07离子交换分离法--教学用.

离子交换分离法2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，从而达到分离目的定义4（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特点：5离子交换树脂离子交换树脂的结构带有活性基团的网状高分子聚合物骨架活性基团酚醛树脂聚乙烯树脂OH+CH2OCH=CH2+CH=CH2CH=CH2交联剂酸性基团碱性基团—SO3H—COOH—N+R3—NR2Ionexchangeresins特殊基团6聚苯乙烯磺酸型阳离子交换树脂CH=CH2+CH=CH2CH=CH2H2SO4CHCH2CHCHCH2CH2CH2CHCHCH2CHCHCH2CH2CH2CHCHCH2CHCHCH2CH2CH2CHCHCH2CHCHCH2CH2CH2CHSO3HSO3HSO3HSO3H聚合磺化交联剂交联作用活性基团R-SO3H+M+=R-SO3M+H+7离子交换树脂的分类依据活性基团分类阳离子交换树脂阴离子交换树脂螯合树脂两性交换树脂强酸型弱酸型交换基为酸性，H+与阳离子交换—SO3H—COOH—OHpH2pH6使用pH范围pH10交换基为碱性，阴离子发生交换强碱型弱碱型—N+(CH3)3Cl-—N+H3OH-—N+H2ROH-—N+HR2OH-pH12pH4含有特殊螯合基团的树脂电子交换树脂，含有氧化还原功能基团8强碱型阴离子树脂弱酸型阳离子树脂弱碱型阴离子树脂（1）交联度100%二乙烯基苯的质量二乙烯基苯和苯乙烯质量之和交联度与交换容量交联度大，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%为宜交联度=交联剂用量/反应物总量×100%树脂在合成中分子间相互连成网状结构称之“交联”10（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。定义：每克干树脂能交换的物质的量（mmol/g）11RBARAB离子交换分离的理论交换平衡唐南理论吸水溶胀树脂弹性凝胶电解质溶液半透膜A+R-A+溶液中B+C-唐南排斥C-唐南理论12离子交换动力学与溶剂萃取相比，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）。M④-SO3HMH①②③⑤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：UO22+Mg2+Zn2+Co2+Cu2+Cd2+Ni2+Sr2+Pb2+Ba2+（4）稀土元素的亲和力随原子序数增加而减小。离子交换树脂的亲和力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。离子交换分离操作测定阳离子,阴离子干扰阴离子交换树脂测定阳离子,阳离子干扰阳离子交换树脂制备去离子水分析用颗粒粗(目数小)颗粒细(目数大)16水浸泡（1—2d）——2—3倍2mol/LHCl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（2）预处理晾干——研磨——过筛——浸泡/转型也可依需要用NaCl，NaOH，NH4Cl或Na2SO4等浸泡，使之转为相应的类型。17（3）装柱：玻璃、塑料：L=10—30cm,φ=1.2～0.6cm（注意带水装）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）19强酸型阳离子交换树脂分离示例Cl-,K+,Na+,Ag+的分离K：亲和力H+Na+K+Ag+H2O游离状态交换反应20H+Na+K+Ag+CtNa+K+Ag+前一状态洗脱淋洗曲线21随着试液不断地流经柱子，交换了的树脂层越来越厚，继续加试液于交换柱中，则流出液中开始出现未被交换的离子．此时交换过程达到了“始漏点”，被交换到柱上的离子的量(mmol)称为该交换柱在此条件下的“始漏量”。交换容量与始漏量：交换柱的总交换容量大于始漏量。（由于达到始漏点时，柱上还有未交换的树脂）。始漏量22穿透曲线与始漏（穿透）量（break-throughcapacity）C=0交界层C=C001.0C/C0L23离子种类——亲和力强,始漏量大树脂颗粒大小——细,始漏量大溶液流速——大,始漏量小温度——高,始漏量大交换柱形状——一定量树脂,柱细,始漏量大影响始漏量的因素粒度:80-100目,100-120目内径:0.8-1.5cm柱高:20-40cm流速:2-5mL/min24一、去离子水的制备自来水过滤R-SO3H柱RN(CH3)3OH柱去离子水混合柱RN(CH3)3OH柱离子交换分离应用除去水中：Ca2+，Mg2+，K+，Na+及少量Fe3+；Cl–CO32-及少量S2－25二.微量组分的分离富集矿石中痕量铂、钯的测定：（1）矿石溶解（2）加入较浓的HCl，Pt(IV)，Pd(II)转化为PtCl62-或PdCl42-阴离子（3）试液通过装有Cl-强碱性阴离子交换树脂微型交换（4）PtCl62-或PdCl42-被交换于树脂上（5）取出树脂——高温灰化——王水浸取残渣——定容（6）分光光度法测定Pt(IV)，Pd(II)。