《离子交换层析》课件.ppt

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1、项目二 离子交换层析,模块五 层 析,一、认识离子交换层析,离子交换层析是用离子交换剂（具有离子交换性能的物质）作固定相，利用它与流动相中的离子能进行可逆的交换性质来分离离子型化合物的层析方法。即溶液中的离子同离子交换剂上功能基团交换反应的过程。,（一）离子交换层析,在软水器内装有Na型阳离子交换树脂，含Ca2+的原水流经软水器进入Na型阳离子交换树脂层，因Ca2+与树脂的亲和力比Na+强，所以Ca2+能被Na型阳离子交换树脂吸着，而能将Na型阳离子交换树脂上的Na+置换出来，软水器下面流出来的即为去Ca2+的软化水。这一过程即为离子交换层析过程。,实例,图5-17 水的软化流程,离子交换剂（

2、离子交换层析介质、离子交换树脂）在惰性载体上引入带有电荷的活性基团 即离子交换剂。按活性功能基团带电荷性质不同阳离子交换剂 带负电荷，与阳离子交换阴离子交换剂 带正电荷，与阴离子交换,一、认识离子交换层析,（一）离子交换层析,(1)选择性高 可以选择合适的离子交换树脂和操作条件，使对所处理的离子具有较高的选择性。或根据所带电荷性质、化合价数、电离程度的不同，将离子混合物加以分离。(2)适应性强 处理对象从痕量物质到工业制备，范围极其广泛，尤其适用于从大量样品浓集微量物质。(3)多相操作，分离容易 由于离子交换是在固相和液相间操作，通过交换树脂后，固、液相已实现分离，故易于操作，便于维护。带有正

3、电荷的称之为阴离子交换树脂，而带有负电荷的称之为阳离子树脂。固定相是具有固定离子的树脂。由于电中性的要求，固定离子吸引等量电荷的反号离子。反号离子则因与固定离子亲和力大小的不同而分离。某些无机物也可作为离子交换剂。,（二）离子交换层析的特点,(4)需再生 离子交换剂在使用后，其性能逐渐消失，需经酸、碱再生而恢复使用，同时也将被分离组分洗脱出来。(5)离子交换反应是定量的 离子交换是溶液中被分离组分与离子交换剂中可交换离子进行离子置换反应的过程，且离子交换反应是定量进行的，即有Imol的离子被离子交换剂吸附，就必然有Imol的另一同性离子从离子交换剂中释放出来。,（二）离子交换层析的特点,二、离

4、子交换层析的知识准备,（一）离子交换层析原理,实例 盐酸与钠型树脂发生交换：在通过一定量盐酸溶液后，柱上端已为盐酸所饱和，而下端仍然是钠型。柱上端溶液中氢离子的浓度已同进入料液中氢离子的浓度 c0 相等，而柱下端溶液中的氢离子浓度却极低（理论上虽不能认为等于零，但实际上可作零处理）。在中间区域，无论在树脂相中还是在溶液中，Na+和 H+都是并存的，但溶液中 H+的浓度 c 沿柱的方向由c0逐渐变化至零。可以把中间这个区域称作工作区，其上部是饱和区，下部是未用区。,带电荷量少，亲和力小的先被洗脱下来，带电荷量多，亲和力大的后被洗脱下来。,二、离子交换层析的知识准备,（一）离子交换层析原理,二、离

5、子交换层析的知识准备,（一）离子交换层析原理,穿透曲线：图中比值c/c0开始从零上升的点，过了穿透点之后，c/c0值呈S形曲线上升，最后达到1.0，表明柱上所有Na+已被H+置换完毕。由于穿透在离子交换操作中非常重要，所以这样的曲线常称作穿透曲线。,穿透点：工作区已达到柱下端的信号，这一点叫作H+的穿透点,流出体积a也称穿透体积，它代表的容量称穿透容量。在穿透曲线为对称的情况下，体积b代表柱在该工作条件下的工作容量。,二、离子交换层析的知识准备,（一）离子交换层析原理,柱的利用率：亦即柱的容量对于一个交换过程能发挥的程度 柱的利用率与a、b及柱中树脂层高H的关系为：,要提高柱的利用率就要减小(

