现代分离方法与技术第9章 电化学分离法课件.ppt

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1、第9章电化学分离法, 9.1自发电沉积 9.2 电解分离法 9.3电泳分离法 9.4 电渗析分离法 9.5 化学修饰电极分离富集法 9.6 溶出伏安法 9.7 控制电位库仑分析法,电化学分离法,基于物质在溶液中的电化学性质的差异来实现分离。内容包括：自发电沉积、电解分离法、电泳分离法、电渗析分离法、化学修饰电极分离富集法、溶出伏安法及控制电位库仑分离法等。, 9.1自发电沉积,一种元素的离子自发地沉积在另一种电极上的过程，称为自发电沉积。这个过程有时又称为电化学置换（electrochemical displacement ）。一种不需要外加电源, 只依靠自发电池本身的能量引起电沉积的电重量分

2、析法。用电极电位较负的金属将金属盐水溶液或某些不溶盐悬浮液中电极电位较正的金属离子还原成金属。从电化学机理看，置换过程类似于电结晶过程。对于具体的置换过程必须个别地研究其动力学机理。电化学置换法用于自浸出液中回收金属。,用化学或物理的方法使放射性物质与稳定物质分离或几种放射性物质彼此性质相近难以分离，电化学分离方法通过电化学置换、电解析出和电泳过程使放射性物质分离。钋在银、铋和铜等金属片上置换析出是最早用于放射性物质分离的自发电沉积法。,(一)概述 电解是一种借助于外电源的作用使化学反应向着非自发方向进行的过程。 电解过程（非自发的）是原电池过程（自发的）逆过程。 电解分离法是将被测溶液置于电

3、解装置中进行电解，使被测离子在电极上以金属或其它形式析出。, 9.2电解分离法,(二)基本原理,1. 分解电压和过电位当直流电通过某种电解质溶液时，电极与溶液界面发生化学变化，引起溶液中物质物分解，这种现象称为电解。水溶液中除了电解质的离子外，还有由水电离出来的氢离子和氢氧根离子，换句话说，水溶液中存在着两种或两种以上的阳离子和阴离子。究竟哪一种离子先发生电极反应，不仅与其在电动序中的相对位置有关，也与其在溶液中的浓度有关，在某些情况下还与构成电极的材料有关。,例如，在铂电极上电解硫酸铜溶液时，当外加电压较小时，不能引起电极反应，几乎没有电流或只有很小电流通过电解池。如继续增大外加电压，电流略

4、为增加，直到外加电压增加至某一数值后，通过电解池的电流明显变大。这时的电极电位称析出电位(析),电池上的电压称分解电压(E分)。而发生的电解现象是，阴极上Cu2+离子比H+离子更易被还原： Cu2+2e = Cu 阳极上 H2O中 OH-离子被氧化： 2H2O - 4e O2 4H+,如将电源切断，这时外加电压虽已经除去，但伏特计上的指针并不回到零，而向相反的方向偏转，这表示在两电极间仍保持一定的电位差。这是由于在电解作用发生时，阴极上镀上了金属铜，另一电极则逸出氧。金属铜和溶液中的Cu2+组成一电对，另一电极则为氧的电极。当这两电对联接时，形成一原电池。此原电池的反应方向是由两电对的电极电位

5、的大小决定的。,原电池发生的反应为负极： Cu2eCu2+正极： O24H+4e2H2O 反应方向刚好与电解反应相反。 设溶液中CuSO4和H+离子浓度均为l mol/L，此原电池的电动势为 =正负= 1.23-0.35 = 0.89V,可见，电解时产生了一个极性与电解池相反的原电池,其电动势称为“反电动势”（反）。因比，要使电解顺利进行，首先要克服这个反电动势。 理论分解电压E分为 E分=反=正负 对于电解1mol/LCuSO4溶液，其E分不为0.89V, 而为1.49V。为什么？,主要有两个原因，第一，由于电解质溶液有一定的电阻，欲使电流通过，必须用一部分电压克服iR（i为电解电流，R为电

6、解回路总电阻）电位降，一般这是很小的；第二，主要用于克服极化现象产生的阳极反应和阴极反应的超电位（阳和阴）。因此，电解1 mol/L CuSO4溶液时，需要外加电压E析= 1.49 V， 而不是E分= 0.89 V，多加的0.60 V，就是用于克服iR电位降和由于极化产生的阳极反应和阴极反应的超电压。这个(0.60V)超电压是如何产生的？,定量关系：E外=E分+iR =(平(阳)+a)(平(阴)c)+iR 通常,可设iR0,则 E外=E分=(平(阳)+a)(平(阴)c)（请弄清 “+”和“”）,电解池的电流密度雨电极电势的关系,超电位可分为浓差超电位和电化学超电位两类。 前者是由浓差极化产生的

