⾦属螯合亲和⾊谱，⽤于纯化表⾯含⾊氨酸、酪氨酸、组氨酸等的蛋⽩质以及(His)6-tagged重组蛋⽩。
亲和⾊谱分为特异性亲和⾊谱和组别亲和⾊谱两类。
肝素、凝集素、染料、⾦属螯合亲和⾊谱均为组别亲和⾊谱（同⼀配基可以结合许多种蛋⽩质）。
e、反相⾊谱常⽤于蛋⽩质、多肽的HPLC分析，以及多肽的精细制备分离，分辨率极⾼，可以分离两种仅相差⼀个氨基酸的多肽。
如⾎管紧张素（angiotensin）的⼏个亚型通过反相⾊谱可以很好地分离。
同⼀个样品在同⼀Source 30 RPC柱上进⾏分离，由于⾊谱条件进⾏了改变，⾊谱图截然不同，说明反相⾊谱具有⾼度的选择性。
四、应⽤举例例⼀、⼀种抗HIV gp120单克隆抗体的Fab⽚断（E.coli中表达）分⼦量：50 kD等电点：11表达定位：周质（periplasmic）纯化策略：渗透压休克提取周质，阳离⼦交换去除⼤部分杂质，疏⽔作⽤⾊谱进⼀步去除杂质，最后⽤凝胶过滤分离。
离子交换法
离子交换法概述
①
开始
-
-
+
-
-
+
-
-
离子交换层析原理
②
吸附
解 吸
③
剂 解吸
④
解吸结束
再
生 剂
⑤
再生
样 品
-
--+++-+++
-
+++++++
+++++++
++++++
RY + A+ → RA + Y+
←
从上面的反应式中可以看出，如果A离子与离子 交换剂的结合力强于Y离子，或者提高A离子的浓度， 或者通过改变其它一些条件，可以使A离子将Y离子 从离子交换剂上置换出来。也就是说，在一定条件 下，溶液中的某种离子基团可以把平衡离子置换出 来，并通过电荷基团结合到固定相上，而平衡离子 则进入流动相，这就是离子交换层析的基本置换反 应。
二、离子交换层析原理
离子交换法是通 过带电的溶质分 子与离子交换剂 中可交换的离子 进行交换而达到 分离纯化的方法。
离子交换法概述
离子交换层析原理
主要依赖电荷间的相互作用，利用带电分子中 电荷的微小差异而进行分离。
选择适当条件可使一些溶质分子变成离子态， 通过静电作用结合到离子交换剂上，而另一些 物质不能被交换，这两种物质就可被分离。
离子交换法
羧基树脂对氢离子的亲和力很大，可完全洗脱；
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合适的pH，需满足：
1）在目标物质稳定范围内；
2）使目标物质能离子化；
3）使树脂能离子化；
洗脱条件：
尽量使溶液中被洗脱离子的浓度降低； 洗脱条件一般和吸附条件相反；
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2.3软水和无盐水的制备
2.3.1软水制备
利用钠型阳离子交换树脂去除钙、镁离子后的水称为 软水。 2RSO3Na+Ca2+－－（RSO3)2Ca + 2Na+
再生 工业食盐水溶液
磺化煤 黑色无定形颗粒
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2.3.2 无盐水制备
利用氢型阳离子交换树脂和羟型阴离子 交换树脂的组合除去水中所有的离子 反应式：
RSO3H+MX---RSO3M+HX (M+金属离)
ROH+HX---RX+H2O(X-阴离子)
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2.4离子交换法提取蛋白质
亲水性离子交换剂
纤维素为骨架 球状纤维素
6.2 离子交换材料
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6.2 离子交换材料
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2 树脂和操作条件的选择
2.1 树脂和操作条件的选择
强碱性抗生素宜选用弱酸性树脂；
弱碱性物质宜选用强酸性树脂；
弱酸性物质宜用强碱性树脂；
强酸性物质宜用弱碱性树脂；
其次，选择合适的操作条件，pH。
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2.2 应用举例 链霉素的提取
中性溶液 三价正离子 阳离子交换树脂 强酸性or弱酸性 又链霉素在碱性条件下不稳定，宜在中性或酸性下吸附； 又在中性下氢型弱酸性树脂不能起交换作用，应预先将 树脂处理成钠型； 吸附滤液的浓度宜适当冲稀，使之利于吸附链霉素，而 不宜于吸附杂质离子；
生物制药工艺学第8章离子交换08-4-
蛋白质、酶和其它生物大分子的分 离多采用弱碱或弱酸性树脂，减少 生物大分子的变性，利于洗脱，提 高选择性。
