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羧甲基纤维素——离子交换剂1.引言1.1 概述羧甲基纤维素是一种具有离子交换能力的材料，具有广泛的应用潜力。
它可以通过对纤维素进行化学修饰得到，使其表面具有羧基官能团。
这种化学修饰不仅能够增强纤维素的稳定性和机械强度，还能赋予其离子交换能力。
离子交换是指离子间的相互转移，通过固体表面上带有特定功能团的材料与溶液中的离子进行相互吸附和解吸附的过程。
羧甲基纤维素作为一种离子交换剂，具有很高的吸附容量和选择性，可以用于各种离子的去除和回收。
羧甲基纤维素的制备方法有多种，包括化学修饰法、原位聚合法等。
其中，化学修饰法是最常用的方法，通过将羧甲基功能团引入纤维素分子结构中，使其具有离子交换性能。
羧甲基纤维素的应用领域非常广泛，可以用于水处理、废水处理、离子交换树脂等领域。
本文旨在对羧甲基纤维素作为离子交换剂的优势进行详细探讨，并探究其在环境保护中的潜在应用。
通过深入了解羧甲基纤维素的定义、特性、制备方法和应用，我们可以更好地认识和利用这一材料，为环境保护和资源回收做出积极贡献。
1.2文章结构【1.2 文章结构】本文主要分为引言、正文和结论三个部分。
下面将简要介绍每个部分的内容。
1. 引言部分：在引言部分，首先会对羧甲基纤维素进行概述，介绍其起源、性质以及已知的特点。
接下来，将对整篇文章的结构进行概括和介绍，明确各个部分的内容和目的。
最后，明确本文的主要目的，即探讨羧甲基纤维素作为离子交换剂的潜力和应用。
2. 正文部分：正文部分将包括两个主要内容：羧甲基纤维素的定义和特性，以及羧甲基纤维素的制备方法和应用。
2.1 羧甲基纤维素的定义和特性：这一部分将详细介绍羧甲基纤维素的定义，解释其由何种成分组成以及其中的化学结构。
同时，还会涵盖羧甲基纤维素的主要特性，如其吸附能力、离子交换能力等。
2.2 羧甲基纤维素的制备方法和应用：在这一部分，将详细介绍羧甲基纤维素的制备方法，包括从原料的选择到制备步骤的具体过程。
此外，还将探讨羧甲基纤维素在不同行业的应用，如环境保护、水处理、催化剂等。
钠离子交换剂钠离子交换剂是一种广泛应用于水处理领域的材料，它具有出色的离子交换能力和吸附性能。
本文将从人类的视角出发，详细介绍钠离子交换剂的特点、应用和相关领域的发展。
钠离子交换剂是一种具有高度离子选择性的树脂材料，它可以将水中的钙、镁等金属离子与钠离子进行交换，从而实现水质的软化。
它广泛应用于工业、农业和家庭领域，解决了硬水给人们生活带来的各种问题。
在工业领域，钠离子交换剂被广泛应用于锅炉水处理、制药、电子、化工等行业。
锅炉水中的钙、镁离子容易与水中的碳酸盐结合形成水垢，而钠离子交换剂可以有效地将这些离子去除，防止锅炉管道堵塞和设备损坏。
在制药和电子行业中，钠离子交换剂用于纯化水质，确保产品的质量和稳定性。
在农业领域，钠离子交换剂被广泛用于土壤改良和灌溉水处理。
土壤中过多的钙、镁离子会导致土壤结构紧密，影响植物根系的生长和养分吸收。
通过使用钠离子交换剂，可以将土壤中的有害离子去除，增加土壤的透气性和保水能力，改善植物生长环境。
同时，钠离子交换剂还可以处理灌溉水，减少水中的钙、镁离子，避免土壤盐碱化问题。
在家庭领域，钠离子交换剂主要应用于家用水软化设备中。
硬水对于家用电器和管道设备来说是一个常见的问题，它会导致水垢的堆积和设备的损坏。