7、，后者是由电化学极化产生的。电化学极化是由电化学反应本身的迟缓性所引起的。一个电化学过程实际上由许多分步过程所组成，其中最慢一步对整个电极过程的速度起决定性的作用。在许多情况下，电极反应这一步的速度很慢，需要较大的活化能。因此，电解时为使反应能顺利进行，对阴极反应而言，必须使阴极电位比其平衡电位更负一些；对阳极反应而言，则必须使阳极电位比其平衡电位更正一些。这种由于电极反应引起的电极电位偏离平衡电位的现象，称为电化学极化。电化学极化伴随产生超电位。原因如下：,(1) 电极材料和电极表面状态超电位的大小与电极材料有极大关系。 例如，在不同材料的电极上，氢析出的超电位差别很大。在25，电流密度为

8、10 mAcm2时，铅电极上氢的过电位为1.09 V，汞电极上为1.04 V，锌和镍电极上为0.78 V，而铜电极上为0.58 V。超电位的大小也与电极表面状态有关。 例如，在上述条件，氢的超电位在光亮铂片上为0.07 V，而镀铂黑电极上，则接近于理论上的0.00电位值。可利用氢在汞电极上有较大的超电位，使一些比氢还原性更强的金属先于氢在电极上析出，因而消除氢离子的干扰。人们正是利用这一点，用汞电极做极谱工作电极。,（2）析出物质的形态 一般说来，电极表面析出金属的超电位很小，大约几十毫伏。在电流密度不太大时,大部分金属析出的超电位基本上与理论电位一致，例如,银、镉、锌等。但铁、钻、镍较特殊，

9、当其以显著的速度析出时，超电位往往达到几百毫伏。如析出物是气体，特别是氢气和氧气，超电位是相当大的。例如，在酸性介质中，在光亮铂阳极上，电流密度为20 mA/cm2时,氧的过电位为0.4 V，而在碱性介质中则为1.4 V。,(3) 电流密度 电流密度越大，超电位也越大。 例如，铜电极上,电流密度分别为1、10和100 mA/cm2时，析出氢气的过电位相应为0.19、0.58和0.85 V。 (4)温度 超电位随温度升高而降低。 例如，每升高温度10，氢的超电位降低2030 mV。,2. Faraday定律 电解过程中，在电极上析出的物质的质量与通过电解池的电量之间的关系，遵守Faraday定律

10、，可用下式表示,式中，W为物质在电极上析出的克数；M为分子量,n为电子转移数,F为Faraday常数，1F = 96487C；Q为电量，以C为单位。如通过电解池的电流是恒定的，则 Q = It,Faraday定律的正确性已被许多实验所证明。它不仅可应用于溶液和熔融电解质，也可应用于固体电解质导体。,如电流不恒定，而随时向不断变化，则,在一定的外加电压条件下，通过电解池的总电流 iT，实际上是所有在电极上进行反应的电流的总和。它包括： (1)被测物质电极反应所产生的电解电流ie； (2)溶剂及其离子电解所产生的电流is； (3)溶液中参加电极反应的杂质所产生的电流iimp。 电流效率e为 eie

11、/(9ie + is + iimp)100 ie/ iT 100,3. 电流效率,(三)电解分离法的分类和应用控制电势电解分离法各种金属离子具有不同的析出电位，要达到精确的分离，就要调节外加电压，使工作电极的电势控制在某一范围内或某一电位值，使被测离子在工作电极上析出，而其它离子留在溶液中达到分离的目的。,自动控制阴极电势的电解装置,电解电压与阴极电势的关系曲线,控制阴极电势电解分离与测定的应用,2. 控制电流电解分离法通过调节外加电压，使电解电流维持不变，通常加在电解池两极的初始电压较高，使电解池中产生一个较大的电流。此方法常用于从溶液中预先除去易还原的离子，以利于其它物质的测定。,汞阴极分

12、离法用汞作阴极的电解分离法。 汞阴极与铂电极相比有如下特点： (1)氢在汞阴极上的析出的超电位很大（ 1.0 V），有利于金属元素特别是那些活动顺序在氢以前的金属元素在电极上析出。 (2)很多金用能与汞形成汞齐，降低了它们的析出电位，使那些不能在铂电极上析出的金属，也能在汞阴极上析出。同时由于析出物能溶于汞，降低了汞电极上金属的活度，可以防止或减少再被氧化和腐蚀的作用。 由于以上的原因，在酸性溶液中也能使20余种金属元素，如铁、钻、镍、铜、银、金、铂、锌、镉、汞、镓、铟、铊、铅、锡、锑、铋、铬、钼等被电解析出，而使它们与留在溶液中的另外20余种金属元素如铝、钛、锆、碱金属、碱土金属等相分离。

13、(3) 以滴汞电极为工作阴极的极谱分析法的理论研究及实际应用为汞阴极分离理论提供了可靠的依据和合适的分离条件。,汞阴极电解分离法在冶金分析中获得广泛应用。当溶液中有大量易还原的金属元素，而要测定微量难还原元素时，汞阴极电解能很好地分离共存元素。该方法已用于铀、钡、铍、钨、镁等金属中微量杂质铜、镉、铁、锌的分离测定。汞阴极电解分离法也常用于提纯分析试剂。,汞阴极电解装置,电解分离法在工业生产中已用来提炼金、银、铜、铅、锌、铝等，在分析测试中也获得广泛应用。,电解分离法的应用：,电解分离法的某些应用, 9.3 电泳分离法,9.3.1 概述9.3.2 基本理论9.3.3 毛细管电泳仪器装置9.3.4

