离子交换分离法

离子交换机理
A+自溶液中扩散到树脂表面 A+从树脂表面进入树脂内部的 活性中心 A+与RB在活性中心上发生复分 解反应 解吸附离子B+自树脂内部扩散 至树脂表面 B+离子从树脂表面扩散到溶液 中 交换速度的控制步骤是扩散 速度,不同的分离体系可能 由内部扩散或外部扩散控制.
离子交换操作方法
树脂预处理及装柱 离子交换吸附 洗脱 树脂再生
软水机的工作原理:
软水机是应用离子交换技术,通过树脂上的功能离子与水中的钙,镁离子进行交换,从而吸附水中 多余的钙,镁离子,达到去除水垢(碳酸钙或碳酸镁)的目的. 软水机中装有软化剂树脂,这种人造的离子交换树脂上有软性矿物质钠,可以与溶解在水中的 钙,镁等硬性矿物质发生离子交换反应,而钠不会以水垢的形式堆积在物体表面上,所以对与它接 触的物体危害很小.树脂是一种多孔的,不可溶性交换材料.在现代的软水机中装有千百万颗微细 的塑料球(珠),所有小球都含有许多吸收正离子的负电荷交换位置.当树脂处在新生状态时,这 些电荷交换位置被带正电荷的钠离子占据.树脂优先结合带较强电荷的阳离子,钙和镁离子的电荷 比钠离子强,当含有钙,镁离子的水经过树脂贮槽时,钙,镁离子与树脂小珠接触,从交换位置上 取代钠离子.经过离子交换后,钙,镁离子就被吸附在软水机内的树脂上,流出的水就变软了.最 后,所有树脂都吸附满钙,镁离子后,就不能再进行工作了,而需要再生处理. 软水机树脂的再生是用氯化钠和水的稀溶液进行的.在再生过程中,首先停止软水机的工作水 流,从盐水槽引出的盐水与另外的稀释水流混合,稀盐水溶液流经树脂,与附有钙,镁离子的树脂 接触.尽管钙和镁离子带有的电比钠离子强,但浓盐溶液含有千百万个较弱电荷的钠离子,有取代 数目较少的钙和镁离子的能力.这样,当钙,镁离子被取代交换后,树脂就再生了,便为下一次软 化工作做好了准备.如此循环往复.
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); 弱酸性阳离子交换树脂:活性基团有-COOH, -OCH2COOH, C6H5OH等弱酸性基团; 强碱性阴离子交换树脂:活性基团为季铵基团, 如三甲胺基(N(CH3)3或二甲基--羟基乙基胺基; 弱碱性阴离子交换树脂:活性基团为伯胺或仲胺, 碱性较弱;
离子交换树脂的构成
离子交换树脂是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. 的网状结构的功能高分子化合物. 具有三维空间离体结构的网络骨架 具有三维空间离体结构的网络骨架 联接在骨架上的活性基团 联接在骨架上的活性基团 活性基团所带的相反电荷的活性离子( 活性基团所带的相反电荷的活性离子(可 交换离子) 交换离子)
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; 水合离子半径 离子化合价:高价离子易于被吸附; 离子化合价 溶液pH pH:影响交换基团和交换离子的解离程度,但不 溶液pH 影响交换容量; 离子强度:越低越好; 离子强度 有机溶剂:不利于吸附; 有机溶剂 交联度,膨胀度,分子筛:交联度大,膨胀度小,筛 交联度,膨胀度,分子筛 分能力增大;交联度小,膨胀度大,吸附量减少; 树脂与粒子间的辅助力:除静电力以外,还有氢键和 树脂与粒子间的辅助力 范德华力等辅助力;
装柱
进行离子交换通常在离子交换柱中进行.离子交 换柱一般用玻璃制成,装置交换柱时,先在交换 柱的下端铺上一层玻璃丝,灌入少量水,然后倾 入带水的树脂,树脂就下沉而形成交换层.装柱 时应防止树脂层中存留气泡,以免交换时试液与 树脂无法充分接触.树脂高度一般约为柱高的90%. 为防止加试液时树脂被冲起,在柱的上端亦应铺 一层玻璃纤维.交换枝装好后,再用蒸馏水洗涤, 关上活塞,以备使用.应当注意不能使树脂露出 水面,因为树脂露于空气中,当加入溶液时,树 脂间隙中会产生气抱,而使交换不完全.