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二、树脂的处理和再生
1、 外观特征 透明或半透明；颗粒圆整，粒度 均匀，强度。 2、 树脂的预处理 （1 ） 物理处理：去杂，过筛。 （2 ） 化学处理：用8～10倍 的1mol/L 盐酸或氢氧化钠溶液 交替浸泡。
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四、树脂结构的影响
（一）树脂载体的交联度： 交联度上升，膨胀度下降， K 值增大，树 脂潜在的选择能力提高。
空隙大小的影响，即膨胀度增大，促使树 脂吸附量增加。 选择性的影响，膨胀度增大时， K 值减小， 促使树脂吸附量降低； 膨胀系数值很小时，空间效应占主要地位。 膨胀系数增大到一定值时，选择性占主要 地位。
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氨基酸分离前树脂的处理
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不同类型树脂的处理
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树脂的再生
树脂再生：使用过的树脂重新获得使用性能的处理 过程。 再生过程： （1） 去杂，大量水冲洗，除去物理吸附的杂质。 （2） 用酸、碱处理除去与功能基团结合的杂质。 (3) 转型：
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三、基本操作方法
交换：静态交换 动态交换
第八章 离子交换法(ion-exchange)
第一节 基本原理
离子交换法：利用溶液中带电粒子与离子 交换剂之间结合力的差异进行物质分离的 操作方法。
带电粒子与离子交换剂间的作用力是静电 力。 电荷密度、电荷种类
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离子交换剂
离子交换剂：由惰性的不溶性载体、功能基团和平 衡离子组成。 阳离子交换剂：平衡离子带正电荷。 阴离子交换剂：平衡离子带负电荷。 R-X+ + Y+ R-Y+ + X+
离子交换法的原理
离子交换法的原理离子交换层析分离蛋白质是根据在一定ph 条件下，蛋白质所带电荷不同而进行的分离方法。
常用于蛋白质分离的离子交换剂有弱酸型的羧甲基纤维素(cm纤维素) 和弱碱型的二乙基氨基乙基纤维素(deae纤维素)。
前者为阳离子交换剂，后者为阴离子交换剂。
离子交换层析(ion-exchange chromatography,iec) 是在生物大分子提纯中得到最广泛应用的方法之一。
年，thompson等人在研究土壤碱性物质互换过程中辨认出色谱法现象。
上世纪40年代，发生了具备平衡互换特性的聚苯乙烯色谱法树脂。
50年代，色谱法层析步入生物化学领域，应用于氨基酸的分析。
色谱法层析就是生物化学领域中常用的一种层析方法，广为的应用于各种生化物质例如氨基酸、蛋白、糖类、核苷酸等的拆分提纯。
常用的色谱法剂存有:色谱法纤维素、色谱法葡聚糖和色谱法树脂。
离子交换层析中，基质是由带有电荷的树脂或纤维素组成。
带有负电荷的称之阳离子交换树脂;而带有正电荷的称之阴离子树脂。
离子交换层析同样可以用于蛋白质的分离纯化。
由于蛋白质也有等电点，当蛋白质处于不同的ph条件下，其带电状况也不同。
阴离子交换基质结合带有负电荷的蛋白质，所以这类蛋白质被留在柱子上，然后通过提高洗脱液中的盐浓度等措施，将吸附在柱子上的蛋白质洗脱下来。
结合较弱的蛋白质首先被洗脱下来。
反之阳离子交换基质结合带有正电荷的蛋白质，结合的蛋白可以通过逐步增加洗脱液中的盐浓度或是提高洗脱液的ph值洗脱下来。
预处理和装柱对于离子交换纤维素要用流水洗去少量碎的不易沉淀的颗粒，以保证有较好的均匀度，对于已溶胀好的产品则不必经这一步骤。
溶胀的交换剂使用前要用稀酸或稀碱处理，使之成为带h+或oh-的交换剂型。
阴离子交换剂常用"碱-酸-碱"处理，使最终转为-oh-型或盐型交换剂;对于阳离子交换剂则用"酸-碱-酸"处理，使最终转为-h-型交换剂。
离子交换法专业知识讲义
总结：
离子互换过程中，化学反应由树脂盐之间旳化学电位差决定， 速度快，除极个别情况外，化学反应多是快环节，一般不是 控制环节，扩散才是控制环节。 详细是内扩散还是外扩散哪一环节，是由操作条件决定，而 且伴随操作条件旳变化而变化。
例如：流相流动速度快，或搅拌剧烈，树脂颗粒大，吸附弱，浓度稀， 外扩散速度就快，内扩散速度慢，内扩散成为控制环节；
（2）树脂应有一定交联度
例如 ：大分子物质要选择交联度低旳某些树脂；而小分子物质要选 择高交联度旳树脂。
