离子交换分离法
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离子交换分离法
离子交换树脂的亲和力
离子交换树脂靠静电引力使离子进行交换，所以离子水合半径r， 离子电荷Z，极化度等，均与亲和力有关。 一般规律： 1.强酸型离子交换树脂 （1）不同价态离子，Z越大，亲和力越大；
Na+<Ca2+<Al3+<Th(Ⅳ) （2）同价态离子，水合半径r越小，亲和力越大；
Li+<H+<Na+<NH4+<K+<Rb+<Cs+<Ag+<Tl+ （3）二价离子的亲和力顺序为：
离子交换分离法
离子交换分离法
定义及特点 离子交换剂的种类和性质 基本理论 基本操作 应用
离子交换分离法
定义
离子交换法是利用溶液通过离子交换剂（离 子交换树脂）时发生在溶液和离子交换剂之间的 相同符号的离子交换作用而使离子分离的方法。
各种离子与离子交换树脂交换能力不同，被 交换到树脂上的离子可选用适当的洗脱剂依次洗 脱，从而达到分离目的
水浸泡（1—2d）—— 2—3倍 2mol/L HCl浸泡（ 1—2d）—— 水洗至中性—— 得H+阳离子交换树脂或Cl-阴离子交换树脂
也可依需要用NaCl，NaOH，NH4Cl或 Na2SO4等浸泡，使之转为相应的类型。
离子交换分离法
（3）装柱： 玻璃、塑料： L = 10—30cm, φ=1.2～0.6cm （注意带水装）
离子交换分离法
强酸型阳离子交换树脂ຫໍສະໝຸດ Baidu离示例 Cl-, K+, Na+, Ag+ 的分离
游离状态
交换反应
K：亲和力
H+ < Na+ < K+ < Ag+
H2O
离子交换分离法
洗脱
H+ < Na+ < K+ < Ag+
前 一 状 态
弱碱型
—N+H3 OH—N+H2R OH-
pH < 4
—N+HR2 OH-
含有特殊螯合基团的树脂
两性交换树脂 电子交换树脂，含有氧化还原功能基团
离子交换分离法
强碱型阴离子树脂
弱酸型阳离子树脂
离子交换分离法
弱碱型阴离子树脂
交联度与交换容量
（1）交联度 树脂在合成中分子间相互连成网状结构称之“交联”
电解质溶液 半透膜
吸水 溶胀
A+R-
C- 唐南排斥
A+
C-
唐南理论 溶液中B+
离子交换分离法
离子交换动力学 ②
M
①
⑤ H④
③M -SO3H
与溶剂萃取相比，离子交换是在固相与液相之间完成，交换 速度比较慢，对分离效率的影响较大。一般的离子交换过程有五 个步骤：
➢ 溶液离子向树脂表面扩散（膜扩散）； ➢ 离子通过树脂表面向内部扩散（颗粒扩散）；“慢” ➢ 树脂内进行离子交换（交换反应）； ➢ 已交换离子从树脂内部向外扩散（颗粒扩散）；“慢” ➢ 已交换离子由树脂表面向本体溶液扩散（膜扩散）。
（2）交换容量 树脂质量的重要指标 取决于网状结构内所含活性基团数目
定义：每克干树脂能交换的物质的量（mmol/g）
①全交换容量：理论值，为特征常数，不随条件变化； ②有效（工作）交换容量：实测值，与实验条件有关。
离子交换分离法
离子交换分离的理论
唐南理论
交换平衡
B A R A B R
树脂 弹性凝胶
离子交换分离法
特点：
（1）分离效率高 能用于带相反电荷离子分离，又能用于带相同 电荷及性质相近离子的分离
（2）应用广 既可用于分离，又可用于富集，还可用高纯物 制备及蛋白质、核酸、酶等生物活性物的纯化
（3）分离过程周期长、耗时多 所以仅用于解决分析中较困难的分离问题
离子交换分离法
离子交换树脂的结构
C H =C H 2 +
C H =C H 2
聚合
CH CH2 CH CH2 CH CH2
交联剂
C H =C H 2
CH CH2 CH CH2 CH CH2 CH
交联作用
CH2 CH CH2
磺化
H 2SO 4
CH CH2 CH CH2 CH CH2
SO 3H
SO 3H
CH CH2 CH CH2 CH CH2 CH
离子交换分离法
离子交换分离操作
1、树脂的选择、预处理及装柱 （1）选择
依分离对象和要求，选择适当的类型和粘度的树脂。
测定阳离子,阴离子干扰
阴离子交换树脂
测定阳离子,阳离子干扰 制备去离子水 分析用
离子交换分离法
阳离子交换树脂 颗粒粗(目数小) 颗粒细(目数大)
