吸附与离子交换分离.ppt

6 吸附与离子交换分离,吸附法分离的关键在于物质的吸附和脱附作用的差异。,离子交换分离法是利用溶液中离子与离子交换剂发生交换反应进行分离的方法。在分析测试中，离子交换分离技术是最有实用价值的前处理方法。,6.1 分离操作方式,1)分批操作法2)吸附剂片过滤吸附法3)柱式法,静态操作法动态操作法,静态操作法,试液中待测低含量组分在适当的容器里不断被外加的固定相所吸附(或交换)。为了能尽快地达到吸附平衡，可将溶液进行机械搅拌、振荡或超声波处理。然后用倾斜法或过滤法将固定相与溶液分离。,1）迎头法（frontal method）,样品液分离柱,让待分离的混合物连续地通过分离柱，开始各组分被留在柱上，待饱和后就流出分离柱。开始出现的是亲和力最小的，各得到一部分纯物质。然后各组分依亲和力逐步增加的顺序出现，最终各组分的浓度与样品中相同。,迎头法可用于那些分离场合？,穿透曲线与穿透量（break-through capacity）,l迎头分析：测定吸附剂的吸附特性等物化研究。l净化分离：如气体净化、去离子水制备等；在分析上可用来吸附基体成分或痕量待测组分。,影响柱分析容量的因素：填料的特性：交换容量、比表面大小 装填情况：操作条件：流速,2）顶替法（displacement development）,将混合物样品加到分离柱后，然后用亲和力大的顶替剂流过分离柱，试样中的各组分按亲和力由小到大顺序依次被顶替出分离柱。,洗脱法 顶替法 迎头法,色谱带与色谱图,3）洗脱法（elution method）最常见的色谱方法（后续课程详细介绍)洗脱法与迎头法和顶替法的差异？,常见吸附分离（吸附剂）,活性炭和分子筛 巯基棉纤维和泡沫塑料 大孔性吸附树脂 硅胶、氧化铝等吸附剂 纳米材料 壳聚糖 磁微球等,活性炭分离,活性炭是常用的吸附剂，表面积约100 1000 m2/g，粒度 90 m 应占97%以上。活性炭是一种非极性吸附剂，较易吸附极性较小的分子。在分析上，活性炭可用来吸附、气体有机物，也可以在多元素富集中作为痕量载体应用。活性炭的吸附速度一般较快，通常只要把活性炭与试液共振荡3-5分钟，接着用滤纸过滤，即可定量吸附待测成分。,活性炭的预处理 分别用48%HF，12M HCl洗涤，除去杂质。定量分离时应做空白实验。应用举例I精制有机物常用活性炭脱色II高纯金属微量杂质的分离分析,用量？操作？,分子筛分离,分子筛是一种晶态的金属硅铝酸盐矿物。它具有高度选择性吸附性能，是由于其结构形成许多与外部相通的均一微孔。凡是比分子筛孔径小的分子可通入孔道中，而较大者则留在孔外，借此筛分各种分子大小不同的混合物。分子筛主要用于气态物的分离和有机溶剂痕量水的除去。实验室一般采用4-5A的分子筛。,球基棉纤维分离,巯基棉可以定量吸附水溶液中多种微量重金属离子和某些非金属离子，具有富集倍数大、吸附效率高、吸附速度快、选择性强、解脱性能好、制备简单、操作简便和易于推广等优点。,巯基纤维素的制备,巯基棉纤维是将巯基(HS-)连接在棉花的大分子链上而制成。它的吸附性能取决于棉花纤维比表面上巯基的数量。制备方法：20ml硫代乙醇加上14ml乙酸，混匀，低加2滴浓硫酸，混匀并冷至室温，在加上4脱脂棉浸湿，并于室温(25)下放置24小时，分别用自来水、蒸馏水洗至中性，挤干水，放入37-38 烘箱中晾干，密闭、避光和低温下保存。,巯基纤维素的吸附性能,巯基棉纤维对各种金属元素的结合能力有着明显的差异，其强弱顺序基本上符合软硬酸碱原则：Pt（）-Pd（）Au（）-Se（）Te（）As（）Hg（）-Ag（）Sb（）Bi（）Sn（）CH3HgIn（）-Pb（）Cd（）Zn（）巯基棉对碱金属、碱土金属无亲和性；而对亲硫元素吸附性能好。各种亲硫的金属成分可与较高浓度的K、Na、Mg2、Ca2、Sr2、Fe3、Mn2、Cr3分离。,应用,水、粮食和土壤中W的测定 微分脉冲极谱催化波法，Mo有干扰。控制pH2-7试液流过巯基棉，W被定量吸附，用6 N HNO3洗脱后测定。