第七章 离子交换分离技术
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7.1 概述1 基本概念离子交换分离法Ion Exchange• 离子交换剂:一种多孔状的固体,不溶于水, 也不溶于电解质溶液,但能从溶液中吸取离子 而进行离子交换。
• 离子交换:利用离子交换剂能吸附溶液中一种 离子同时放出另一种相同电荷的离子的特点, 使得交换剂和溶液之间进行同号离子相互交换 的现象。
• 离子交换分离法:利用离子交换剂与溶液中的 离子之间所发生的交换反应进行分离的方法。
2离子交换技术的发展• (1) 1850年,英国农业化学家H.S.Tompson和 J.T.Way发现离子交换现象 • (2) 1935年,B.A.Adams和E.L.Holmes合成离 子交换树脂 • (3) 1945年,美国人G.F.d′Alelio磺化苯乙烯二乙烯苯共聚物离子交换树脂及交联聚丙烯 酸树脂 • (4) 20世纪60年代以后,离子交换树脂的合成 与离子交换分离技术取得了突飞猛进的发展3 离子交换分离法的特点(1) 分离效率高,选择性高。
(2) 适用范围广。
适用于带相反电荷的离子之间的分离,还可用于 带相同电荷或性质相近的离子之间的分离,适用 于微量组分的富集和高纯物质的制备,从痕量物 质到工业用水,从少量样品到工业规模。
(3) 操作简单,成本低。
液固两相分开,操作简单。
(4) 方法的缺点是操作周期长。
一般用它解决某些比 较复杂的分离问题。
7.2 离子交换分离理论1 分离原理基于物质在固相与液相之间的分配; 依据交换剂自身所带的能自由移动的离子与被处 理的溶液中的离子通过离子扩散来实现的; 推动离子交换的动力是离子间的浓度差和交换剂 上的功能基对离子的亲和能力 离子交换反应是可逆的,逆反应称之为再生。
离 子交换剂经再生后可反复使用。
• 无机离子交换剂的作用可以看作是一种溶液 中的电解质和不溶性电解质的固、液两相接 触时所进行的复分解反应。
例如以泡沸石软化水,泡沸石可以用Na2R来 表示,其中R表示极大的阴离子部分,而Na+ 则是可被置换的离子。
离子交换分离操作技术离子交换分别方式可分为静态和动态两类。
静态交换是将溶液和离子交换剂共同放入容器,利用振荡、搅拌等方式令它们充分接触。
达到平衡后,用倾析、过滤或离心等办法使固液两相分别,然后分离处理。
这种操作属于单次平衡,分别效率不高,目前只在测定分配系数等试验讨论中能够用到。
动态交换是指溶液与离子交换剂发生相对移动的分别方式。
可见,离子交换色谱法就属于这种分别方式。
动态交换属于多次平衡,分别效率高,可延续化操作,应用较广。
因此,下面就重点介绍动态交换的操作步骤。
(1)树脂的挑选和处理在分别和富集前应首先按照分别的对象和要求挑选适当类型和粒度的树脂。
市售的树脂颗粒大小往往不够匀称,故用法前应该先过筛以除去太大和太小的颗粒,也可以用水溶胀后用筛在水中选取大小一定的颗粒备用。
普通商品树脂都含有一定量的杂质,故在用法前还必需举行净化处理。
对强酸性阳离子交换树脂和强碱性阴离子交换树脂,通常用4 mol/L HCl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,浸入水中备用。
这样就得到在活性基团上含有可被交换的H+的氢型阳离子交换树脂或可被交换的Cl-的氯型阴离子交换树脂。
(2)装柱举行离子交换通常在离子交换柱中举行。