1 1 1 1 A + A2 + nsS A + A2 + nsS 1 1 Z1 Z2 Z1 Z2
离子交换是借助于固体离子交换剂中的离 子与稀溶液中的离子进行交换,以达到提取 子与稀溶液中的离子进行交换 以达到提取 或去除溶液中某些离子的目的.它是一种 或去除溶液中某些离子的目的. 属于传质分离过程的单元操作. 属于传质分离过程的单元操作.
强酸型阳离子交换树脂分离示例 Cl-, K+, Na+, Ag+ 的分离
游离状态
K:亲和力 : H+ < Na+ < K+ < Ag+ H2O
交换反应
洗脱
离子交换完成后,将树脂吸附的物质重新转入溶液的方法 当交换完毕之后,一般用蒸馏水洗去残存溶液,然后用适 当的洗脱液进行洗脱.在洗脱过程中,上层被交换的离子 先被洗脱下来,经过下层未被交换的树脂时,又可以再度 被交换.因此最初洗脱液中被交换离子的浓度等于零,随 着洗脱的进行,洗出液离子浓度逐渐增大,达到最大值之 后又逐渐减小,至完全洗脱之后,被洗出之离子浓度又等 于零. 洗脱方法 (1)改变溶液pH值 (2)改变溶液离子强度
离子交换树脂的结构 骨架 酚醛树脂
带有活性基团的网状高分子聚合物
OH + CH2O
CH=C H 2
C H=C H 2
交联剂
聚乙烯树脂 活性基团 酸性基团 —SO3H —COOH
+ C H=C H 2
碱性基团 —N+R3 —NR2
特殊基团
树脂的网络骨架
离子交换的分类
按活性基团分类, 按活性基团分类,可分为阳离子交换树脂 exchange)(含酸性基团) (cation exchange)(含酸性基团)和阴离 子交换树脂(anion exchange)( 子交换树脂(anion exchange)(含碱性基 团). 具体又可以分为:强阳, 具体又可以分为:强阳,弱阳 强阴, 强阴,弱阴
影响交换速度的因素
颗粒大小:愈小越快 交联度:交联度小,交换速度快 温度:越高越快 离子化合价:化合价与高,交换越快 离子大小:越小越快 搅拌速度:在一定程度上,越大越快 溶液浓度:当交换速度为外扩散控制时, 浓度越大,交换速度越快
离子交换过程
离子交换过程是可逆多相化学反应: 离子交换过程是可逆多相化学反应:
化工工艺分离过程
--离子交换分离法
1.基本概念 基本概念
概念:利用离子交换树脂作为吸附剂, 概念:利用离子交换树脂作为吸附剂,将溶液中的待分离 离子交换树脂作为吸附剂 组分,依据其电荷差异 依靠库仑力吸附在树脂上, 电荷差异, 库仑力吸附在树脂上 组分,依据其电荷差异,依靠库仑力吸附在树脂上,然后 利用合适的洗脱剂将吸附质从树脂上洗脱下来, 利用合适的洗脱剂将吸附质从树脂上洗脱下来,达到分离 的目的. 的目的. 离子交换法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, 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, 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. 中性,所以离子交换固体必须释出等价离子回溶液中.
抗生素提取பைடு நூலகம்备
�
实 验 室
树脂预处理
应用最多的为强酸性阳离子交换树脂和强碱性阴离子交换树脂.生产上出厂 的交换树脂颗粒大小往往不够均匀,故使用时应当先过筛以除去太大和太小 的颗拉,也可以用水泡胀后用筛在水中选取大小一定的颗粒备用. 一般商品树脂韧含有一定量的杂质,所以在使用前必须进行净化处理.对强 碱性和强酸性阴阳离子交换树脂,通常用4mol/LHCl溶液浸泡1-2天,以溶解 各种杂质,然后用蒸馏水洗涤至中性.这样就得到在活性基团上含有可被交 换的H+或Cl-的氢型阳离子交换树脂或氯型阴离子交换树脂.如果需要钠型阳 离子交换树脂,则用NaCl处理氢型阳离子交换树脂. 物理处理:水洗,过筛,去杂,以获得粒度均匀的树脂颗粒; 化学处理:转型(氢型或钠型) 阳离子树脂 酸—碱—酸 阴离子树脂 碱—酸—碱 最后以去离子水或缓冲液平衡
离子交换
将试液加到交换柱上,用活塞控制一定的流速进行交换.经过一段时 间之后,上层树脂全部被交换,下层未被交换,中间则部分被交换, 这一段称为"交界层".随着交换的进行,交界层逐渐下移,至流出 液中开始出现交换离子时,称为始漏点,此时交换柱上被交换离子的 物质的量数称为始漏量.在到达始漏点时,交界层的下端刚到达交换 柱的底部,而交换层中尚有未被交换的树脂存在,所以始漏量总是小 于总交换量. 静态:操作简单,但是分批操作,交换不完全 动态:离子交换柱,操作连续,交换完全,适宜多组分分离 常用 柱式固定床 在分析工作中,为了分离或富集某种离子.一般采用动态交换.这 种交换方法在交换柱中进行.