化学发光测定水、血液和矿石中Co Hg（）、Bi（）、Pb（）、Cu（）干扰Co的化学发光测定。在pH4条件下，让试液流过巯基棉，干扰离子被吸附，流出液可直接测定。,聚氨酯泡沫塑料,泡沫塑料广泛用于各种介质中痕量无机及有机化合物的富集分离，即它们可在稀溶液中选择吸附多种有机和无机化合物，如油、苯、三氯甲烷、苯酚以及I2、Hg（）、Au（）、Fe（）、Sb（）、Tl（）、Re（）、Mo（）、U（）等。,聚氨基甲酸乙酯泡沫塑料对Au、Tl的吸附 聚氨基甲酸乙酯泡沫塑料由于含有聚醚氧结构，适宜于接受1，2价络阴离子，它的吸附类似于阴离子交换树脂的行为，有较好的选择性。等以离子形式存在时，几乎不被泡塑吸附，只有以（MeX4）-型络离子时，泡塑吸附才有可能。环境样品中有机污染物的富集 聚氨酯类泡沫可用于富集痕量有机污染物，如空气中PAHs，或水中的PAHs、有机杀虫剂和苯酚等。,大孔性吸附树脂,大孔性树脂的特性 大孔吸附树脂是一种不含交换基团的,具有大孔结构的高分子吸附剂。这是一种新型的介于离子交换树脂和活性炭之间的优良吸附剂。通常大孔性树脂是聚苯乙烯和二乙烯苯的共聚物，它们具有多孔性的巨大网状结构。,大孔吸附树脂具有吸附容量大、选择性好、易于解吸、机械强度高、再生处理简便、吸附速度快等优点,特别适用于从水溶液中分离低极性或非极性化合物。,大孔吸附树脂的应用,XAD-2对PAHs、烷基苯、农药和除莠剂的富集GDX-101对污水中吡啶碱硝基物苯胺类等微量有机化合物吸附效果很好，再用CS2萃取洗脱进行GC-FID分析可满足排放污水监测要求。氨基糖甙样品脱盐：将碱性水溶液的氨基糖甙，通过大孔吸附树脂，氨基糖甙能形成集中的吸附带，而盐溶液则快速通过树脂柱，去盐后可用(10-20)%的含水醇或丙酮洗脱吸附物。冬虫夏草有效成分的吸附分离：H-103吸附树脂对核苷类化合物和芳香性氨基酸而与糖类和非芳香性氨基酸分离,纳米分离富集材料,分析科学学报，2000，16（4）：300“纳米二氧化钛分离富集和ICP-AES测定水样中Cr()/Cr()”纳米材料是近年来受到广泛重视的新兴材料，纳米粒子的粒径在1-100nm之间，属于原子簇与宏观物体交界的过渡状态，它既非典型的微观体系，又非典型的宏观体系，具有一系列新异的物理化学特性，具备一些优于传统材料的特殊性能。其中一点是随着粒径的减少，表面原子数迅速增大，表面积、表面能和表面结合能都迅速增大，表面原子周围缺少相邻的原子，具有不饱和性，易于其它原子相结合而稳定下来，因而具有很大的化学活性。,研究表明，纳米材料对许多过渡金属离子具有很强的吸附能力，且具有较高的选择性，是痕量元素分析较为理想的分离富集材料。在pH6.5条件下，纳米二氧化钛对溶液中的Cr()选择性吸附，通过ICP-AES测定对水样Cr进行形态分析。二氧化钛为两性化合物，在中性或弱碱性条件下带负电，它可以选择性地吸附Cr3+，而Cr()以酸根离子存在不被吸附。问题：富勒烯可以作为分离富集材料吗？,壳聚糖吸附,壳聚糖中的-NH2基非常活泼，可直接与金属离子发生螯合，同时-OH基也具有活性功能，也可以与金属离子发生作用。,甲壳素（）是一种线性氨基多糖，广泛存在于节足动物类（蜘蛛类、甲壳类）的翅膀或外壳中。甲壳素的化学名为（，）乙酰氨基脱氧葡聚糖，也称为聚（乙酰基葡糖胺）。由于型及型氨键的作用，使甲壳素大分子间存在有序结构。壳聚糖（简称）是由甲壳素经脱乙酰化反应转化变成的分子量为万的生物大分子。壳聚糖的化学名为聚（，）氨基脱氧葡聚糖。其分子链中因脱乙酰基不完全通常含有乙酰氨基葡萄糖和氨基葡萄糖两种结构单元。,由于甲壳素、壳聚糖及其衍生物具有吸附、离子交换和潜在分子手性等特性，它们在分析测试中的具有一定的应用，包括复杂样品的分离富集、新型分离材料、膜分离以及手性拆分等。（1）在光度分析中的应用 一般认为，壳聚糖能通过分子中的氨基，羟基与金属离子Hg2+，Ni2+，Pb2+，Cd2+，Cr3+，Mg2+，Zn2+，Cu2+，Fe3+都可形成稳定的螯合物。