14、 毛细管电泳的操作方式及应用,9.3.1 概述,1 电泳的发展2 毛细管电泳发展新动向,1 电泳的发展,在半导电流体中，带电粒子在外电场作用下的泳动现象叫电泳。 带电粒子在电泳过程中的迁移速度与其有效电荷、大小、形状有关，因此，利用电泳过程中迁移速度的不同，可将有效电荷不同、大小、形状不同的粒子分开。 电泳分离法是1937年Tiselius发明的，他当初发明的电泳法叫移动界面法。他用该法成功的分离了人血清，得到了血清白蛋白、a-球蛋白、b-球蛋白、g-球蛋白，并于1948年获得诺贝尔化学奖。,毛细管电泳又称高效毛细管电泳，是离子或荷电粒子以电场为驱动力，在毛细管中按其速度或分配系数不同进行高效

15、分离的电泳新技术，高效毛细管电泳可将分离出来的组分同时进行检测，因此，它是一种分离分析技术。 高效毛细管电泳具有高效、快速、样品用量少的特点。 毛细管电泳仪已有近20种型号。,毛细管电泳,高效毛细管电泳之所以高效快速是由于所用的毛细管（如熔融硅毛细管、聚四氟乙烯等）具有良好的散热效能。可允许在毛细管两端加上高至30 kV的高电压，毛细管的纵向电场强度可达400 V/cm以上，因而分离操作可在很短时间内（多数30 min，最快可在几秒钟内）完成，达到非常高的分辨效率，理论踏板数达到400000/m以上，最高达107/m数量级。此外，毛细管的内径很小（一般100 mm ） 。内径50 mm，长度为

16、50 cm的毛细管，其溶剂不足1 mL，进样体积在 nL级，样品浓度可低于 10-4 mol/L。,2 毛细管电泳发展新动向,主要用于蛋白质分离、糖分析、DNA测序、手性分离、单细胞分析等方面。新方法不断涌现，如建立新的分离模式和联用技术是最为突出的一种方法。CE-MS、CE-NMR等定性分析已成为现实。新方法的研究已取得很大的进展，如阵列毛细管电泳（CAE）、亲和毛细管电泳（ACE）、芯片毛细管电泳（CCE）等。微型化的超速（秒级）电泳技术已出现。,9.3.2 基本理论,1 双电层2 电泳速度3 电渗4 淌度5 分离效率6 分离度,1 双电层,固体与液体相接触时，固体表面分子离解或表面吸附溶

17、液中离子，在固液界面形成双电层。如熔融二氧化硅（简称熔硅）毛细管，已经证明，在碱性和微碱性（pH 2.5）溶液中，熔硅表面的硅羟基（Si-OH）电离成SiO-，使表面带负电荷，负电荷表面在溶液中积聚相反电荷的对离子，形成双电层。按照近代双电层理论，在双电层溶液一侧由两层组成，第一层为吸附层（stern层），第二层为扩散层。吸附层与固体表面接触的部分是脱水的，外面及扩散层离子均以水化离子的形式存在。,2 电泳速度,荷电粒子在电泳过程中的速度为电泳速度用 n 表示。对于球形粒子：对于棒状粒子： q-有效电荷；E-电场强度；h-介质粘度；r-表观动力学半径（与带电粒子的有效半径有关）,2 电泳速度,

18、由于电泳速度与外加电场强度有关，不便于比较带电粒子的电泳特性，所以在电泳中常用迁移率（mobility）来描述荷电粒子的电流行为和特性，其定义为：单位场强下离子的平均电泳速度，用mep表示。 mep = n /E,3 电渗流(electroosmotic flow, EoF),在毛细管中，电渗流指的是体相溶液（电介质溶液）在外加电场作用下，整体朝一个方向运动的现象，是伴随电泳产生的一种电动现象。）电渗流的产生 处于扩散层中的阳离子，在负电荷表面形成一个圆筒形的阳离子鞘，在外电场作用下向阴极运动，由于这些阳离子是溶剂化的，因此带着溶剂一齐向阴极迁移（引起电介质溶液从毛细管一端向另一端移动），形成

19、电渗流。,3 电渗流(electroosmotic flow, EoF),）电渗流的速度及影响因素 ueo -电渗流的速度h -介质粘度 e0 真空介电常数 e 介质介电常数x w毛细管壁上的电势用淌度表示为：Ueo = ueo/E,3 电渗流(electroosmotic flow, EoF),）电渗流的速度及影响因素 影响电渗流的因素有： a) 电场强度； b) 毛细管材料； c) 溶液的pH值； d) 电介质溶液的成分； e) 温度； f) 添加剂 在毛细管电泳中，通过控制电渗流的大小和方向可以优化分离条件。,影响电渗流的因素,a) 电场强度 电场强度大，电渗流速度快且在一定范围内，呈线