（2）预处理 晾干 —— 研磨——过筛——浸泡/转型
离子交换分离法
2、柱上操作 （1）交换
试液按一定流速流经交换柱。 （2）洗涤
用空白液（多用水），将上层残液及交换出的离子洗下去。 （3）洗脱（解析）
将置换上柱子的离子用淋洗剂（洗脱剂）置换下来。 一般：阳树脂——HCl溶液洗脱； 阴树脂——HCl、NaCl或NaOH等。
（4）再生（转型） 使树脂回复至交换前形式（有时洗涤过程即再生过程）
交联度=交联剂用量/反应物总量×100%
二 乙 烯 基 苯 的 质 量 二 乙 烯 基 苯 和 苯 乙 烯 质 量 之 和 100%
交联度大，水胀性差，网眼小，交换速度慢，选择性好，机 械强度好。 交联度小，水胀性好，网眼大，交换速度快，选择性差，机 械强度差。
一般交联度4%～14%为宜
离子交换分离法
SO 3H
CH2 CH CH2
离子交换分离法
SO 3H
活性基 团
离子交换树脂的分类
阳离子交换树脂
交换基为酸性，H+与 阳离子交换
强酸型 弱酸型
依据活性基团分类
—SO3H —COOH —OH
使用 pH 范围 pH > 2 pH > 6
pH >10
阴离子交换树脂
交换基为碱性，阴离 子发生交换
螯合树脂
强碱型 —N+(CH3)3Cl- pH <12
Ion exchange resins
离子交换树脂
带有活性基团的网状高分子聚合物
骨架
酚醛树脂
OH + CH2O
聚乙烯树脂
C H =C H 2 +
C H =C H 2
交联剂
活性基团 酸性基团
—SO3H 碱性基团 —COOH
离子交换分离法
C H =C H 2
—N+R3 —NR2
特殊基团
聚苯乙烯磺酸型阳离子交换树脂 R-SO3H + M+ = R-SO3M + H+
UO22+<Mg2+<Zn2+<Co2+<Cu2+<Cd2+<Ni2+<Sr2+<Pb2+<Ba2+ （4）稀土元素的亲和离力子随交换原分离子法 序数增加而减小。
２.强碱型阴离子交换树脂 F-<OH-<Ac-<HCOO-<Cl-<NO2-<CN-<Br-<C2O42<NO3-<HSO4-<I-<CrO42-<SO42-<柠檬酸根
离子交换树脂的亲和力
离子交换树脂靠静电引力使离子进行交换，所以离子水合半径r， 离子电荷Z，极化度等，均与亲和力有关。 一般规律： 1.强酸型离子交换树脂 （1）不同价态离子，Z越大，亲和力越大；
Na+<Ca2+<Al3+<Th(Ⅳ) （2）同价态离子，水合半径r越小，亲和力越大；
Li+<H+<Na+<NH4+<K+<Rb+<Cs+<Ag+<Tl+ （3）二价离子的亲和力顺序为：
离子交换分离法
离子交换分离法
定义及特点 离子交换剂的种类和性质 基本理论 基本操作 应用
离子交换分离法
定义
离子交换法是利用溶液通过离子交换剂（离 子交换树脂）时发生在溶液和离子交换剂之间的 相同符号的离子交换作用而使离子分离的方法。
各种离子与离子交换树脂交换能力不同，被 交换到树脂上的离子可选用适当的洗脱剂依次洗 脱，从而达到分离目的
水浸泡（1—2d）—— 2—3倍 2mol/L HCl浸泡（ 1—2d）—— 水洗至中性—— 得H+阳离子交换树脂或Cl-阴离子交换树脂
也可依需要用NaCl，NaOH，NH4Cl或 Na2SO4等浸泡，使之转为相应的类型。
离子交换分离法
（3）装柱： 玻璃、塑料： L = 10—30cm, φ=1.2～0.6cm （注意带水装）
离子交换分离法
强酸型阳离子交换树脂ຫໍສະໝຸດ Baidu离示例 Cl-, K+, Na+, Ag+ 的分离
游离状态
交换反应
K：亲和力
H+ < Na+ < K+ < Ag+
H2O
离子交换分离法
洗脱
H+ < Na+ < K+ < Ag+
前 一 状 态
弱碱型
—N+H3 OH—N+H2R OH-
pH < 4
—N+HR2 OH-
含有特殊螯合基团的树脂
两性交换树脂 电子交换树脂，含有氧化还原功能基团
离子交换分离法
强碱型阴离子树脂
弱酸型阳离子树脂
离子交换分离法
弱碱型阴离子树脂
交联度与交换容量
（1）交联度 树脂在合成中分子间相互连成网状结构称之“交联”
电解质溶液 半透膜
吸水 溶胀
