离子交换技术70162

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,离 子 交 换 技 术,1,是应用合成的离子交换树脂作为吸附剂，将溶液中的物质依靠库仑力吸附在树脂上，然后用合适的洗脱剂，将吸附物从树脂上洗脱下来，达到分离纯化的目的。,优点：分辨率高、工作容量大、易于操作,2,缺点：难找合适的树脂,生产周期长,生产过程中,PH,值变化大,应用：抗生素等小分子提取,脱色、去盐,制备软水、无盐水,3,分离原理：,利用带电分子中的电荷的微小差异而进行分离。选择适当条件使一些溶质分子变成离子态，由于带电量不同，与介质的结合牢度不同，改变洗脱条件可依次被洗脱而达到分离的目的。,4,纯化方式,正吸附：将目的产物离子化，被交换到介质上，杂质不被吸附而从柱流出。,负吸附：将杂质离子化后被交换，而目的产物不被交换直接流出。,5,第一节 离子交换树脂,一、定义,是一种具有网状立体结构的含有高分子活性基团而能与溶液中的物质进行交换或吸附的聚合物，其高分子活性基团一般是多元酸或多元碱。,6,二、结构,1.,网状骨架（,R,）：,不溶性，维持树脂化学稳定性,2.,功能基团,3.,活性离子：,是与功能基团所带电荷相反的可移动的离子。,7,三、工作原理,活性离子与溶液中的同性离子，按与树脂功能基的化学亲和力不同产生交换过程。,特点：等当量进行,8,四、分类,1.,按树脂骨架的主要成份：,聚苯乙烯型，聚苯烯酸型,2.,按聚合的化学反应：共聚型、缩聚型,3.,按骨架的物理结构分：,凝胶型（微孔）、大网格树脂,均孔树脂,9,阳离子交换树脂,交换前,交换达到平衡后,4.,按活性基团分：,10,阴离子交换树脂,交换前,交换达到平衡后,11,活性基团：,磺酸基一,SO,3,H,磷酸基一,PO(OH),2,次磷酸基一,PHO(OH),类型：,H,型树脂,交换反应：,特点：电离程度不随外界溶液的,pH,而变化,用强酸处理再生，交换速度快，稳定,（,1,） 强酸性阳离子交换树脂,12,（,2,）弱酸性阳离子交换树脂,对于羧基树脂，应该在,pH,7,的溶液中操作，,而对于酚羟基树脂，溶液的,pH,应,9,。,功能团：,-COOH,，,-OH (,酚羟基）,类 型：钠型树脂,交换反应：,特点：酸性溶液中，几乎不能发生交换反应,交换能力随溶液的,pH,增加而提高。,13,（,3,）强碱性阴离子交换树脂,活性基团：季胺基团 （强碱,型）再生困难,二甲基,-,羟基,-,乙基胺基团（强碱,II,型）稳定性差,交换反应,14,类型：氯型（较稳定，耐热）、羟型,特点：使用的,pH,范围没有限制,再生用过量的强碱,交换速度快,应用：制备无盐水，抗生素,15,（,4,）弱碱性阴离子交换树脂,功能团：,交换反应,16,其交换能力随,pH,变化而变化，,pH,越低，交换能力越大。,生成的盐,RNH3CI,很易水解。,和,OH,离子结合能力较强，,再生成羟型较容易，耗碱量少。,17,类型：氯型、羟型,特点：,PH,越低，交换能力越大,再生易（碳酸钠、氨气），消耗碱量少,交换速度小,18,离子交换树脂性能比较,性能,阳离子交换树脂,阴离子交换树脂,强酸性,弱酸性,强碱性,弱碱性,活性基团,磺酸,羧酸,季氨,胺,pH,对交换能力的影响,无,在酸性溶液中交换能力很小,无,在碱性溶液中交换能力很小,盐的稳定性,稳定,洗涤时要水解,稳定,洗涤时要水解,再生,需过量的强酸,很容易,需要过量的强碱,再生容易，可用碳酸钠或氨,交换速度,快,慢,快,慢,19,5.,其他类型树脂,同时含有,2,种活性基团,大网格树脂,20,离子交换树脂产品的分类代号,21,离子交换树脂骨架分类代号,22,五、离子交换树脂命名,强酸性 （,1-99,）,弱酸性（,100-199,）,强碱性 （,200-299),弱碱性 （,300-399,）,X,后面交联度（对凝胶型离子交换树脂）,交联度,对大孔型离子交换树脂，在型号的前面加“”表示。,23, ,交联度数值,顺序号,骨架代号,分类代号,分类代号,顺序号,分类代号,骨架代号,大孔型代号,强酸性,苯乙烯系,交联度为,%,顺序号为,0017,交联度为,7%,的苯乙烯,烯凝胶型强酸性阳离子交换树脂,315-,大孔型丙烯酸弱碱,性阴离子交换树脂,大孔型,凝胶型, ,24,六、离子交换树脂合成,缩聚法,在反应过程中有低分子产物（通常是水）产生。,以甲醛为交联剂、稳定性不好。,加聚法,在反应过程中没有水产生。,以,二乙烯苯,等为交联剂树脂结构确定，常为单功能团，树脂一般性能较好，为球形。