20、性增加，但外加电压太高，电渗流速度的增加偏离线性。这是由于外加电压太高，毛细管不能有效地散失产生的焦耳热，导致温度升高，介质粘度小，扩散层厚度增大。,影响电渗流的因素,b) 毛细管材料 不同材料做成的毛细管（如聚四氟乙烯、石英、玻璃），电渗流速度不同。因为不同材料表面电荷特性不同， x w大小不同。,影响电渗流的因素,c) 溶液的pH值 pH值对电渗流的影响也是通过改变毛细管表面特性即x w而起作用的。如当pH值较高时，熔硅表面硅羟基（Si-OH）中的H+电离程度大，形成SiO- 多，负电荷密度大， x w大，电渗流速度大；当pH值较低时，熔硅表面硅羟基（Si-OH）中的H+电离程度受到抑制，

21、形成SiO- 少，负电荷密度小， x w电势低，电渗流速度慢。,影响电渗流的因素,d) 电介质溶液的成分 电介质溶液的成分不同，吸附在管壁上的离子对的性质并不相同，导致x w电势不同，影响电渗流速度；成分相同的电介质溶液，浓度不同，也会影响电渗流速度，如浓度大的电介质溶液，双电层厚度薄， x w电势低，电渗流速度慢。,影响电渗流的因素,e) 温度 当温度升高时，溶液粘度降低，电渗流速度增加。,影响电渗流的因素,f) 添加剂 在电介质中加入添加剂，可改变电渗流速度及方向。例如加入中性盐（如K2SO4），可使双电层厚度变薄，电渗流速度减小；加入两性离子，可增加溶液的粘度，电渗流速度减小；此外，加入

22、某些表面活性剂，可改变电渗流方向。,3 电渗流(electroosmotic flow, EoF),）电渗流在毛细管电泳分离中的重要作用 a）在多数情况下，电渗流速度比电泳速度快57倍，因此，在毛细管电泳中利用电渗流可将正负离子和中性分子一起朝一个方向（如阳极）产生差速迁移，在一次毛细管电泳操作中同时完成正负离子的分离分析。如淌度大，并且与电渗流同时迁移的组分，速度快先到达检测器；淌度大，电渗流反向迁移的组分，迁移速度慢，后到达检测器。,3 电渗流(electroosmotic flow, EoF),）电渗流在毛细管电泳分离中的重要作用 b）电渗流呈扁平流型或称“塞流”，不会引起样品区带增宽，

23、得到的溶质区带（谱峰）窄，这是毛细管获得高分离度的重要原因之一。而靠外部泵产生的液流如高压液相色谱的流型是呈抛物线状的层流，得到的样品区带宽。,4 迁移率,淌度在电泳技术中有重要意义，因为电泳分离的基础实际上是建立在各分离组分有效淌度的差异上。）绝对迁移率（mab）有效迁移速度（ uef ）和有效迁移率（ mef ）表观迁移速度（ uap ）和表观迁移率（ map ）,）绝对淌度（mab）,绝对迁移率为无限稀释时单位电场强度下离子的平均迁移速度，是该离子在一定溶液中的一个特征的物理常数。绝对迁移率在手册中可查到。,）有效迁移速度（ uef ）和有效迁移率（ mef,有效迁移速度（ uef ）

24、为进样端至检测窗口的长度即毛细管的有效长度，小于毛细管的总长度；tm为离子迁移这一段距离所需的时间，称迁移时间或保留时间。有效淌度（ mef ） V为毛细管两端施加的总电压；L为毛细管的总长度。,）表观迁移速度（ uap ）和表观迁移率（ map ）,在毛细管电泳分离中，电渗流与电泳并存，是伴随电泳而产生的电动现象，因此在电渗流存在下，不考虑它们的相互作用时测得的离子迁移速度应是电泳和电渗流两个速度的矢量和。表观迁移速度（ uap ）： uap = uef + ueo 表观迁移率（ map ）： map = mef + meo = （uef + ueo ）/E,5 分离效率,毛细管分离效率用理

25、论踏板数（N）表示， N值越大，分离效率越高。当两组分达到完全分离时（两组分的分离度Rs = 1），根据色谱理论，理论塔板数的表达式如下：D-溶质的扩散系数,5 分离效率,从上式可见，影响分离效率的因素有： a) 毛细管两端所施加电压。V越大，N越大。 b) 电渗流的速度。电渗流的速度大，分离效率高，因为溶质在柱中的停留时间短。 c) 溶质的扩散系数。扩散系数小的分离效率高，如DNA等生物大分子用毛细管电泳分离时，有较高的分离效率。,6 分离度,分离度亦称分辨率，是指将淌度相近的两组分分开的能力，用Rs表示。 将影响N的因素带入上式，由于电渗流与电泳并存，应该用mef + meo 代替mef,