A+R-
C- 唐南排斥
A+
C-
唐南理论 溶液中B+
离子交换分离法
离子交换动力学 ②
M
①
⑤ H④
③M -SO3H
与溶剂萃取相比，离子交换是在固相与液相之间完成，交换 速度比较慢，对分离效率的影响较大。一般的离子交换过程有五 个步骤：
➢ 溶液离子向树脂表面扩散（膜扩散）； ➢ 离子通过树脂表面向内部扩散（颗粒扩散）；“慢” ➢ 树脂内进行离子交换（交换反应）； ➢ 已交换离子从树脂内部向外扩散（颗粒扩散）；“慢” ➢ 已交换离子由树脂表面向本体溶液扩散（膜扩散）。
（2）交换容量 树脂质量的重要指标 取决于网状结构内所含活性基团数目
定义：每克干树脂能交换的物质的量（mmol/g）
①全交换容量：理论值，为特征常数，不随条件变化； ②有效（工作）交换容量：实测值，与实验条件有关。
离子交换分离法
离子交换分离的理论
唐南理论
交换平衡
B A R A B R
树脂 弹性凝胶
离子交换分离法
特点：
（1）分离效率高 能用于带相反电荷离子分离，又能用于带相同 电荷及性质相近离子的分离
（2）应用广 既可用于分离，又可用于富集，还可用高纯物 制备及蛋白质、核酸、酶等生物活性物的纯化
（3）分离过程周期长、耗时多 所以仅用于解决分析中较困难的分离问题
离子交换分离法
离子交换树脂的结构
C H =C H 2 +
C H =C H 2
聚合
CH CH2 CH CH2 CH CH2
交联剂
C H =C H 2
CH CH2 CH CH2 CH CH2 CH
交联作用
CH2 CH CH2
磺化
H 2SO 4
CH CH2 CH CH2 CH CH2
SO 3H
SO 3H
CH CH2 CH CH2 CH CH2 CH
离子交换分离法
离子交换分离操作
1、树脂的选择、预处理及装柱 （1）选择
依分离对象和要求，选择适当的类型和粘度的树脂。
测定阳离子,阴离子干扰
阴离子交换树脂
测定阳离子,阳离子干扰 制备去离子水 分析用
离子交换分离法
阳离子交换树脂 颗粒粗(目数小) 颗粒细(目数大)
（2）预处理 晾干 —— 研磨——过筛——浸泡/转型
离子交换分离法
2、柱上操作 （1）交换
试液按一定流速流经交换柱。 （2）洗涤
用空白液（多用水），将上层残液及交换出的离子洗下去。 （3）洗脱（解析）
将置换上柱子的离子用淋洗剂（洗脱剂）置换下来。 一般：阳树脂——HCl溶液洗脱； 阴树脂——HCl、NaCl或NaOH等。
（4）再生（转型） 使树脂回复至交换前形式（有时洗涤过程即再生过程）
交联度=交联剂用量/反应物总量×100%
二 乙 烯 基 苯 的 质 量 二 乙 烯 基 苯 和 苯 乙 烯 质 量 之 和 100%
交联度大，水胀性差，网眼小，交换速度慢，选择性好，机 械强度好。 交联度小，水胀性好，网眼大，交换速度快，选择性差，机 械强度差。
一般交联度4%～14%为宜
离子交换分离法
SO 3H
CH2 CH CH2
离子交换分离法
SO 3H
活性基 团
离子交换树脂的分类
阳离子交换树脂
交换基为酸性，H+与 阳离子交换
强酸型 弱酸型
依据活性基团分类
—SO3H —COOH —OH
使用 pH 范围 pH > 2 pH > 6
pH >10
阴离子交换树脂
交换基为碱性，阴离 子发生交换
螯合树脂
强碱型 —N+(CH3)3Cl- pH <12
Ion exchange resins
离子交换树脂
带有活性基团的网状高分子聚合物
骨架
酚醛树脂
OH + CH2O
聚乙烯树脂
C H =C H 2 +
C H =C H 2
交联剂
活性基团 酸性基团
—SO3H 碱性基团 —COOH
离子交换分离法
C H =C H 2
—N+R3 —NR2
特殊基团
聚苯乙烯磺酸型阳离子交换树脂 R-SO3H + M+ = R-SO3M + H+
UO22+<Mg2+<Zn2+<Co2+<Cu2+<Cd2+<Ni2+<Sr2+<Pb2+<Ba2+ （4）稀土元素的亲和离力子随交换原分离子法 序数增加而减小。
２.强碱型阴离子交换树脂 F-<OH-<Ac-<HCOO-<Cl-<NO2-<CN-<Br-<C2O42<NO3-<HSO4-<I-<CrO42-<SO42-<柠檬酸根