注意： 交联度太小，会影响树脂旳选择性，树脂旳机械强度也较低，轻易 破碎，造成树脂旳破碎流失。
交联度选择原则： 在不影响互换容量旳条件下，尽量提升交联度。
二、操作条件旳控制
（1）互换条件旳控制
盐析结晶
盐析结晶：向溶液中加入某些物质，以降低溶质在 原溶剂中旳溶解度，产生过饱和度旳措施。
盐析剂旳要求：能溶解于原溶液中旳溶剂，但不（ 极少）溶解被结晶旳溶质，而且溶剂与盐析剂旳混 合物易于分离(用蒸馏法)。
NaCl是一种常用旳盐析剂，如在联合制碱法中，向 低温旳饱和氯化铵母液中加入NaCl，利用同离子效 应，使母液中旳氯化铵尽量多地结晶出来，以提升 结晶收率。
缺陷：不一定能找到合适旳树脂，生产周期 长，生产过程中pH值变化较大。
离子互换树脂
离子互换树脂是人工合成旳不溶于酸、 碱和有机溶剂旳高分子聚合物，它旳化学 性质稳定，并具有离子互换能力。 构成：
骨架: 一般用R表达（保持树脂不溶性和化学稳定 性) 活性离子（可互换旳离子，H+、OH-）（与外界离 子互换或吸附） 通式：R-活性基团
氧化还原
骨架名称 苯乙烯系 丙烯酸系
离子交换
離子交換一、前言離子交換法(ion exchange process)是液相中的離子和固相中離子間所進行的的一種可逆性化學反應，當液相中的某些離子較為離子交換固體所喜好時，便會被離子交換固體吸附，為維持水溶液的電中性，所以離子交換固體必須釋出等價離子回溶液中。
離子交換樹脂一般呈現多孔狀或顆粒狀，其大小約為0.1~1mm ，其離子交換能力依其交換能力特徵可分：1. 強酸型陽離子交換樹脂：主要含有強酸性的反應基如磺酸基（－SO 3H ），此離子交換樹脂可以交換所有的陽離子。
2. 弱酸型陽離子交換樹脂：具有較弱的反應基如羧基（－COOH 基），此離子交換樹脂僅可交換弱鹼中的陽離子如Ca 2+、Mg 2+，對於強鹼中的離子如Ca 2+、K +等無法進行交換。
3. 強鹼型陰離子交換樹脂：主要是含有較強的反應基如具有四面體銨鹽官能基之－N +(CH 3)3，在氫氧形式下，－N +(CH 3)3OH -中的氫氧離子可以迅速釋出，以進行交換，強鹼型陰離子交換樹脂可以和所有的陰離子進行交換去除。
4. 弱鹼型陰離子交換樹脂：具有較弱的反應基如氨基，僅能去除強酸中的陰離子如SO 42-，Cl －或NO 3－，對於HCO 3－，CO 32－或SiO 42－則無法去除。
不論是離子交換樹脂或是沸石，都有其一定的可交換基濃度，稱為離子交換容量(ion exchange capacity)。
對陽離子交換樹脂而言，大約在200~500meq/100g 。
因為陽離子交換為一化學反應，故必須遵守質量平衡定律。
離子交換樹脂的一般方程式可以表示如下：1221.Re Re M M M M +⇔⋅+++M 1+，M 2+為不同種類的陽離子，Re 為陽離子交換樹脂，平衡常數K 為[][][][]溶液固體⎥⎦⎤⎢⎣⎡⨯⎥⎦⎤⎢⎣⎡==++++12211221.Re .Re 12M M M M M M M M KM M ++12M M K稱為質量作用常數(mass action constant)或選擇係數(selectivitycoefficient)。
离子交换层析ionexchangechromatography
与水含茚三酮的反应：
O OH OH O O －CO2 O O RCHO + O O H N O O H NH2 O R N CH2 O OH OH O O O O H N O O O H R N CH H2O R CH COOH + NH2 －2H2O O O R N CHCOOH
紫色物质，用于α－氨基酸的比色测定和纸层析显色
三、操作注意点
（一）离子交换剂的选择 原则：根据被分离物质的性质选择 — 同一性 质离子交换剂中选用对被分离物质各组分 之间结合力差异大的型号交换剂，以保证 通过离子交换层析后能得到比较满意的结 果。
考虑因素： 1.被分离物质带何种电荷 2.被分离物质分子的大小 大分子物质选用凝胶，其次选用纤维素 3.被分离物质所处的环境 4.被分离物质的物理化学性质 5.被分离物质的大概数量
2、检测：从第2管起每收集管中加入2ml茚三 酮显色液，充分混合，沸水浴 15 分钟，自 来水冷却，观察氨基酸与茚三酮的显色反 应，若生成紫色化合物，则说明收集到氨 基酸。
Separation of amino acids on a cation exchange column
Different types of ion exchange resins (a) Cation exchanger (b) Anion exchanger.