离子交换柱普通用玻璃制成,装柱时,在交换柱弥漫水的状况下,把经准备处理的树脂装入柱中,可小扣柱子使其装实,并防止树脂中夹有气泡。
始终保持液面高于树脂层,防止树脂干裂。
12-6所示,可保证树脂向来泡在液面下,不会进入气泡,但流速慢,还会使色谱峰稍有增宽。
图12-6 离子交换柱而图12-7的装置容易,但应注重勿使树脂层干枯而混入气泡。
图12-7 离子交换柱 (3)柱上分别将欲分别的试样溶液缓慢注入柱内,从上到下流经交换柱举行交换作用。
若试液中有几种离子同时存在,则亲和力大的离子先被交换到柱上,亲和力小的离子后被交换。
交换完成后,用蒸馏水或不含试样的空白溶液洗去残留的试液以及交换出来的离子。
7.2离子交换分离技术定义及原理定义离子交换分离法是利用离子交换剂与溶液中的离子之间所发生的交换反应进行分离的方法。
原理离子交换分离法是基于物质在固相与液相之间的分配。
分离形式及特点①分离形式:柱分离,电渗析隔膜,离子交换纸上色层,离子交换纤维薄层。
②特点:吸附的选择性高,适应性强,处理对象广,分离容易,使用设备简单。
③应用:离子交换法分离对象广,几乎所有无机离子以及许多结构复杂性质相似的有机化合物都适用。
适应工业生产大规模分离要求,也适合实验室超微量物质的分离。
离子交换剂离子交换剂可分为无机和有机两大类,目前用的最多的是人工合成的有机高分子聚合物的离子交换剂——离子交换树脂。
一、离子交换树脂的结构离子交换树脂的结构可分为骨架(基体)以及离子交换功能团,其中骨架是立体网状结构的高分子聚合物。
目前最常用的离子交换树脂是苯乙烯—二乙烯苯的聚合物,示意图为:聚苯乙烯磺酸型阳离子交换树脂阳离子交换树脂二、分类与性质①按物理结构分类:凝胶型(孔径为5nm);大孔型(孔径为20—100nm);②按合成的树脂所用原料单体分类:苯乙烯系、酚醛系、丙烯酸系、环氧系、乙烯吡啶系。
最常用的分类是依据树脂离子交换功能团分。
主要可分为:(1)强酸性阳离子交换树脂(2)弱酸性阳离子交换树脂(3)强碱性阴离子交换树脂(4)弱碱性阴离子交换树脂1特殊作用的离子交换剂螯合树脂:含有特殊的活性基团,可以有选择性地与某些金属离子进行交换。
如:国产#401型是属于氨羧基[-N(CH2COOH)2]大孔树脂:比一般的树脂有更多、更大的孔道,比表面积大,离子容易迁移扩散,富集速度快,耐氧化、耐磨、耐冷热变化等,具有较高的稳定性。
萃淋树脂—一种含有液态萃取剂的树脂,如TBP(磷酸三丁酯)萃淋树脂,可用于处理工业废水中的六价铬离子等。
氧化还原树脂,纤维交换剂等。
2 阳离子交换树脂(活性基团为酸性,用于交换溶液中的阳离子)强酸型: n R一SO3Hn R一SO3H + Mn+=(R一SO3- ) nM +n H + 适用于酸性、中性和碱性溶液弱酸型: n R一COOH,R-OHn R一COOH + Mn+=(R一COO ) nM + nH +对H+离子的亲合能力强,不适用于强酸溶液(解离度受到抑制),易用酸洗脱,选择性高,适用于分离强度不同的有机碱3 阴离子交换树脂(活性交换基团为碱性,用于交换溶液中的阴离子)强碱型(季铵盐)在中性、酸性、碱性溶液中都可使用弱碱型:R-NH2 R-NHCH3 RN(CH3)2 对OH-亲和力大,不易在碱性溶液中使用交换反应三、理化性能1、交联度在合成离子交换树脂的过程中,将链状分子相互连接而形成网状结构的过程称为交联度较高时:网状结构的孔径越小,网眼越密,机械强度高;选择性高。