26三.相同电荷离子的分离Li+，Na+，K+的分离：（1）含有Li+，Na+，K+的混合溶液通过强酸型阳离子交换树脂柱，三种离子都被树脂吸附。2）用0.1mol/L的HCl淋洗，三种离子都被洗脱。(3）根据树脂对这三种离子亲和力的不同,可做淋洗曲线。(4）将洗脱下来的Li+，Na+，K+分别用容器收集后进行测定。27四.干扰组分的分离（1）重量法测定硫酸根：当有大量Fe3+存在时，产生严重的共沉淀现象，而影响测定。用阳离子交换树脂消除Fe3+的干扰，测定流出液中HSO4-。（2）比色法测定钢铁中的Al3+或铸铁中Mg2+：大量Fe3+干扰测定。可将试样溶解于9M的HCl溶液中，使Fe3+以FeCl42-形式存在，然后以阴离子交换树脂消除Fe3+的干扰，测定流出液中Al3+和Mg2+.（3）碱滴定法测定硼镁矿中的硼使用阳离子交换树脂消除矿石中阳离子的干扰，测定流出液中H3BO3。28五、有机化合物的分离（包括农药残余和抗生素）凡是在水溶液中能离解的有机化合物如羧酸、酚、胺类等，可用离子交换法分离。羧基、酚基在pH值较大时以—COO-,--O-形式存在，可被交换在阴离子交换树脂；含氮有机化合物在pH较小时形成-NH3-、=NH2-、=NH+而被阳离子交换树脂所交换。应该指出的是，在交换分子量较大的有机离子时，一般要采用较小交联度的树脂（1-4%），这种树脂的网状结构较稀疏，容易吸附大的离子，所以适合于有机碱、有机酸的分离。29六、在工业上的应用工业盐酸的纯化：黄色Fe3+从非极性或弱极性有机产品除去极性有机杂质。例如从汽油、煤油、苯、甲苯中除去吡啶、酚、羧酸等杂质。药品食品工业中的脱盐，以及除去有毒的金属离子，如砷、铅、汞、硫等。电镀和胶片洗印废水处理：消除污染，回收贵金属牛奶中重金属离子的分离富集。30七．螯合树脂螯合树脂是一种对金属离子具有选择性吸附能力的离子交换树脂。它以高选择性和稳定性在痕量分析方面具有独特的作用。螯合树脂在其功能团中常含有O、N、S、P和As等原子，它们与金属离子往往形成多配位络合物。31螯合树脂的分类（按螯合基团分）亚氨基二乙酸型树脂8-羟基喹啉型树脂和8-氨基喹啉型树脂水杨酸型冠醚型从分离的角度看，高选择性的螯合树脂是离子交换树脂的发展方向。例如，新合成的氨羧型LZ-85树脂能选择性地从大量钴中分离出微量镍。32亚氨基二乙酸型即EDTA型树脂是一种“广谱性”的应用广泛的螯合树脂。它具有较高的交换容量(4-%meq/g)，主要用于二价离子与碱金属的分离。主要商品牌号有DowexA-1、Chelex-100、DiaionCR-10、KT-1及国产的D401等。Chelex-100型螯合树脂的性能：pH6-14；0.5meq./ml；75℃使用。吸附顺序为：CuPbFe3＋AlCr3＋NiZnAgCoCdFe3＋Mn2＋BaCaNiK。例如，用DowexA-1树脂可从浓碳酸溶液和盐水中分出少量的碱土金属及其它二价过渡金属离子如Cu2＋、Zn2＋等；用Chelex-100型螯合树脂可从海水中富集ppb级的Cu2＋、Pb2＋、Cd2＋等离子。33螯合树脂的特点①高选择性：螯合树脂的最大特点在于它的选择性。这主要是树脂中引入具有一定选择性的分析功能团。由于引入到树脂的网状结构中的螯合基团的旋转自由度大为降低，因此它形成螯合物的能力相对减弱，选择性可望进一步提高。在某些场合下，离子交换树脂可能进一步提高分析功能团的选择性。②稳定性：正如普通的离子交换树脂一样，螯合树脂具有较高的稳定性。③交换速度：螯合树脂与金属离子的交换过程较为缓慢，这不仅与树脂交联度/孔径有关，而且与树脂母体的特性有关。使用亲水性交换剂，或使用纤维状吸附剂，可能大幅度提高吸附速度。34螯合树脂的应用使用优点：①操作容易；②可重复使用；③无需特殊试剂等。在从大量共存离子中选择性地分离富集待测离子，以及在去除重金属等环境污染物有广泛的应用。1)海水中的痕量元素：NH4＋型的Chelex-100螯合树脂，50-100目，12柱。PH7.5-8试液，5ml/min流速过柱。Cd、Co、Cr、Cu、Fe、Mn、Ni、Pb、U、Zn等20多种金属离子富集在柱上。然后用2.5mol/LHNO3洗脱，可用多种方法测定。2)环境中重金属污染物的分离和贵金属资源的回收：巯基树脂可吸附环境水中的各种无机汞和有机汞，如Hg2＋、CH3Hg2＋等，用浓HCl洗脱后，然后用冷原子吸收法在F-732测汞仪分析，灵敏度达0.1ppb。3)FIA--螯合树脂柱浓缩--光度测定35八．离子交换树脂比色法（树脂相吸光光度法或树脂比色法）对于低于ppb级的微量组分，先用离子交换树脂吸附后，直接在树脂相显色测定。离子交换树脂比色法的优点是将预富集和光度测定结合起来，提高了测定选择性及灵敏度。1)操作方式①显色→树脂吸附→比色②显色剂→树脂吸附(反应性树脂)→试样显色→比色③试液→树脂吸附→(分离→)显色比色36测定方式hv低交联度透光性较好的树脂，吸附30分钟；采用填充液池测A值，并对树脂本身的吸光值进行校正。37思考题：如何把NO3－、SO42－与Cl－、CO32－两组阴离子分离分开？请设计一个测定强碱型阴离子交换树脂