通过使用钠离子交换剂，可以将水中的钙、镁离子去除，使得水质变得更加柔软，延长家电和管道的使用寿命。
随着科技的进步和人们对水质要求的提高，钠离子交换剂的研究和应用也在不断发展。
科学家们通过改进材料的制备工艺和结构设计，提高了钠离子交换剂的离子交换能力和吸附性能。
同时，钠离子交换剂的应用领域也在不断扩展，涉及到环境保护、城市供水、海水淡化等方面。
钠离子交换剂作为一种重要的水处理材料，在工业、农业和家庭领域发挥着重要作用。
它通过离子交换的方式，去除水中的有害离子，改善水质，保护设备，提高生活品质。
随着科技的进步，钠离子交换剂的研究和应用将会不断发展，为人类创造更加清洁、健康的生活环境。
1.离子交换剂的选择离子交换剂的种类很多，离子交换层析要取得较好的效果首先要选择合适的离子交换剂。
首先是对离子交换剂电荷基团的选择，确定是选择阳离子交换剂还是选择阴离子交换剂。
这要取决于被分离的物质在其稳定的pH下所带的电荷，如果带正电，则选择阳离子交换剂;如带负电，则选择阴离子交换剂。
例如待分离的蛋白等电点为4，稳定的pH范围为6-9，由于这时蛋白带负电，故应选择阴离子交换剂进行分离。
强酸或强碱型离子交换剂适用的pH 范围广，常用于分离一些小分子物质或在极端pH下的分离。
由于弱酸型或弱碱型离子交换剂不易使蛋白质失活，故一般分离蛋白质等大分子物质常用弱酸型或弱碱型离子交换剂。
其次是对离子交换剂基质的选择。
前面已经介绍了，聚苯乙烯离子交换剂等疏水性较强的离子交换剂一般常用于分离小分子物质，如无机离子、氨基酸、核苷酸等。
而纤维素、葡聚糖、琼脂糖等离子交换剂亲水性较强，适合于分离蛋白质等大分子物质。
一般纤维素离子交换剂价格较低，但分辨率和稳定性都较低，适于初步分离和大量制备。
葡聚糖离子交换剂的分辨率和价格适中，但受外界影响较大，体积可能随离子强度和pH变化有较大改变，影响分辨率。
琼脂糖离子交换剂机械稳定性较好，分辨率也较高，但价格较贵。
另外离子交换剂颗粒大小也会影响分离的效果。
离子交换剂颗粒一般呈球形，颗粒的大小通常以目数(mesh)或者颗粒直径(mm)来表示，目数越大表示直径越小。
前面在介绍交换容量时提到了一些关于交换剂颗粒大小、孔隙的选择。
另外离子交换层析柱的分辨率和流速也都与所用的离子交换剂颗粒大小有关。
一般来说颗粒小，分辨率高，但平衡离子的平衡时间长，流速慢;颗粒大则相反。
所以大颗粒的离子交换剂适合于对分辨率要求不高的大规模制备性分离，而小颗粒的离子交换剂适于需要高分辨率的分析或分离。
这里特别要提到的是，离子交换纤维素目前种类很多，其中以DEAE-纤维素(二乙基氨基纤维素)和CM-纤维素(羧甲基纤维素)最常用，它们在生物大分子物质(蛋白质，酶，核酸等)的分离方面显示很大的优越性。
去除热源和细菌内毒素的方法
去除热源和细菌内毒素是制药和生物制品生产过程中的重要环节。
1. 热处理：热处理是一种有效的去除热源和细菌内毒素的方法。
通过将溶液或产品加热到一定温度并维持一定时间，可以破坏细菌细胞和病毒，同时还可以灭活内毒素。
热处理通常分为巴氏灭菌、高温短时灭菌和超高温瞬时灭菌等不同方法，具体选择取决于产品的性质和生产工艺要求。
2. 过滤：过滤是一种常用的去除热源和细菌内毒素的方法。
通过使用孔径合适的过滤器，可以去除溶液或产品中的细菌、颗粒物和内毒素等杂质。
在过滤过程中，需要选择合适的滤膜材质和孔径大小，以确保过滤效果和产品透过率。