,25,D(,工业二乙烯苯重量）, P%,（纯度）,交联度,= X 100%,M (,单体相总重量）,单体：,苯乙烯，丙烯酸，甲基丙烯酸,交联剂,：二乙烯苯,分散剂,：,水溶性,：淀粉，明胶，聚乙烯醇，（增加凝集阻力）,水不溶性,：硫酸钙，磷酸钙、滑石粉等（起机械阻碍作用，防止液滴黏合）,26,七、离子交换树脂的理化性能,含水量，交换容量，树脂制作过程中的杂质,选择性，可逆性，交联度，机械强度，膨胀度,化学稳定性，粒度及形状，色泽,27,树脂性能测定,（,1,）含水量（烘干失水，溶胀水与交联度）,（,2,）膨胀度： 吸水后体积与烘干树脂体积比,（,3,）湿真密度：湿树脂重量与体积比,（,4,）交换容量；单位重量干树脂或单位体积湿树脂吸附一价离子毫麾尔数,阳树脂：,NaOH,剩余滴定,阴树脂：羟基不稳定，吸附,CO,2,氯型 动态硫酸钠，,AgNO3,滴定,28,第二节 离子交换过程的理论基础,一、离子交换平衡,离子交换反应是可逆反应,A,+,+RB RA+B,+,部位：固态树脂与水溶液接触的界面,推动力：浓度差,29,二、离子交换过程和速度,（一）离子交换过程,1. A,+,自溶液扩散到树脂表面,2. A,+,从树脂表面扩散到树脂内部的活性中心,3. A,+,与,RB,在活性中心进行交换,4. B,+,自树脂内部活性中心扩散到树脂表面,5. B,+,自树脂表面扩散到溶液,30,1,、,5,：外部扩散,2,、,4,：内部扩散,3,：化学交换反应,（二）离子交换速度,定义：,在单位时间内，溶液中, A,+,或,B,+,的量,控制,V,步骤,31,影响交换速度的因素：,1.,颗粒大小,5.,离子大小,2.,树脂交联度,6.,搅拌速度,3.T 7.,溶液浓度,4.,离子的化合价,32,三、离子交换过程的选择性,（一）交换常数,K,离子交换的选择性：某种树脂对不同离子交换亲和能力的差别，反映在,K,值上。,K,A,B,=RAB/RBA,A,离子取代树脂上,B,离子的交换常数,1,，,A,与树脂的亲和力更大,33,（二）影响离子交换选择性的各种因素,1.,离子的水化半径,小的优先吸附（无机离子）,H,+,、,OH,+,和树脂的亲和力与树脂的性质有关,2.,离子的化合价,3.,溶液的酸碱度,4.,树脂的物理结构,34,5.,树脂与交换离子间的辅助力,6.,有机溶剂,降低树脂对有机离子的选择性,7.,离子强度,35,一、操作方式,第三节 离子交换的操作,间歇分批操作：静态处理，将离子交换剂浸泡于工作液中达到平衡后滤出介质进行洗脱。,柱式操作：动态法。交换、洗脱、再生等步骤均在柱内进行，亦称为离子交换层析法,(ion exchange chromatography),。,36,装置：离子交换柱,1.,分类：开放式、密闭式,2.,柱体高度：,2-3,米，树脂层,1-1.5,米,有效高度与直径之比：,4,：,1,或,5,：,1,37,二、离子交换的工作过程,1.,树脂的预处理,目的：去杂、使树脂膨胀,调节理化条件,方法：去离子水浸泡,12,小时,10%,食盐水浸泡,4,小时以上,水洗残留氯化钠,调,PH,38,2.,上柱交换,要求：所需离子吸附完全,交换方式：顺流、逆流,3.,洗脱,4.,再生,39,三、,树脂和操作条件的选择与应用,目标物质是非离子型,目标物质是离子型,可用离子交换法,不能用离子交换法,树脂的选择,根据要分离的目标物质的性质来选择,:,40,（,1,） 离解产生离子基团,（,2,） 强碱性目标物质应用弱酸性树脂,（,3,） 弱碱性目标物质应强酸性树脂,（,4,） 强酸性目标物质应用弱碱性树脂,（,5,） 弱酸性目标物质应用强碱性树脂,（,6,） 不影响交换容量的前提下提高交联度,41,操作条件的选择,1.,pH (a,目标物稳定,; b,解离,; c,树脂离子化）,2.,洗涤剂：洗脱前用,水，稀酸，盐等,去除交换废液及夹带的杂质,42,3.,解吸条件,缓冲液洗脱,洗脱流速,/,吸附流速,=1/10,与吸附条件相反,有机溶剂,43,44,四、树脂的转型、再生和保存,1.,转型,H,型：酸,-,碱,-,酸 每次,4H,，用水洗到中性,氯型：酸,-,碱,-,酸,钠型：碱,-,酸,-,碱,羟型：碱,-,酸,-,碱,45,2.,再生：使树脂恢复性能,大量水冲洗 转型,动态法，静态法,强酸：,HNa 1mol/lNaOH,中强酸：,0.5mol/lNaOH,弱酸：,0.5mol/lNaOH,强碱：,clOH 1mol/lNaOH,中强碱,0.5mol/lNaOH,弱碱,0.5mol/lNaOH,3.,保存：湿润状态密封 钠型，氯型,46,1),水处理,去除杂质及各种离子：简单而有效,聚丙乙烯树脂：高纯水的制备、硬水软化,污水处理等。,2),分离纯化小分子物质,无机离子、有机酸、核苷酸、氨基酸、抗生素等。如：氨基酸分析：强酸性阳离子聚苯乙烯树脂,pH,值,2,3,上柱,逐步提高洗脱液的离子强度,和,pH,值,氨基酸将以不同的速度被洗脱,全自动氨基酸分析仪,第四节 离子交换的应用,3,）分离纯化生物大分子物质,47,离子交换提取蛋白质,传统离子交换剂不适用于提取蛋白质,（,1,） 交联度大 （大分子不能进入）,（,2,） 电荷密度高,(,结合太强）,（,3,） 骨架憎水性强（蛋白质易变性,),亲水性离子交换剂,（,1,）亲水性大,（,2,） 孔径大,（,3,） 体积随,pH,及离子强度变化小,48,