在分析测试中也可以用于复杂样品中痕量金属元素的分离富集。（2）在电分析中的应用 甲壳素、壳聚糖在电分析方面的应用主要在修饰电极和传感器两个方面。,（3）色谱与电泳 组成壳聚糖的每个氨基葡糖含有一个伯胺基和两个羟基，因此，在色谱分离过程中，分析物与壳聚糖固定相之间可能存在三种不同的相互作用：氨基质子化引起的阴离子交换作用，羟基的吸附作用以及其它疏水作用。哪一个因素起主要作用取决于流动相的性质。在色谱和电泳分析方面的主要应用有亲合色谱、毛细管电泳添加剂和手性色谱固定相等方面。,从70 年代起，甲壳素和壳聚糖作为一类有效的分离介质，陆续在分析化学杂志上有些报道。甲壳素、壳聚糖及其衍生物具有吸附、离子交换和潜在分子手性等特性，它们在分析测试中的具有一定的应用，包括复杂样品的分离富集、新型分离材料、膜分离以及手性拆分等。如甲壳素、壳聚糖分子具有大量活性的-OH和-NH2，它们对重金属离子具有较强的选择性吸附，且吸附和解吸速度快，同时还具有性质稳定，来源丰富，制备简单，可重复使用等优点。因此作为一种新型的金属阳离子吸附剂，它们已受到人们的关注。人们对甲壳素、壳聚糖的吸附机理进行了研究。一般认为，壳聚糖能通过分子中的氨基，羟基与金属离子Hg2+，Ni2+，Pb2+，Cd2+，Cr3+，Mg2+，Zn2+，Cu2+，Fe3+都可形成稳定的螯合物。,甲壳素、壳聚糖的对重金属良好的吸附性质，除了在分析测试中也可以用于复杂样品中痕量金属元素的分离富集，在环境保护中的废水处理有广泛的应用。壳聚糖富集分光光度法测定水中痕量镍。壳聚糖在pH约为6.5，富集速度为3-4ml/min下，用H2SO4(1ml/min)洗脱，利用丁二酮肟分光光度法测定镍()。脱乙酰度为54.5%为最佳。此外，甲壳素/壳聚糖也可以用于有机物的吸附分离。例如壳聚糖对酸性染料的吸附作用，被认为壳聚糖对酸性染料分子表现出的较强的吸附能力，主要是其分子链中的游离氨基与酸性染料分子中磺酸根负离子键合作用的结果。,磁微球在生化分离中的应用（景晓燕、朱果逸等，分析化学，1999，27：1462）,磁分离技术利用外加磁场作用使具有磁性物质分离：燃煤脱硫 大气除（磁性）粉尘（磁性）废水处理 磁微球是以金属或金属氧化物为核，外面包被带有活性基团物质的一种新型生物分离材料。微球通过其活性基团与化学、生化和生物物质连接后，利用其顺磁性外加一定磁场实现与介质的分离。磁核：Fe3O4 表面活性基团：-OH、-COOH、-NH2、-CONH2,离子交换,对离子与非离子物质，离子化合物之间的分离，离子交换法是最重要的手段之一。离子交换法分离效率高，分离容量大，但分离周期长，在分析测试中，通常用于解决较困难的分离问题。树脂离子交换分离 离子交换纤维素和离子交换葡聚糖,离子交换,离子交换树脂与含离子的溶液接触时，交换基团上的A+进入溶液，而溶液中的Bn+被树脂“吸附”，即“化学吸着”：,交换柱的排列交换柱的再生,去离子水的制备：,？,离子交换平衡和选择性系数,如果让离子交换树脂与溶液离子的交换达到平衡：,选择性系数：,对于强酸型阳离子交换树脂，当与金属离子M+接触时:,选择性系数值的大小表示树脂对金属离子M+的亲和力的大小，它与树脂的类型、离子的性质以及溶液的组成有关。,为什么金属离子(Na+、K+等)可以吸附在H-型强酸型阳离子交换柱上，而后又可以用HCl来再生强酸型阳离子交换柱?,亲和力大小不仅与离子性质有关，而且与其浓度有关。前者根据一价金属离子的亲和力顺序不难理解，而后者是采用高浓度HCl来再生强酸型阳离子交换柱。,实验表明，在常温下，当离子浓度不大时，强酸型阳离子交换树脂树脂亲和力大小有如下一些规律。金属离子的价数增大，亲和力增大。如 Na+Ca2+Al3+Th4+离子价数相同时，亲和力大小随着水合离子半径的减少而增大。如1价离子：Li+H+Na+NH4+K+Rb+Cs+Tl+Ag+；2价离子：Mg2+Zn2+Co2+Cu2+Cd2+Ni2+Ca2+Sr2+Pb2+Ba2+。