3. 化学处理：化学处理是一种使用化学物质破坏细菌和内毒素的方法。
常用的化学物质包括次氯酸钠、过氧化氢、甲醛等。
这些化学物质可以与细菌和内毒素发生反应，破坏其结构和活性，从而达到去除的目的。
4. 紫外线照射：紫外线照射是一种有效的杀菌方法。
通过照射一定时间和剂量的紫外线，可以破坏细菌细胞和病毒的核酸结构，导致其死亡。
同时，紫外线还可以破坏内毒素的结构，降低其毒性。
5. 离子交换：离子交换是一种利用离子交换剂与溶液中的离子进行交换的方法。
通过使用适当的离子交换剂，可以去除溶液中的细菌、内毒素和其他杂质。
离子交换剂的选择取决于目标离子的性质和浓度。
去除热源和细菌内毒素的方法有很多种，具体选择取决于产品的性质、生产工艺要求和质量标准。
在生产过程中，需要采取有效的措施确保产品质量和安全性。
生化工程（生物化学技术原理与应用）测试题二一、名词解释1.排阻极限：不能进入到凝胶网络内部的最小分子的相对分子量。
（渗入极限：能够完全进入到凝胶网络内部的最大分子的相对分子量。
）2.阴离子交换剂：功能基团带正电荷，与阴离子交换。
（书：阳离子交换剂的电荷基团带负电，反离子带正电。
因此这种交换剂可以与溶液中的正电荷化合物或阳离子进行交换反应。
阴离子交换剂是在树脂中分别引入季胺［—N（CH3）3］、叔胺［—N（CH3）2］、仲胺［—NHCH3］和伯胺［—NH2］）基团后构成的。
阴离子交换树脂对化学试剂及热都不如阳离子交换树脂稳定。
）3.交换容量：是指离子交换剂能提供交换离子的量，它反映离子交换剂与溶液中离子进行交换的能力。
通常以每毫克或每毫升交换剂含有可解离基团的毫克当量数（meq/mg或meq/ml）表示。
（书：是指离子交换剂与溶液中离子或离子化合物进行交换的能力。
一般用总交换容量和有效交换容量表示。
）4.层析技术：主体介质由互不相溶的流动相和固定相组成，利用混合物中各组分物理化学性质的差异（如吸附力、分子形状及大小、分子亲和力、分配系数等），使各组分在两相中的分布程度不同，从而使各组分以不同的速度移动而达到分离的目的。
（层析是以基质为固定相（呈柱状或薄层状），以液体或气体为流动相，使有效成分和杂质在这两个相中连续不断、反复多次地进行分配或交换、吸附作用，最终达到分离混合物之目的。
）5.矫正保留时间：（书P416）【死时间（t r0）：不与固定相作用的物质从进样到出现峰极大值时的时间，它与色谱柱的空隙体积成正比。
由于该物质不与固定相作用，因此，其流速与流动相的流速相近。
据t0可求出流动相平均流速。
（书：死时间是指不被固定相吸附或溶解的空气或甲烷，从进样口经过柱体出现浓度极大值所需的时间，即空气通过色谱柱所需要的时间。
）保留时间t r：试样从进样到出现峰极大值时的时间。
它包括组份随流动相通过柱子的时间t0和组份在固定相中滞留的时间。
1.离子交换剂的选择离子交换剂的种类很多，离子交换层析要取得较好的效果首先要选择合适的离子交换剂。
首先是对离子交换剂电荷基团的选择，确定是选择阳离子交换剂还是选择阴离子交换剂。
这要取决于被分离的物质在其稳定的pH下所带的电荷，如果带正电，则选择阳离子交换剂;如带负电，则选择阴离子交换剂。
例如待分离的蛋白等电点为4，稳定的pH范围为6-9，由于这时蛋白带负电，故应选择阴离子交换剂进行分离。
强酸或强碱型离子交换剂适用的pH范围广，常用于分离一些小分子物质或在极端pH下的分离。
由于弱酸型或弱碱型离子交换剂不易使蛋白质失活，故一般分离蛋白质等大分子物质常用弱酸型或弱碱型离子交换剂。