6、b-a)，即压缩工作区的高度，增大穿透曲线的陡度。,五个步骤：,二、离子交换层析的知识准备,（一）离子交换层析原理,(1)溶液中的离子向交换剂的表面扩散，在均匀的溶液中此步骤进行的速率较快。(2)溶液中离子进入交换剂颗粒内部，通过孔道向带电部位扩散，此扩散速率的大小受离子与孔道的相对大小的限制，对于尺寸较大的离子，扩散速率要慢一点，这一步骤是影响离子交换反应速率的主要因素。(3)离子在颗粒的带电部位进行交换，此步骤可在瞬间完成。(4)被交换下来的反离子扩散到交换剂颗粒的表面。(5)这些离子从交换剂的表面扩散到溶液中。,二、离子交换层析的知识准备,（二）离子交换层析介质的结构,三部分组成：,第一

7、部分 是交联的三维网状骨架，称为母体结构；,第二部分 是固定在骨架上的功能基团，是带电基团，表示出离子 交换层析介质的基本性能；,第三部分 是与功能基团带相反电荷、可移动、能进行交换的活动离子。这种可移动的活动离子称为反离子或抗衡离子或平衡离子，与 骨架上固定基团的电荷极性相反，二者之间以静电力相结合，同时反离子可与溶液中带同种电荷的离子进行离子交换反应，且这种交换反应是可逆的，在一定的条件下被交换的离子可以“解吸”，使离子交换层析介质又恢复到原来的离子形态，所以 离子交换层析介质通过交换或再生可以反夏使用。,二、离子交换层析的知识准备,（三）离子交换层析介质的分类,依据树脂功能基的类别：1.

8、离子交换树脂：主要有聚苯乙烯树脂苯乙烯+二乙烯苯 聚苯乙烯（单体）（交联剂）二乙烯苯交联度=100%苯乙烯+二乙烯苯,二、离子交换层析的知识准备,（三）离子交换层析介质的分类,交联度大，网孔变小，大分子量的离子不能进入树脂颗粒内发生离子交换。在不影响分离的情况下，以采用交联度较高的树脂为好，这样可以提高树脂对离子的选择性。,二、离子交换层析的知识准备,（三）离子交换层析介质的分类,树脂resin（据所含交换基团的性质分）阳离子交换树脂 强酸型 含磺酸基团(R-SO3H)中等酸型 含磷酸基团(-O-PO2H4)弱酸型 含酚基、羧基阴离子交换树脂 强碱型 含季胺基团-N+(CH3)3 弱碱型 含叔

9、胺、伯胺基团-N(CH3)2 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。,二、离子交换层析的知识准备,（三）离子交换层析介质的分类,2.离子交换纤维素阴离子交换纤维素 如:DEAE-纤维素 pH8.6以下分离中性或酸性物质,具二乙胺乙基阳离子交换纤维素如:CM-纤维素 一般pH4条件下使用,具有羧甲基,二、离子交换层析的知识准备,（三）离子交换层析介质的分类,3.离子交换凝胶 分离大分子物质如：葡聚糖（Sephadex）、聚丙烯酰胺（PAG）、琼脂糖（Sepharose）,二、离子交换层析的知识准备,（三）离子交换层析介质的分类,4.其他类型树脂螯合性树脂：此类树脂功能基为胺羧-N