2.离子交换纤维素 阴离子交换纤维素 — 如 :DEAE- 纤维素 pH8.6 以下分离中性或酸性物质 , 具二乙 胺乙基 阳离子交换纤维素—如:CM-纤维素 一 般pH>4条件下使用,具有羧甲基
Hale Waihona Puke 3.离子交换凝胶— 分离大分子物质 如 ： 葡 聚 糖 （ Sephadex）、 聚 丙 烯 酰 胺 （PAG）、琼脂糖（Sepharose）
离子交换的基本知识
离子交换的基本知识离子交换法(ion exchange process)是液相中的离子和固相中离子间所进行的的一种可逆性化学反应，当液相中的某些离子较为离子交换固体所喜好时，便会被离子交换固体吸附，为维持水溶液的电中性，所以离子交换固体必须释出等价离子回溶液中。
离子交换树脂一般呈现多孔状或颗粒状，其大小约为0.1~1mm，其离子交换能力依其交换能力特征可分：1. 强酸型阳离子交换树脂：主要含有强酸性的反应基如磺酸基（－SO3H），此离子交换树脂可以交换所有的阳离子。
2. 弱酸型阳离子交换树脂：具有较弱的反应基如羧基（－COOH基），此离子交换树脂仅可交换弱碱中的阳离子如Ca2+、Mg2+，对于强碱中的离子如Ca2+、K+等无法进行交换。
3. 强碱型阴离子交换树脂：主要是含有较强的反应基如具有四面体铵盐官能基之－N+(CH3)3，在氢氧形式下，－N+(CH3)3OH-中的氢氧离子可以迅速释出，以进行交换，强碱型阴离子交换树脂可以和所有的阴离子进行交换去除。
4. 弱碱型阴离子交换树脂：具有较弱的反应基如氨基，仅能去除强酸中的阴离子如SO42-，Cl－或NO3－，对于HCO3－，CO32－或SiO42－则无法去除。
不论是离子交换树脂或是沸石，都有其一定的可交换基浓度，称为离子交换容量(ion exchange capacity)。
对阳离子交换树脂而言，大约在200~500meq/100g。
因为阳离子交换为一化学反应，故必须遵守质量平衡定律。
离子交换的基本知识为了除去水中离子态杂质,现在采用得最普遍的方法是离子交换。
这种方法可以将水中离子态杂质清除得以较彻底，因而能制得很纯的水。
所以，在热力发电厂锅炉用水的制备工艺中，它是一个必要的步骤。
离子交换处理，必须用一种称做离子交换剂的物质（简称交换剂）来进行。
这种物质遇水时，可以将其本身所具有的某种离子和水中同符号的离子相互交换，离子交换剂的种类很多，有天然和人造、有机和无机、阳离子型和阴离子型等之分，大概情况如表所示。
离子交换法
改变，故以抽干树脂作为基准较准确，但风干树脂使用较方
便。
1、含水量
A 绝对含水量： 将树脂在105一110℃干燥至恒重就可测 定其含水量。 B 溶胀水: 一定的离心力场下(通常为400g)，在一定的时 间内(30min)所失去的水分。
它和树脂的交联度有一定的关系，可作为测
定交联度的一种方法。