其次是对离子交换剂基质的选择。
前面已经介绍了，聚苯乙烯离子交换剂等疏水性较强的离子交换剂一般常用于分离小分子物质，如无机离子、氨基酸、核苷酸等。
而纤维素、葡聚糖、琼脂糖等离子交换剂亲水性较强，适合于分离蛋白质等大分子物质。
一般纤维素离子交换剂价格较低，但分辨率和稳定性都较低，适于初步分离和大量制备。
葡聚糖离子交换剂的分辨率和价格适中，但受外界影响较大，体积可能随离子强度和pH变化有较大改变，影响分辨率。
琼脂糖离子交换剂机械稳定性较好，分辨率也较高，但价格较贵。
另外离子交换剂颗粒大小也会影响分离的效果。
离子交换剂颗粒一般呈球形，颗粒的大小通常以目数(mesh)或者颗粒直径(mm)来表示，目数越大表示直径越小。
前面在介绍交换容量时提到了一些关于交换剂颗粒大小、孔隙的选择。
另外离子交换层析柱的分辨率和流速也都与所用的离子交换剂颗粒大小有关。
一般来说颗粒小，分辨率高，但平衡离子的平衡时间长，流速慢;颗粒大则相反。
所以大颗粒
的离子交换剂适合于对分辨率要求不高的大规模制备性分离，而小颗粒的离子交换剂适于需要高分辨率的分析或分离。
这里特别要提到的是，离子交换纤维素目前种类很多，其中以DEAE-纤维素(二乙基氨基纤维素)和CM-纤维素(羧甲基纤维素)最常用，它们在生物大分子物质(蛋白质，酶，核酸等)的分离方面显示很大的优越性。
一是它具有开放性长链和松散的网状结构，有较大的表面积，大分子可自由通过，使它的实际交换容量要比离子交换树脂大的多;二是它具有亲水性，对蛋白质等生物大分子物质吸附的不太牢，用较温和的洗脱条件就可达到分离的目的，因此不致引起生物大分子物质的变性和失活。
三是它的回收率高。
所以离子交换纤维素已成为非常重要的一类离子交换剂。
2.离子交换剂的处理和保存
离子交换剂使用前一般要进行处理。
干粉状的离子交换剂首先要进行膨化，将干粉在水中充分溶胀，以使离子交换剂颗粒的孔隙增大，具有交换活性的电荷基团充分暴露出来。
而后用水悬浮去除杂质和细小颗粒。
再用酸碱分别浸泡，每一种试剂处理后要用水洗至中性，再用另一种试剂处理，最后再用水洗至中性，这是为了进一步去除杂质，并使离子交换剂带上需要的平衡离子。
市售的离子交换剂中通常阳离子交换剂为Na型(即平衡离子是Na离子)，阴离子交换剂为Cl型，因为通常这样比较稳定。
处理时一般阳离子交换剂最后用碱处理，阴离子交换剂最后用酸处理。
常用的酸是HCl，碱是NaOH或再加一定的NaCl，这样处理后阳离子交换剂为Na型，阴离子交换剂为Cl型。
使用的酸碱浓度一般小于 mol / L，浸泡时间一般30 min。
处理时应注意酸碱浓度不宜过高、处理时间不宜过长、温度不宜过高，以免离子交换剂被破坏。
另外要注意的是离子交换剂使用前要排除气
泡，否则会影响分离效果。
离子交换剂的再生是指对使用过的离子交换剂进行处理，使其恢复原来性状的过程。
前面介绍的酸碱交替浸泡的处理方法就可以使离子交换剂再生。
离子交换剂的转型是指离子交换剂由一种平衡离子转为另一种平衡离子的过程。
如对阴离子交换剂用HCl处理可将其转为Cl型，用NaOH处理可转为OH型，用甲酸钠处理可转为甲酸型等等。
对离子交换剂的处理、再生和转型的目的是一致的，都是为了使离子交换剂带上所需的平衡离子。
前面已经介绍了，离子交换层析就是通过离子交换剂上的平衡离子与样品中的组分离子进行可逆的交换而实现分离的目的，因此在离子交换层析前要注意使离子交换剂带上合适的平衡离子，使平衡离子能与样品中的组分离子进行有效的交换。