,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）。,M,一、去离子水的制备,离子交换分离应用,交换柱的填充树脂一般采用强酸型阳离子交换树脂和强碱型阴离子交换树脂，如0017(732#)和2017(717#)；由于交换容量不同，实验中通常采用一根阳离子交换柱和二根阴离子交换柱。混合柱也应按等交换容量比例混合；混合柱的作用：由于离子交换是可逆反应，经过阳离子交换柱和阴离子交换柱处理的去离子水，还存在着微量未交换的离子。若让它再通过混合柱，由于两种交换过程同时进行，离子交换后生成的H+和OH结合成水而除去，进一步提高了水的质量。实验室精制去离子水可采用 5cm100cm混合柱处理一次去离子水。,树脂再生：阳离子交换柱和阴离子交换柱分别逆流通过5%HCl和NaOH；混合柱应先“比重1.2盐水浮选”分离，然后在分别再生。二、试样中总盐量的测定 对于天然水、工业废水、土壤抽提物、血清、糖、羧酸盐磺酸盐等总盐的测定可以采用离子交换法来进行。此外，离子交换法还可以用来测定一些难溶盐的浓度积，如氯化铅溶度积的测定（如何进行？），以及某些及弱酸或碱的滴定。,三、干扰离子的分离 当溶液中待测阳离子受共存阴离子干扰时，将试液通过阴离子交换柱，干扰阴离子留在柱上，流出液中的阳离子可以直接测定。但实际过程应注意：交换容量的大小；试液应控制一定的酸度，防止金属离子在交换柱上析出沉淀；交换柱是否应该转型；待测金属离子是否应加入络合剂改变电荷极性；考虑到离子交换树脂的稳定性、再生难易程度等因素，通常优先采用强酸型阳离子交换树脂。,思考题：如何把NO3、SO42与Cl、CO32两组阴离子分离分开？,强酸型阳离子交换树脂 处理成Ag型(上)除去Cl AgCl；强酸型阳离子交换树脂 处理成H型(下)除去CO32 H2CO3 CO2(下柱还除去AgAg型)。同样再采用Ba柱，可除SO42。,阴离子交换柱色谱分离？,阳离子交换柱？,离子色谱法测废水中的As（）和As（）样品中的碱金属离子严重干扰亚砷酸根的电流响应,采用H型阳离子交换树脂柱过滤，滤液可直接分析。阴离子交换树脂-靛酚法测定尿液中的氨 用靛酚法测氨，由于阴离子干扰物种太多，难以用于实际样品。经过阴离子交换树脂分离后，大大减少了干扰程度，可用靛酚法测定。,四、痕量组分的富集 试样中痕量组分的测定有时比较困难，利用离子交换树脂能方便地富集痕量离子组分。如天然水、酒精中痕量离子的富集，可以用几百毫升至几升试液富集。在制奶工业上，可通过离子交换树脂色谱柱除去牛奶中微量的重金属，提高牛奶的品质。工业废液中微量贵金属也可以利用离子交换树脂进行回收。,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。,六、在化学工业上的应用 工业盐酸的纯化：黄色Fe3+,蒸馏？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。抗生素纯化 电镀和胶片洗印废水处理：消除污染，回收贵金属,几种特殊的离子交换技术,离子交换树脂纸分离 对于X-射线等分析，为避免从树脂上洗脱痕量元素的损失，可以采用交换介质(如膜或纸)进行分离和检测。离子交换树脂点滴试验法 在点滴板上，试液树脂显色剂,其中树脂起分离富集待测离子的作用。,如Cd2的特效显色：乙二醛双-(2-羟基缩苯胺)（GHA），在酒石酸、硫代硫酸和饱和NaF存在下仅与Cd、Co、Ni反应，而这三者在I过量下，只有生成的CdI42离子可吸附在阴离子交换树脂上，分离后才与试剂显色。1d试液2d隐蔽剂2d50%KI，20颗Dowex-2-X阴离子交换树脂(50-100目，Cl)，搅拌后放置，水洗三次，2d 1%GHA/EtOH1d吡啶，树脂表面呈兰色，检出灵敏度为0.05g(1：1106)。,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。