Sample application and wash
Elution
Regeneration
- anion exchanger bead
- - + + + - ++ -+
+ + +++ -+
-
- -- -- -
-
- - - ----- -- - -- - - - - - -+ - + + + + + + -+ + - +-+ +- + +- - - +- + - -+ -+
洗脱
H+ < Na+ < K+ < Ag+
前 一 状 态
C
Na+
K+
Ag+ 淋洗曲线 t
树脂再生
是指是离子交换树脂重新具有交换能力的过程 对于阳离子交换树脂常采用HCl溶液作为洗脱液, 经过洗脱之后树脂转为氢型;阴离子交换树脂常 采用NaCl或NaOH溶液作为洗脱液,经过洗脱之 后,树脂转为氯型或氢氧型.因此洗脱之后的树 脂得到再生,蒸馏水洗涤干净即可再次使用. 酸性阳离子树脂 酸-碱-酸-缓冲溶液淋洗 碱性阴离子树脂 碱-酸-碱-缓冲溶液淋洗 方式有:顺流再生和逆流再生
软水机:
软水机结构图:
纯水制备离子交换:
离子交换法提取蛋白质 较无机离子的离子交换平衡复杂,其吸附 行为与离子间的静电引力,氢键,疏水作 用以及范德华力有关 蛋白质是生物大分子物质,因此,其扩散 行为也较无机离子复杂
蛋白质离子交换分离的基本步骤
平衡 上样吸附 洗脱 再生
Equilibration
螯合树脂: 螯合树脂 树脂上含有具有螯合能力的集团,
既可以形成离子键,又可以形成配位键;主要 用于脱除金属离子; 多糖基离子交换树脂: 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 物致变性作用
影响离子交换的主要因素
离子的水化半径 半径较小的离子易吸附 离子的化合价 化合价愈高愈易吸附 溶液的pH 溶液的pH 要综合考虑树脂及被分离物质的酸碱稳定性 树脂的交联度 交联度大,膨胀度小的树脂选择性较好. 交联度大,膨胀度小的树脂选择性较好.
离子交换应用实例
软水和纯水制备 蛋白质的纯化 抗生素的提取
水处理离子交换:
包括水的软化和纯化: 包括水的软化和纯化: 软化主要是原水中含有的硬度如CaCO3, 软化主要是 MgCO3等钙镁钠离子类,在流经交换树脂层时, 阳离子Ca2+,Mg2+等被阳树脂的活性基团置换, 从而使水的硬度降低就得到软化,而纯化是 ,而纯化是原水 中含有的盐类如Ca(HCO3)2,MgSO4等钙镁钠 盐类,在流经交换树脂层时,阳离子Ca2+, Mg2+等被阳树脂的活性基团置换,阴离子HCO3-, SO42-等被阴树脂的活性基团置换,从而水就得 到纯化.
新型离子交换树脂
大孔离子交换树脂 大孔离子交换树脂具有和大孔吸附剂相同 相同 的骨架结构,在大孔吸附剂合成后(加入 的骨架结构 致孔剂),再引入化学功能基团 化学功能基团,便可得 化学功能基团 到大孔离子交换树脂
其它离子交换树脂类型
均孔型离子交换树脂: 均孔型离子交换树脂 主要是阴离子型凝
胶离子交换树脂,孔径均匀,交换容量高,机 械强度好; 两性树脂: 两性树脂 同时含有酸,碱两种基团的树脂;