26、6 分离度,影响分离度的因素有： a) 外加电压。 b) 有效柱长于毛细管总长度之比。 c) 两组分有效淌度之差。 d) 电渗流速度。 mef + meo 小，分离度大，迁移时间变长。 e) 溶质的扩散系数。,9.3.3 毛细管电泳仪器装置,1 基本装置结构示意图2 进样系统3 分离系统4 检测系统5 数据记录与处理,1 高效毛细管电泳的基本仪器结构,HV-高压电源； Pt-铂电极； DA-数据采集处理系统；C-毛细管；D-柱检测器；E-电极槽；S-样品,1 高效毛细管电泳的基本仪器结构,以毛细管区带电泳（CZE）为例，其分离过程为： 毛细管内充有相同组分和相同浓度的背景电解质溶液（通常是缓冲

27、溶液），样品从毛细管一端（进样端）导入。当毛细管两端加上一定电压后，带电溶质便朝与电荷极性相反的电极方向移动，由于样品组分的迁移速度不同，因而经过一定时间后，各组分将按其速度大小顺序，依次到达检测器检出，得到按时间分布的电泳谱图。用谱峰的迁移时间（tm）或保留时间（tr）进行定性分析，谱峰的高度和面积进行定量分析。,2 进样系统,（1）流体动力进样（2）电动进样（3）电堆集富集,3 分离系统,（1）单分子层化学键合型毛细管电泳柱（2）物理吸附涂层（3）化学键合的高分子交联涂层,4 检测系统,（1）紫外检测器（2）荧光检测器（3）电化学检测器（4）间接检测（5）质谱检测器（6）化学发光检测,5

28、数据记录与处理,记录仪、积分仪、计算机,9.3.4 毛细管电泳的操作方式及应用,1 操作方式2 应用,1 操作方式,（1） 基本操作条件的选择步骤 了解欲分离样品的类型、来源、组成及性质； 根据分离样品的性质和来源，选择分离模式，如无样品信息，可选择CZE； 根据样品的性质确定检测方法，首选紫外检测； 确定样品的处理方式，包括衍生方案以及离心或过滤蛋白等；根据样品解离常数算出最佳pH值；根据所需pH值构建缓冲体系；优化其它参数； 确定是否需要使用添加剂或使用非水溶液；确定是否换用其它分离模式。,2 应用,有机物、生物大分子等。,（2）毛细管电泳模式的选定,毛细管区带电泳（CZE）胶束电动毛细管

29、色谱（MECC）毛细管凝胶电泳（CGE）,毛细管区带电泳（CZE）,毛细管区带电泳是基于溶质的有效淌度的差异而进行分离的方法。只能用于离子型化合物的分离。如有机酸根离子的分离和蛋白质、肽、核酸（DNA、RNA）等生物大分子的分离分析。,胶束电动毛细管色谱（MECC）,a） 分离机理b） 特点 c） 应用,胶束电动毛细管色谱（MECC）,a） 分离机理 胶束电动毛细管色谱是将电泳技术和色谱技术巧妙结合起来的一种分离技术。在电泳缓冲溶液中加入表面活性剂，当溶液中的表面活性剂浓度超过临界胶束浓度时，表面活性剂之间的疏水集团凝聚在一起形成胶束（称假固定相），溶质在水相（导电的水溶液）和胶束相（带电的离

30、子胶束）之间进行分配，溶质的迁移速度取决于它在两相间的分配系数。溶质中各组分由于在水相和胶束相之间的分配系数不同导致迁移速度不同从而得到分离。,胶束电动毛细管色谱（MECC）,在电场作用下，电渗流流向阴极，离子胶束依其电荷极性不同，移向阳极或阴极。如十二烷基磺酸钠（SDS）胶束，表面带负电荷，泳动方向与电渗流方向相反，即朝阳极方向移动。在大多数情况下，电渗流速度大于胶束电泳速度，所以，胶束的实际移动方向和电渗流方向相同，朝阴极运动。,a 分离机理,胶束电动毛细管色谱（MECC）,中性溶质在两相中进行分配。在电解质-胶束体系中，中性溶质的有效电泳淌度取决于它在两相中的分配， Uef(n) = n

31、mc/naq + nmc Uef(mc) 式中，Uef(n) 中性溶质的有效淌度；nmc溶质进入胶束的量；naq 溶质进入水中的量；Uef(mc) 胶束的有效淌度。疏水性较强的溶质与胶束的作用较强，分配系数大，结合到胶束中的溶质较多也较稳定。,a 分离机理,胶束电动毛细管色谱（MECC）,当离子胶束速度小于电渗流速度，且迁移方向与电渗流相反，疏水性较强的溶质迁移速度慢；疏水性较弱的溶质迁移速度快，未结合的溶质随电渗流流出，速度最快。因此，中性溶质按其疏水性不同，在两相中的分配系数不同而得到分离。,a 分离机理,胶束电动毛细管色谱（MECC）,b） 特点优点：）除能分离离子型化合物外，还能分离不

32、带电荷的中性化合物；）很快且很容易地通过改变流动相和胶束相的组成来提高分离的选择性。缺点：其局限是只能对分子量小于500的样品分子进行分离分析，而CZE无此限制。,胶束电动毛细管色谱（MECC）,c） 应用 ）分离分析离子型化合物 ）分离分析不带电荷的中性化合物。例如可口服片剂中VB3、VB12、Vc、VB6、VB1的分离分析，其中呈电中性的VB3、VB12 用CZE分离不开；土豆中农药残留量的分离分析；利用手性胶束（手性表面活性剂形成的胶束）分离对应体药物；多环芳香化合物的分离。,毛细管凝胶电泳（CGE）,a） 分离机理 b） 凝胶的物化性能 c） 特点 d） 应用,毛细管凝胶电泳（CGE）