2、膨胀度 将10一15ml风干树脂放入量筒中，加入欲试验的溶剂， 通常是水，不时摇动，24h后，测定树脂体积。 前后体积之比，称为膨胀系数，以K膨胀表示。
第一个数字：分类代号（树脂类型）
第二个数字：树脂骨架的分类代号
例如：
弱酸101×4、强酸001× 3、弱碱327等。“×”号后面的 数字表示交联度、即二乙烯苯含量。001×7表示交联度为7％ 的苯乙烯系凝胶型强酸性阳离子交换树脂，
大孔型离子交换树脂命名： 在型号前加‘D’表示； 例如：D315表示大孔型丙烯酸系弱碱性阴离子交换树脂。
一、基本概念
离子交换树脂是一种不溶于酸、碱和有机溶剂的固态 高分子化合物，化学稳定性良好，且具有离子交换能力。
其分子可以分成两部分：
1、不能移动的、多价的高分子基团，构成树脂的骨架。
2、可移动的离子，称为活性离子，它在树脂骨架中的 进进出出，就发生离子交换现象。
高分子的惰性骨架和单分子的活性离子，带有相反的电 荷，而共处于离子交换树脂中。 从电化学的观点看，离子交换树脂是一种不溶解的多价 离子 ，其四周包围着可移动的带有相反电荷的离子。 从胶体化学观点看，离子交换树脂是一种均匀的弹性 亲液凝胶，活性离子是阳离子的称为阳离子交换树脂，活性 离子是阴离子的称为阴离子交换树脂，它们的构造模型和交 换过程示意于图20—1中。 较晚发展起来的大网格树脂，具有不均匀的两相结构， 包括空隙和凝胶两部分，称为非凝胶型树脂。
Ion-exchange离子交换法
❖ (1)参照云峰沸石的电子能谱图 可知云峰人造沸石为钠型沸石，可交 ❖ 换阳离子为Na+离子; ❖ (2)熔盐体系中，液相仅为熔融态AgN03，固相为沸石; ❖ (3)由于不存在其他竞争离子，可以认为在沸石表面:
查数据发现ff的的水化半径水化半径为为0352nm0352nm而clcl的水化半径为的水化半径为0332nmbr0332nmbr033nm0331nm0331nm它们的增减它们的增减趋势是相反的趋势是相反的ff的水合离子半径最大的水合离子半径最大
Ion-exchange
离子交换法
康晋 03081006
离子交换概述
❖ 历史：早在古希腊时期人们就会用特定的黏土纯化海水.算是 比较早的离子交换法.这些黏土主要是沸石.
❖ 离子交换树脂都是用有机合成方法制成。常用的原料为苯乙 烯或丙烯酸(酯)，通过聚合反应生成具有三维空间立体网络 结构的骨架，再在骨架上导入不同类型的化学活性基团(通 常为酸性或碱性基团)而制成。
点击看图
交换平衡
反应通式为:
— nR-A+ + B n+
Rn-Bn+ n+ )r(A+)sn/(R-A+)rn(Bn+)s (Rn-Bn+ )r是树脂中Bn+的活度, (R-A+)r是树脂中A+的活度, (Bn+)s是溶液中Bn+的活度. r(A+)s是溶液中A+的活度. K为离子交换选择系数.