10、(CH2COOH)2氧化还原性树脂 此类树脂功能基具氧化还原能力，如硫醇基(-CH2SH)、对苯二酚基等两性树脂 此类树脂同时具有阴离子交换基团和阳离子交换基团,二、离子交换层析的知识准备,（三）离子交换层析介质的分类,二、离子交换层析的知识准备,（四）离子交换层析介质的选用,离子交换层析介质的要求是：交换容量高，以满足较大规模的生产的求；选择性好；再生容易；机械强度高，不易磨损破裂，能适合高流速的需要；化学与热稳定性好，在很宽的pH范围内保持稳定，耐有机溶剂，耐高温；具有亲水性，至少在颗粒的表面是亲水的；价格低。,1.离子交换剂的选择原则：根据被分离产物所带电荷种类、分子大小、物理化学性质等

11、因素选择适宜的离子交换层析介质，包括选择适宜的功能基团。即：根据被分离物质的性质选择同一性质离子交换剂中选用对被分离物质各组分之间结合力差异大的型号交换剂，以保证通过离子交换层析后能得到比较满意的结果。,二、离子交换层析的知识准备,（四）离子交换层析介质的选用,对离子交换剂电荷基团的选择考虑因素：(1)被分离物质带何种电荷(2)被分离物质分子的大小 强酸或强碱型分离一些小分子物质或在极端pH值下的分离。弱酸或弱碱型分离蛋白质等大分子。(3)被分离物质所处的环境(4)被分离物质的物理化学性质(5)被分离物质的大概数量,二、离子交换层析的知识准备,（四）离子交换层析介质的选用,对离子交换剂基质的选

12、择 考虑因素：(1)疏水性较强的离子交换剂：一般常用于分离小分 子物质；(2)亲水性较强的离子交换剂：适合于分离蛋白质等 大分子物质。(3)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。(4)葡聚糖离子交换剂：分辨率和价格适中，但受外 界影响较大。(5)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。,二、离子交换层析的知识准备,（四）离子交换层析介质的选用,根据分离过程的实验条件 强酸强碱应用广泛(pH范围广)弱酸型只能在碱性pH范围内使用 弱碱型只能在酸性pH范围内使用,2.缓冲液的选择原则：不能发生化学反应，所带电荷应与样品一致。避免使样品

13、变性,二、离子交换层析的知识准备,（四）离子交换层析介质的选用,3.洗脱剂 原则：(1)所用洗脱液比吸着物质具有更活 泼的离子或基团(2)改变pH或离子强度 增强洗脱液与离子交换剂的结合力降低分离物与离子交换剂的结合力 洗脱方式：梯度洗脱,二、离子交换层析的知识准备,（四）离子交换层析介质的选用,4离子交换层析介质粒度的大小 颗粒较细，交换速率快，交换过程达到平衡的时间也快；颗粒较粗，交换速率慢，交换过程达到平衡的时间也慢；离子交换层析介质柱容易流穿。,二、离子交换层析的知识准备,（四）离子交换层析介质的选用,5再生剂的消耗 强酸、强碱型：较多的再生剂；弱酸、弱碱型：理论量的酸或碱就可；再生剂

14、的消耗量对弱型的阳离子交换层析介质的离子交换操作的影响较小。应控制再生剂的消耗量。,二、离子交换层析的知识准备,（四）离子交换层析介质的选用,（五）离子交换层析介质的制备,1苯乙烯系列的制备 以聚苯乙烯类为母体结构，经过功能基团化后，可以衍生出多种不同类型的离子交换层析介质。,聚苯乙烯类离子交换剂,2丙烯酸系列的制备 丙烯酸类的离子交换层析介质具有交换容量高、抗有机污染强、易于再生等优点。通过多种功能化反应可衍生出弱酸性、弱碱性及强碱性等多种离子交换层析介质。,丙烯酸甲酯系列离子交换层析介质,3丙烯腈系列的制备 丙烯腈是一种具有化学活性的单体，具有较高的交换容量，对蛋白质有良好的分离能力，并有