33、,a） 分离机理 在毛细管内充入凝胶或其它筛分（具有分子筛性能）介质，利用溶质中各组分在凝胶中的淌度不同而将它们分离，这种分离模式也只能分离离子型化合物，不能分离中性化合物。,毛细管凝胶电泳（CGE）,b） 凝胶的物化性能 以应用较多的交联聚丙烯胺（CPAEG）凝胶为例，该凝胶具有三维网状多孔结构；透明而不溶于水；不带带电基团呈中性；无吸附作用。在毛细管中具有抗对流，减小溶质扩散、阻挡毛细管壁对溶质的吸附和消除电渗流等作用。此外，三维网状多孔结构还具有具有分子筛效应，是一种性能优良的筛分介质。,毛细管凝胶电泳（CGE）,c） 特点 由于凝胶的上述优良性能，使得CGE具有两大突出特点：）具有超高

34、柱效。如CPAEG 可获得理论踏板数为3107/m的高分辨率，这是分离技术中所能达到的最高踏板数。 ）具有超高分离度，达到了可以分辨DNA片断单碱基的能力。,毛细管凝胶电泳（CGE）,d） 应用 ）核酸片断分析，如DNA点突变分析（分子中个别碱基的改变）。 DNA （脱氧核糖核酸）是含有生物遗传信息的重要生物分子，人类基因工程研究要求对DNA 进行高速、高效、高分辨分析，导致了核酸分离的迅速发展。用CGE分离模式可使含470个碱基对的核酸在100 min内得到完全分离。,d） 应用,）分离蛋白质。如鸡蛋卵清蛋白、牛血清白蛋白、牛碳酸脱水酶等分子量不同的蛋白质的分离，对于分子量的差异仅为4%的蛋

35、白质能获得很好的分辨。,（3）条件选择方法,电泳电压的选择电泳温度的选择毛细管及其洗涤进样与聚焦进样检测条件分离介质的选择,2 应用,检测、分离。, 9.4 电渗析分离法,电渗析分离法是粒子在电场作用下迁移和离子交换技术结合的一种方法。离子交换膜（ion exchange membrane）是电渗析器的主要部件，有“电渗析的心脏”之称。它是一种由高分子材料制成的具有离子交换基团的薄膜。在这里，离子交换膜的作用并不是起离子交换的作用，而是起着离子选择透过的作用，所以更确切地说应称之为“离子选择性透过膜”。,电渗析（ED）技术的发展概况,对电渗析的基本概念的研究是从19世纪50年代开始的。1854

36、年 Graham发现了渗析现象；1862年 Dubrunfant制成了第一个膜渗析器，并成功地进行了糖与盐的分离；1940年 Meyer和Strauss提出了具有实用意义的多隔室电渗析装置的概念；1950年 Juda试制成功了第一张具有选择透过性的阳、阴离子交换膜，奠定了ED技术的实用基础，ED技术得到迅速发展。1952年 美国Ionics公司制成了第一台电渗析装置；19541956年 英、美将ED首先应用于生产实践中，主要应用于苦咸水淡化、制备工业用水和饮用水，此后，ED 技术逐步被引入北非、南非以及中东地区。,1959年 前苏联开始研究和推广应用ED技术；1966年 美国Du Pont公司

37、研制全氟磺酸离子交换膜；1970年 日本将电渗析器用于苦咸水淡化；1972年 美国Ionics公司推出频繁倒极电渗析(EDR)装置；1974年 日本在野岛建造了日产饮用水120t的海水淡化ED装置；1982年 日本成功开发了全氟阴离子交换膜(AEM)；1991年 我国研制成功了无极水全自动控制ED器，以城市自来水为进水，单台多级多段配置，脱盐率为99%以上，原水利用率达70%以上。20世纪80年代中后期，常规ED技术在国外的发展进入了萎缩阶段，西欧已基本不用。,我国电渗析技术的发展概况,1958年 开始电渗析技术的研究；1960年代初 小型ED装置投入海上试验；1965年 在成昆铁路上安装了第

38、一台苦咸水淡化装置；1966年 开始工业化试生产聚乙烯异相离子交换膜，从此ED技术开始进入实用化阶段；1967年 异相离子交换膜投入生产，为电渗析技术的推广应用创造了条件；1970年代以来 ED技术发展较快，离子交换膜生产已具相当规模，全国共有44个膜品种，已商品化的有12类19种，并已具有相当高的水平。我国离子交换膜产量占世界第二。,一. 电渗析(Electrodialysis)过程原理,电渗析指在直流电场作用下，溶液中的荷电离子选择性地定向迁移，透过离子交换膜并得以去除的一种膜分离技术。采用电渗析过程脱除溶液中的离子，基于2个基本条件： 1）离子交换膜的选择透过性； 2）直流电场。,电渗析