离子交换法3.ppt
39
第五节 树脂和操作条件的选择 3 离子交换吸附 3.2 离子强度 离子交换吸附应在很低的离子强度下进行。 缓冲液中的离子强度一般在10-50 mmol/L 由于离子强度越↓，吸附越↑，越难解吸，因
2) 弱酸性阳离子交换树脂 交换性能和溶液的pH有很大关系，羧酸阳离子树
脂须在pH﹥4.5 、酚羟基树脂须在pH﹥9的溶液 中进行反应。 -COOH， -OH (酚羟基） 典型的交换反应：
8
一、离子交换剂分类—离子交换树脂分类
3）强碱性阴离子交换树脂 有两种：一种含三甲胺基(Ⅰ型) 和一种含二甲基-
β-羟基-乙基胺基团 (Ⅱ型) 其交换能力与外界溶液的pH无关
9
一、离子交换剂分类—离子交换树脂分类
4）弱碱性阴离子交换树脂 其交换能力与外界溶液的pH降低而增大，一般宜
在pH﹤ 7的溶液中使用。 功能基团如下: 伯胺基团-NH2； 仲胺基团- NHR； 叔胺基团- N(R)2；
10
一、离子交换剂分类—离子交换树脂分类
水性两大类： 1）、树脂类（疏水性）离子交换剂： 其基质是人工合成的、与水结合力交换剂分类、合成、理化性能和测定方法 --离子交换剂分类
2）、多糖类（亲水性）离子交换剂： 其基质是天然的或人工合成的、与水结合力较大
的物质 常用的有纤维素、交联纤维素、交联葡聚糖、交
（3）交换速度 （慢）
（4）选择性（高）
17
第二节 离子交换剂分类、结构、合成、理化性 能和测定方法
五、离子交换树脂的理化性能与测定方法 1、物理性能 (1)．粒度 ①有效粒径是指筛分树脂时，10%体积的树脂颗粒通过，
而90%体积的树脂颗粒保留的筛孔直径。 ②均一系数是指能通过60%体积树脂的筛孔直径（d60%）
离子交换法课件
离子交换法课件
生物分离过程的一般流程
原料液
细胞分离(离心，过滤)
路线一 细胞－胞内产物
路线二 清液－胞外产物
路线一B 包含体 溶解(加盐酸胍、脲)
复性
细胞破碎 碎片分离
路线一A
粗分离(沉淀/膜过滤/萃取)
纯化(离子交换/层析/吸附
脱盐(凝胶过滤、超滤) 浓缩(超滤)
精制(结晶、干燥)
离子交换法课件
离子交换法概述
离子交换树脂的发展
离子交换树脂的出现已有近80年的历史. 离子交换树脂发展史上的3个重要阶段 • 1933年Adams和Hofms发明了缩聚类酚醛型阳、
阴离子交换树脂, • 二战及二战后期离子交换树脂大发展
1939年德国法本公司和1941年美国的树脂产品和 化学品公司先后开始工业生产， 在第二次世界大战中，美国获得了苯乙烯系和丙 烯酸系加聚型离子交换树脂合成的专利。它开创 了当今离子交换树脂离制子交造换法方课件法的基础。
和弱酸性树脂一样，其交换能力随pH变化而变化，pH 越低，交换能力越大。
离子交换法课件
二. 离子交换树脂的分类
5 四类树脂的特性比较
①活性功能团： a 强酸阳树脂 －SO3H
OH
－PO
OH
H
－PO
OH
b 弱酸阳树脂 －COOH； 酚羟基
c 强碱性阴树脂(季胺) 强碱 I 号： CH3
－N＋－CH3
离子交换法课件
1）大孔离子交换树脂
凝胶型树脂
外观半透明 空隙小 直径小于30A 孔由链－链距离造成 溶胀空隙 均相结构 干燥/非水溶剂/浓电解质 中空隙会倒塌
大网格树脂
不透明 空隙大 直径2001000A 孔由链-链距离+致孔剂造成 溶胀空隙＋永久空隙 非均相结构 空隙是固有的，不会消失
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60
氨基酸制备、分离
• 猪血粉水解制备6种氨基酸:
61
无盐水制备
• 无盐水制备是利用氢型阳离子交换树脂 和羟型阴离子交换树脂的组合以除去水 中所有的离子，其反应式如下：
62
无盐水制备
• 阳离子交换树脂用强酸性树脂，阴离子交换树脂 可以用强碱或弱碱树脂。
44
三、交换环境的影响
• 1、溶液的pH：解离度、交换容量、 选择性。
• 2、离子强度：交换容量、选择性、 交换速度
• 3、有机溶剂：能降低有机离子的解 离程度。
45
四、树脂结构的影响
（一）树脂载体的交联度：