如果平衡离子与离子交换剂结合力过强，会造成组分离子难以与交换剂结合而使交换容量降低。
另外还要保证平衡离子不对样品组分有明显影响。
因为在分离过程中，平衡离子被置换到流动相中，它不能对样品组分有污染或破坏。
如在制备过程中用到的离子交换剂的平衡离子是H或OH离子，因为其它离子都会对纯水有污染。
但是在分离蛋白质时，一般不能使用H或OH型离子交换剂，因为分离过程中H或OH离子被置换出来都会改变层析柱内pH值，影响分离效果，甚至引起蛋白质的变性。
离子交换剂保存时应首先处理洗净蛋白等杂质，并加入适当的防腐剂，一般加入 %的叠氮钠，4℃下保存。
种类树脂主要性质和类别之差异，在于它们的化学活性基种类之不同，因此氢型阳离子交换树脂可依活性基（一种官能基）种类不同，分成两种：强酸性阳离子交换树脂（strong- acid anion exchange resin）和弱酸性阳离子交换树脂（weak
- acid anion exchange resin）。
强酸性阳离子交换树脂系因它的活性氢离子在水中很容易解离而得名，其骨架均为聚苯乙烯系统，主要产品是「磺酸型」强酸
性阳离易解离而得名，骨架均为聚丙烯酸系统，主要产品是「羧酸型」弱酸性阳
离子交换树脂，通常颜色较白色或淡黄色球状子交换树脂，通常颜色较深，棕黄
色至综色球状颗粒，以综色最常见；反之，弱酸性阳离子交换树脂则是因它的活
性氢离子在水中比较不容解离，以淡黄色最常见。
如果用化学反应来表示这两种
树脂的差异性，我们可以描述如下(R代表树脂母体)：强酸性： R-SO3H → R-SO3- ＋ H+ （H+容易解离，在水中呈强酸性）弱酸性： R-COOH → R-COO- ＋ H+ （H+不易解离，在水中呈弱酸性）由于强酸性阳离子交换树脂的解离能力很强，所以在任何酸性或碱性溶液中均能解离和产生离子交换作用，其作用pH范围介于1~14。
反之，弱酸性阳离子交换树脂的解离能力很弱，只能在弱酸性至碱性溶液中解离
和产生离子交换作用，其作用pH范围仅介于5~14。
离子交换树脂的预处理过程
离子交换树脂使用前为什么要进行预处理
新树脂常含有反应溶剂、未参加反应的物质和少量低分子量的聚合物、铁、铅、铜等杂质。
当树脂与水、酸、碱或其它溶液相接触时，上述可溶性杂质就会转入溶液中，在使用初期污染出水水质。
因此，新树脂在投运前要进行预处理，转换为指定的离子型式。
离子交换树脂如何进行预处理（1）阳离子交换树脂的预处理步骤首先用清水对树脂进行冲洗（最好为反洗）洗至出水清澈无混浊、无杂质为止。
而后用4~5%的HCl 和NaOH在交换柱中依次交替浸泡2~4小时，在酸碱之间用大量清水淋洗（最好用混合床高纯度去离子水进行淋洗）至出水接近中性，如此重复2~3次，每次酸碱
用量为树脂体积的2倍。
最后一次处理应用4~5%的HCl溶液进行，用量加倍效果更好。
放尽酸液，用清水淋洗至中性即可待用。
（2）阴离子交换树脂的预处理步骤
首先用清水对树脂进行冲洗（最好为反洗），洗至出水清澈无混浊、无杂质为止。
而后用4~5%的NaOH和HCl在交换柱中依次交替浸泡2~4小时，在碱酸之间用大量清水淋洗（最好用混合床高纯度去离子水进行淋洗）至出水接近中性，如此重复2~3次，每次酸碱用量为树脂体积的2倍。
最后一次处理应用4~5%的NaOH溶液进行，用量加倍效果更好。
放尽碱液，用清水淋洗至中性即可待用。