39、过程原理,电渗析器中交替排列着许多阳膜和阴膜，分隔成小水室。当原水进入这些小室时，在直流电场的作用下，溶液中的离子就作定向迁移。阳膜只允许阳离子通过而把阴离子截留下来；阴膜只允许阴离子通过而把阳离子截留下来。结果使这些小室的一部分变成含离子很少的淡水室，出水称为淡水。而与淡水室相邻的小室则变成聚集大量离子的浓水室，出水称为浓水。从而使离子得到了分离和浓缩，水便得到了净化。,电渗析的基本原理,原理：阴阳离子交换膜对溶液中阴阳离子的选择透过性，而使溶液中的溶质与水分离的一种物理化学过程。阴膜只让阴离子穿过；阳膜只让阳离子穿过电极两侧会发生氧化还原反应阴极还原反应 2H+ + 2 eH2阴极室溶液呈

40、碱性结垢阳极氧化反应 4OH- O2 + 2H2O + 4e 阳极室溶液呈酸性腐蚀,电渗析过程示意图,直流电场的作用下，溶液中的离子作定向迁移；离子交换膜具有选择透过性；,淡水室和浓水室分别得到淡水和浓水,注意：在电渗析过程中，除了上述离子电迁移和电极反应两主要过程以外，同时还发生一系列次要过程，如下所述。（1）反离子的迁移离子交换膜的选择性不可能达到100，少量电荷相反的离子透过膜，即阴离子透过阳膜，阳离子透过阴膜。当膜的选择性固定后，随着浓室盐浓度增加，这种反离子迁移影响加大。（2）电解质浓差扩散膜两侧溶液浓度不同，在浓度差作用下，电解质由浓室向淡室扩散，扩散速度随浓度差的增高而增长。 （

41、3）水的渗透由于浓、淡水室存在浓度差，又是由半透膜隔开，在水的渗透压作用下，水由淡水室向浓水室渗透。浓度差愈大，水的渗透量也愈大。 （4）水的电渗透溶液中离子实际上都是以水合离子形式存在，在其电迁移过程中必然携带一定数量的水分子迁移，这就是水的电渗透。随着溶液浓度的降低，水的电渗透量急骤增加。,（5）水的电离在不利的操作条件下，由于电流密度与液体流速不匹配，电解质离子未能及时地补充到膜的表面，而造成膜的淡水侧发生放的电离，生成H+和OH-离子，以补充淡水侧离子之不足。 综上所述，电修析器在运行时，同时发生着多种复杂过程。主要过程是电渗析处理所希望的，而次要过程却对处理不利。例如，反离子迁移和电

42、解质浓差扩散将降低除盐效果；水的渗透、电渗和压渗会降低淡水产量和浓缩效果；水的电离会使耗电量增加，导致浓水室极化结垢等。因此，在电渗析器的设计和操作中，必须设法消除或改善这些次要过程的不利影响。,极化与极限电流浓度,电渗析过程中，膜内反离子的迁移数大于溶液中的迁移数，从而造成淡水室中在膜与溶液的界面处形成离子亏空现象，当操作电流密度增大到一定程度时，主体溶液内的离子不能迅速补充到膜的界面上，从而迫使水分子电离产生H+和OH来负载电流，这就是电渗析的极化现象。 电流密度是指单位面积膜通过的电流，使水分子产生离解反应时的操作电流密度称为极限电流密度。,电渗析的极化现象对电渗析的运行有很大影响：（1

43、）极化时一部分电能消耗在水的电离上，使电流效率下降；（2）极化时，在浓水侧的阴膜界面上形成沉淀会堵塞水流通道。（3）由于沉淀和结垢的影响，膜性能发生变化，机械强度下降，膜电阻增大，缩短了膜的使用寿命。为了避免极化和结垢，目前采用的措施包括：（1）控制工作电流密度在极限电流密度下运行；（2）定时倒换电极；（3）定期酸洗。,电渗析装置示意动画,电渗析膜(离子交换膜)1.分类-按活性基团不同(1)阳离子交换膜离解出阳离子(含酸性活性基团),选择性地通过阳离子,拒绝阴离子. 磺酸基(SO3H)、磷酸基(PO3H2)、羧酸基(COOH)、等。 (2)阴离子交换膜离解出阴离子(含碱性活性基团),选择性地通

44、过阴离子,拒绝阳离子. 季胺基N(CH3)2OH、伯胺基(NH2)、仲胺基(NHR)等。 (3)特殊离子交换一张阳膜和一张阴膜复合而成. 某些离子具有高选择性；在阳膜或阴膜表面上再涂一层阴或阳离子交换树脂就得到表面涂层膜，如在苯乙烯磺酸型阳膜的表面再薄薄地涂上一层酚酸磷酸树脂膜，得到的膜对一价阳离子有较好的选择性，而且有阻止二价阳离子透过的性能。,离子交换膜的制备,一、异相膜的制备 把粉状树脂与胶粘剂混合后制成片状膜。具体方法有：延压和模压法溶液型胶粘剂法离子型交换树脂法二、半均相膜的制备 先用胶粘剂吸浸单体进行聚合，然后导入活性交换基团制成含胶粘剂的热塑性离子交换树脂。,三、均相膜的制备 实