• 交联度上升，膨胀度下降，K值增大，树 脂潜在的选择能力提高。
• 空隙大小的影响，即膨胀度增大，促使树 脂吸附量增加。
• 交换：静态交换 动态交换 • 洗脱： • 洗脱方式：分静态洗脱及动态洗脱两种，pH
及离子强度改变。 • 洗脱液：酸、碱、盐。
56
• 酸、碱洗脱液旨在改变吸附物的电荷或改变 树脂吸附基团的解离状态，以消除静电结合 力，迫使目的物被释放出来；
• 盐类洗脱液是通过高浓度的同种电荷的离子 与目的物竞争树脂上的活性基团，使吸附物 解离。
•
C1/C2=P
• 在稀溶液(C2较小)中，树脂吸附高价离 子的倾向很大。
43
举例
• 例如：
• 当k=2 P=1 m1+m2=1 C2=0.1mol/L Z2=1时 • 若Z1=2 则m1＝0.9，m2＝0.1 • 若Z1=3 则m1＝0.97，m2＝0.03 • 在较稀的溶液中，树脂几乎仅吸附高价离子。
34
交换容量测定方法
• 阳离子交换树脂（氢型）的测定方法：一定量 树脂 中 加入 NaOH溶 液， 一天 或 数天 后 测定 NaOH剩余量，从消耗的碱量求交换容量。
• 阴离子交换树脂（氯型）的测定方法：一定量 树脂装柱，用过量Na2SO4溶液进行离子交换， 测定流出液中氯离子总量，求交换容量。
35
•
交换环境
•
树脂结构
•
偶极离子排斥
38
一、离子的化合价与水合半径的影响：
• 相对亲和力和相对浓度。 • 电荷效应越强的离子与树脂的亲和力越
大，而决定电荷效应的主要因素是价电 数和离子半径。
39
• 一价阳离子亲和力的次序是： • H+≈Li+＜Na+＜K+≈ NH4+ ＜Ag+
• 对强碱性树脂阴离子亲和力次序： • F－＜OH－ ＜HCOO－ ＜Cl－＜Br－＜I－＜SO4 2-
15
离子交换树脂的命名：
• 强酸类 1～100号； • 弱酸类 101～200； • 强碱类201～300； • 弱碱类301~400； • 中强酸类401～500 • 交联度：是合成载体骨架时交联剂重量的百分数，
用“×”将树脂编号与交联度分开。 • 弱酸101 ×4其交联度为4％。 • 国内常用树脂命名：724；732；717
• 钠盐树脂 • 氢型树脂，被取代的氢离子为羧基所固定，使被吸附的氨
基酸不能形成偶极，与树脂之磺酸基没有排斥力。 • 与钠型树脂相比，氢型树脂有较大的有效交换容量。
33
三、主要理化常数的测定
• 1、含水量：常用干燥法和离 心法测得。
• 2、膨胀度：膨胀系数K膨胀。 • 3．湿真密度－树脂充满水时
的密度。 • 4.交换容量:meq/g 树脂。
•
表示溶液中与树脂表面的两种离子。
23
尼科尔斯基方程式
• 用m1、m2及C1、C2分别代表树脂上和溶液中的 两种离子的浓度。
• 数量关系可表示:
•
• 尼科尔斯基方程式
• K＞1时 离子A1比离子A2对树脂有较大的吸引力
24
二、离子交换速度
• R－B+ + A+ R－A+ + B+ • 离子交换过程： • 1、A+从溶液扩散到树脂表面。 • 2、A+从树脂颗粒表面扩散到颗粒中
• 选择性的影响，膨胀度增大时，K值减小，
促使树脂吸附量降低；
图8.14 用磺酸基树脂СБС从含
有HCl的溶液中，吸附土霉素的
量与树脂膨胀度之间的关系
• 膨胀系数值很小时，空间效应占主要地位。
1-0.1N HCl；2-0.25N HCl；30.5N HCl；4-1.0 N HCl;原始
• 膨胀系数增大到一定值时，选择性占主要 地位。
• 一、离子交换对树脂的基本要求 • 二、影响树脂性能的几个因素 • 三、主要理化常数的测定
29
一、离子交换对树脂的基本要求：
• 1、有尽可能大的交换容量。 • 2、有良好的交换选择性。 • 3、化学性质稳定。 • 4、化学动力学性能好。 • 5、物理性能好。
30
二、影响树脂性能的几个因素
• 1、离子交换树脂具有的功能基团性质和数 目，数目是其交换容量的基础。（pH）
• 蛋白质、酶和其它生物大分子的分 离多采用弱碱或弱酸性树脂，减少 生物大分子的变性，利于洗脱，提 高选择性。
51
二、树脂的处理和再生