操作方式显色树脂吸附比色显色剂树脂吸附(反应性树脂)试样显色比色试液树脂吸附(分离)显色比色,测定方式,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。,采用强酸型阳离子交换树脂可以富集海水中的痕量重金属元素吗？,所有阳离子均可交换上去,多配位络合物，选择性交换,亚胺二乙酸螯合树脂,提高分离选择性：合成新型鳌合树脂-把分析基团引入树脂骨架,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。,螯合树脂的分类（按螯合基团分）,l亚氨基二乙酸型树脂l8-羟基喹啉型树脂和8-氨基喹啉型树脂l水杨酸型 l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。,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Dowex A-1、Chelex-100、Diaion CR-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：Cu Pb Fe3 Al Cr3 Ni Zn Ag Co Cd Fe3 Mn2 Ba Ca Ni K。例如，用Dowex A-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。,螯合树脂的特点,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。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。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。,螯合树脂的应用,使用优点：操作容易；可重复使用；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。PH 7.5-8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2.5 mol/L HNO3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0.1 ppb。3)FIA-螯合树脂柱浓缩-光度测定,特种离子交换树脂,氧化还原树脂（电子交换树脂）：如氢醌类树脂，用于氧化还原反应而又不引入杂质两性树脂：同时含有阳离子和阴离子交换基团，可用大量水作淋洗剂萃淋树脂：一种含有液态萃取剂的树脂，兼有离子交换和萃取法的优点，用于贵金属制备分离,离子交换纤维素和离子交换葡聚糖,这是一类与离子交换树脂不同的亲水性离子交换剂。纤维素和葡聚糖凝胶都是由葡萄糖聚合而成的大分子物质，在分子中带有很多羟基，通过化学反应可引入能够释放离子的基团，从而具备离子交换剂的性质。离子交换纤维素具有开放性的支持骨架，大分子能自由地进入和迅速地扩散，故对大分子的吸附容量较大。离子交换纤维素上交换基团排列疏散，对大分子的吸附不是太牢固，用温和的条件便可将其洗脱下来，因此不致引起大分子的变性，同时它有较理想的回收率。,离子交换纤维素,离子交换纤维素是一种经过化学改性的纤维素，即基质经过化学处理后带上某种有强烈离子交换能力的官能团如膦酸基、羧基和磺酸基等。离子交换纤维素的特点是颗粒较小，亲水性强，交换容量低，交换速度快，容易洗涤。常用的离子交换纤维素有三种：二乙基氨基乙基（DEAE）纤维素 羧甲基（CM）纤维素 ECTEOLA纤维素（叔胺基？）,离子交换纤维素特别适用于分离那些水溶性的大分子物质，如蛋白质、多糖、酸性多糖等。,离子交换葡聚糖,采用淀粉或蔗糖制备。在葡聚糖凝胶分子中也可象纤维素那样引进离子交换功能基,如亚氨基二乙基和羧甲基等,使葡聚糖既有分子筛作用,又有离子交换作用。,