45、际上是直接使离子交换树脂薄膜化。大致过程为：膜材料的合成反应过程、成膜过程、引入可反应基团、与反应基团发生作用形成荷电基团。四、新型离子交换膜双极膜复合膜，即由具有两种相反电荷的离子交换层紧密相邻或结合而成的新型离子交换膜。螯合膜其膜上具有两个或两个以上对金属离子有很大亲和力的官能团。,双极膜（Bipolar membranes）,双极性膜由层压在一起的阳离子交换膜、阴离子交换膜及两层膜之间的中间层构成。当在阳极和阴极间施加电压时，电荷通过离子进行传递，如果没有离子存在，则电流将由水解离出来的OH-和H+传递。,离子交换膜的主要性能,交换容量每克干膜所含活性基团的毫克当量数含水量指膜内与活性基

46、团结合的水，以每克干膜所含水的质量（克）来表示（%）。膜电阻影响到ED器所需的电压和电耗。常用面电阻表示。选择透过度以某一种离子在膜内的迁移量与全部离子在膜内迁移量的比值来表示。,电渗析器,主要由极区、膜堆和夹紧装置构成。极区分为阳极区和阴极区，分别位于电渗析器两侧，包括电极和极水隔板。电极与直流电源相连，为电渗析器供电。膜堆位于电渗析器的中间，由若干膜对构成，一个膜对由阴阳离子交换膜和两个隔板交替构成，在膜和隔板上开有若干个孔，当膜和隔板多层重叠时，这些孔便成了浓/淡室液流的通道，分别与浓/淡室相通。有时为了密封，各隔板与膜之间加塑料或橡胶垫片。电渗析器的最外侧用不锈钢、铸铁或厚塑料板夹紧。

47、,电渗析技术的特点,能耗低 在除盐过程中，只是用电能来迁移水中的盐分，而大量的水不发生相的变化。尤其适用于苦咸水淡化；药剂耗量少，环境污染小 仅在酸洗是时消耗少量酸；对原水含盐量变化适应性强 可按需要进行调节，根据一台ED器中的段数、级数或多台ED器的串联、并联或不同除盐方式（直流式、循环式或部分循环式）来适应；操作简单，易于实现机械化、自动化；设备紧凑耐用，预处理简单 预处理一般经砂滤即可；水的利用率高 ED器运行时，浓水和极水可循环使用，水的利用度可达70%80%，国外可高达90%左右。,不足之处：只能除去水的盐分，而不能除去其中的有机物，某些高价离子和有机物还会污染膜；易发生浓差极化而产

48、生结垢（用EDR可以避免）；与反渗透（RO）相比，脱盐率较低，装置比较庞大且组装要求高，因此它的发展不如RO快。,电渗析技术的特点（续）,电渗析技术的应用,最主要的用途是由苦咸水淡化生产饮用水；放射性废液处理；牛乳、乳清脱盐；氨基酸脱盐；海水浓缩；电镀废液中Ni和H2SO4回收；同位素、同价离子分离；酸的回收；果汁脱酸改性；无机和有机药品制备酸/碱的制备,脱盐或纯化,浓缩或分离,置换,水解, 9.5 化学修饰电极分离富集法,化学修饰电极（chemically modified electode） 化学修饰电极是20世纪70年代中期发展起来的一门新兴的、也是目前最活跃的电化学和电分析化学的前沿领

49、域。化学修饰电极是在电极表面进行分子设计，将具有优良化学性质的分子、离子、聚合物以化学薄膜的形式固定在电极表面，使电极具有某种特定的化学和电化学性质。化学修饰电极扩展了电化学的研究领域，目前已应用于生命、环境、能源、分析、电子以及材料学等诸多方面。,化学修饰电极分离富集,通过化学、物理化学的方法对电机表面进行修饰，在电机表面形成某中微结构，赋予电极某种特定性质，可以选择性地在电极表面上进行期望的氧化还原反应。化学修饰电极表面微结构提供多种利用的势场，使待测物进行有效的分离富集，借控制电极电势进一步提高选择性，并且将测定方法的灵敏度和化学反应的选择性相结合。是一种融分离、富集和测定三者为一体，有

50、广阔前景的分离分析方法。,基于微结构的性质，电极上的修饰层可分为三种类型： 修饰单层 修饰均相复层 修饰有粒界的厚层,修饰电极分离原理,修饰电极表面能对被测物进行富集分离是化学修饰电极用于分析测定的主要原因之一。被测物可通过与电极表面修饰的化学功能团发生配合、离子交换、共价键合等反应而被富集分离，这种方法包括富集、检测、再生等一系列步骤。除由于富集而具有较高的灵敏度外，还由于修饰剂与被测物间的相互作用增加了选择性。,在富集、分离过程中，被测物通过化学反应在其稀的水溶液和修饰层间进行分配。为了获得灵敏、方便与选择性的测定，采用化学修饰电极作为富集表面有如下几点要求： 首先，富集步骤对被测物应是选