1、 外观特征 • 透明或半透明；颗粒圆整，粒度均匀，
强度。
• 2、 树脂的预处理 • （1） 物理处理：去杂，过筛。 • （2） 化学处理：用8～10倍的1mol/L
第八章 离子交换法(ionexchange
1
第一节 基本原理
• 离子交换法：利用溶液中带电粒子与离 子交换剂之间结合力的差异进行物质分 离的操作方法。
• 带电粒子与离子交换剂间的作用力是静 电力。
• 电荷密度、电荷种类
2
离子交换剂
• 离子交换剂：由惰性的不溶性载体、功能基团 和平衡离子组成。
• 阳离子交换剂：平衡离子带正电荷。 • 阴离子交换剂：平衡离子带负电荷。 • R-X+ + Y+ R-Y+ + X+
57
洗脱方式
• 动态洗脱： • 1、 溶液pH及离子强度不变。 • 2、分阶段改变溶液pH及离子强度。 • 3、连续改变溶液pH及离子强度。 • 梯度洗脱：自动化的梯度仪
58
梯度洗脱
• 梯度混合器: • A瓶为低浓度盐溶液 • B瓶为高浓度盐溶液 • C=CA―（CA―CB）VAA/AB
59
第七节 应用实例
47
• （二）辅助力：离子交换树脂与被吸附离子间的 作用力除静电力外，还存在一种辅助力。
• 无机离子交换常数K值多在1~10之间。 • 有机离子交换时，K值可高达102~103。
• （三）其它结合力：某些树脂对金属离子有特殊 的亲和力。
• 羧酸型树脂
48
五、偶极离子排斥作用：
• 偶极离子
• RSO3-Na+ + H3+NRCOO • RSO3- H + + H3+NRCOO -
16
离子交换树脂的骨架
（一）苯乙烯型离子交换树脂
• 由苯乙烯与二 乙烯苯经过氧 苯甲酰催化聚 合而成。
• 交联度
17
18
（二）丙烯酸型离子交换树脂
丙烯酸型阳离子交换树脂：是由丙烯酸甲酯 与二乙烯苯经过氧苯甲酰催化聚合而成。
19
丙烯酸型阳离子交换树脂
• 110树脂：丙烯酸甲酯与二乙烯苯聚合而成。 • 724树脂：它是由甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲
酯和二乙烯苯三元共聚而得 。
20
（三）其它离子交换树脂
• 蛇笼树脂：脱盐 • 螯形树脂：金属离子 • 吸附树脂 ：“脱色树脂” • 热再生离子交换树脂：
21
常用离子交换树脂特性表
•
22
第三节 离子交换动力学
• 一、离子交换平衡
• • R代表离子交换树脂，Z1及Z2分别为离子A1和A2的
价电数。
• 钠盐树脂 • 氢型树脂
RSO3- H3+ NRCOO - +Na+ RSO3- H3+ NRCOO H
• 与钠型树脂相比，氢型树脂有较大的有效交换容量。
49
氢型与钠型磺酸基树脂吸附氨基酸比较
50
第六节 离子交换操作方法
• 一、 树脂的选择 • 目的物是弱酸性或弱碱性的小分子
物质时，宜选用强酸强碱树脂（氨 基酸的分离）。
速度下降一个数量级。 • 5、温度。 • 6、离子浓度：交换速度随离子浓度的上升而加快。
27
三、离子交换动力学
• 交换离子被吸附，平衡离子被释放。 • 交换带：交换离子A1由于被树脂吸附，其
浓度从起始浓度Co逐渐下降到0的树脂层。
• 交换带窄：K＞1 ；A1浓度小；流速慢。
28
第四节 离子交换树脂的性能
离子，亦称平衡离子。
• 如聚苯乙烯磺酸型钠树脂。
10
阳离子交换树脂分类
• 强酸型树脂：磺酸型树脂，功 能基团为磺酸根(—SO3H)及甲 基磺酸根(—CH2SO3H)，有好 的解离能力。
• 中酸性树脂：磷酸型树脂（—
PO3H2 ）
• 弱酸性树脂：羧酸型树脂和酚
型树脂（—COOH ,
），
在酸性环境中解离度受到抑制。
11
阴离子交换树脂
• 强碱型阴离子交换树脂： •
• 弱碱型阴离子交换树脂：活性基团为伯、仲、叔胺 基。在碱性环境中解离度受到抑制。
• 中强碱性阴离子交换树脂：兼有以上两类活性基团。
12
离子交换树脂功能基团的电离常数
13
离子交换树脂的性能
14
两性树脂： 蛇笼树脂(snake-cage resins)
溶液中士霉素浓度为 0.4mg/ml;m-对土霉素吸附量