15、一定的抗污染能力，且易于再生。,丙烯腈系列离子交换层析介质的合成路线,4多糖类系列的制备高亲水性，与生物大分子良好的相容性及网状结构，使其成为应用广泛的分离材料。,多糖类离子交换层析介质的合成路线。,二、离子交换层析的知识准备,（六）离子交换剂的物理化学性质,1粒度：颗粒直径的大小。一般在0.3300ym范围内。颗粒越小，交换的容量变小，压力增大，流速下降；颗粒越大，离子交换剂的柱高对应的理论塔板数就越小，分离效果就越差，但交换的容量得以提高，压力减小。颗粒直径越均匀，分离效果越好。,2交联度和网孔结构通过交联剂将线型大分子交联形成网孔状颗粒。交联度大，离子交换层析介质的结构紧密，孔径小，溶胀

16、度 就小，选择性就高，稳定性也好；交联度低，网孔的孔径越大。孔径大小直接影响着被分离的分子能否进入颗粒的内部，与颗 粒内部的功能基团结合。,4密度离子交换剂的真体积V真；离子交换剂的空间体积V视,5溶胀性(膨胀度)绝对膨胀：度干燥的离子交换剂接触溶剂后的体积变化。相对膨胀度或转型膨胀度：湿的离子交换剂从一种离子形态转 变为另一种离子形态时的体积变化。膨胀度与其交联度、交联结构、基团及反离子的种类有关，交 联度大，膨胀度小。一些弱酸性和弱碱性的离子交换层析介质的膨胀度较大。,6稳定性机械稳定性：离子交换剂在各种机械力的作用下抵抗破碎的 能力。热稳定性：一般要求离子交换层析介质具有一定的热稳定性，

17、避免受热分解，要求耐温达120。化学稳定性：离子交换剂抗氧化剂和各种溶剂、试剂的能力。,7酸碱性 离子交换层析介质是聚电解质，其官能团释放出H+或OH-能力的不同表示它们的酸碱性的不同。离子交换层析介质可视为固态的酸或碱，用酸碱滴定的方法可以测出其酸碱性。,8交换容量交换容量：离子交换层析介质能够结合溶液中可交换离子的 能力。总交换容量（总离子容量或理论交换容量）：单位质量（或体 积）的离子交换层析介质中可以交换的化学基团 的总数。有效交换容量（或工作交换容量）：实际操作时，溶液中的某 种离子与离子交换剂中的离子进行交换的量，小于总交换容量。有效交换容量与离子交换层析介质的结构、溶液的组成、温

18、 度、流速及再生条件等操作因素有关。,9始漏量始漏点：流出液中出现未被交换的离子，这一工作点称为“始漏点”或“流穿点”。始漏量：到达始漏点时的交换柱的交换容量称为始漏量。达到始漏点，离子交换层析操作中的离子交换层析 介质并未被全部交换，所以其始漏量总是小于总交 换容量。离子交换操作过程式实际上只能进行到始漏点为止。,10选择性选择性：离子交换剂对不同反离子亲和力强弱的反映。亲和力强的离子选择性高，可取代亲和力弱的离子。一般在室温的低浓度溶液中高价离子的选择性好；对等价离子，选择性随原子序数的增加而增加；能与离子交换剂中固定离子 团形成键合作用的反离子具有较高的选择性。,三、离子交换层析设备,（

19、一）搅拌槽,（一）搅拌槽 搅拌槽是带有多孔支承板的筒形结构，离子交溶层析介质置于支承板上。操作时，将液体通入槽中，通气搅拌，使溶液与离子交换层析介质均匀混合，进行交换反应，待过程接近平衡时，停止搅拌，将溶液排出。,（二）固定床 目前应用最广。活塞式固定床 部分流化的活塞式固定床,（三）移动床 希金斯连续离子交换器由交换区、返洗区、脉动柱、再生区、清洗区组成的循环系统，这些区域彼此间以自动控制阀A、B、C、D分开。操作过程分两个阶段进行，即液体流动阶段和离子交换层析介质移动阶段。,Avco连续离子交换层析移动床离子交换装置，它的主体由反应区、清洗区和驱动区构成。介质连续地从下而上移动，在再生区、

20、清洗区和交换区分别与再生液、清洗液和原水逆流接触完成分离过程，离子交换层析介质的移动靠两个驱动器来完成。,（四）流化床 流化床离子交换设备，主要有柱形和多级段槽形，还可分为单层和多层两种。可以间歇操作，也可以连续操作。,四、离子交换层析操作,（一）树脂的处理 新的干树脂在使用前须用水浸泡使之充分溶胀，为除去杂质，还需经酸碱处理，,四、离子交换层析操作,（二）装柱装柱时要防止“节”和气泡的产生。“节”：柱内产生明显的分界线，是由于装柱不匀造成树脂时 松时紧；气泡：在装柱时没有一定量的液体覆盖而混入气体造成的。要做到均匀装柱，柱内要有一定高度的水面，树脂要与水混 合倾入，借助水的浮力使树脂自然沉积

21、，操作尽可能均匀连续。离子交换用的层析柱一般粗而短，不宜过长。直径和柱长比 一般在1:(1050)之间，层析柱安装要垂直。,四、离子交换层析操作,（三）通液目的：可以是吸附、洗涤、洗脱、再生等。速率 控制十分重要。流速可以通过计量泵、阀、闸、流量计、液位差 等手段调节。一般应寻求在质量保证下的最大流速。正确的流 速需要经试验确定。在实验室条件下，流速往往控制在12mL(cm2min)。,四、离子交换层析操作,（四）洗脱缓冲液常用梯度洗脱，通常有改变离子强度和改变pH值两种方式。(1)改变离子强度通常是在洗脱过程中逐步增大离子强度，从而使与离子交换剂结合的各个组分被洗脱下来；(2)改变pH值的洗

22、脱，对于阳离子交换剂一般是pH值从低到高洗脱，阴离子交换剂一般是pH值从高到诋。,洗脱液的选择(1)首先是要保证在整个洗脱液梯度范围内，所有待分离组分都是稳定的。(2)其次是要使结合在离子交换剂上的所有待分离组分在洗脱液梯度范围内都能够被洗脱下来。(3)另外可以使梯度范围尽量小一些，以提高分辨率。,四、离子交换层析操作,（五）洗脱速率洗脱速率通常要保持恒定。洗脱速率慢比快的分辨率要好，但不能过慢。要根据实际情况选择合适的洗脱速率。,（六）再生和保存树脂经过使用后欲使其恢复原状的操作就是再生。静态法再生是将树脂倾入容器内再生；动态法再生是在柱上通过淋洗再生。动态法简便实用，效率也高。要依据树脂失

23、效原因选择再生剂，在通常情况下仍是酸和碱，有时是中性盐。再生时流速比通液变换时要低。树脂中毒：其原因是被某些物质污染，致使交换容量下降，用 一般洗涤方法不能使其复原。树脂中毒后，需在一定阶段予以处理，以恢复交换能力。中毒 树脂的再生处理有时称为复活。,四、离子交换层析操作,（七）离子交换层析操作时的故障及处理,五、离子交换层析的工业应用实例,实践作业方式：静态交换和动态交换两类。静态交换是一种间歇式交换。将溶液和离子交换剂共同放入同一容器，利用振荡、搅拌、鼓气等方式令它们充分接触。在接近或达到平衡后，用倾析、过滤或离心等方法使固、液两相分离，然后分别处理。动态交换是指溶液与树脂层发生相对移动，包括固定床柱式交换和活动床的连续交换。活动床连续交换的特点是交换、再生、清洗等操作在交换装置的不同部位同时进行，床层不断按一定方式移动。这种方式效率高、连续化，但装置和操作要求复杂，树脂磨损也较大。实践中使用最多的是固定床柱式操作。它的效率比较高，操作简便，实用价值很大。,实例：1、水处理 2、稀土元素的分离,Separation of amino acids on a cation exchange column,在阳离子交换柱上的氨基酸的分离,ENDThank you,