第七章离子交换分离技术PPT讲稿.ppt

第七章离子交换分离技术第1页，共109页，编辑于2022年，星期二第一节 概述离子交换分离法：离子交换分离法：通过带电的溶质分子与离子交换剂中可交换的离子进行交换而分离纯化方法。其主要依赖电荷间的相互作用，利用带电分子中电荷的微小差异进行分离。即 离子交换色谱分离技术离子交换色谱分离技术：利用混合液中的离子与固定相中具有相同电荷例子的交换作用而进行分离的技术离子交换分离法主要应用离子交换分离法主要应用在抗生素、氨基酸、有机酸等小分子的提取分离。近年来在蛋白质等生物大分子的分离提取也有应用。第2页，共109页，编辑于2022年，星期二离子交换剂：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。离子交换剂由基质、荷电基团和反离子构成，离子交换剂由基质、荷电基团和反离子构成，能释放出反离子，同时它与溶液中的其他离子或离子化合物相互结合，结合后不改变本身和被结合离子或离子化合物的理化性质。第3页，共109页，编辑于2022年，星期二离子交换基质：离子交换基质：是一类表面带有可交换离子的功能高分子材料，如树脂、纤维素、葡聚糖、琼脂糖等，不溶于水也不溶于电解质溶液。在高分子基质表面结合了大量的功能基团，功能功能基团基团由固定在骨架上的荷电基团和可交换的离子两部分组成，两者所带电荷相反，以静电力结合。可进行交换的离子成为反离子或抗衡离子，反离子或抗衡离子，这种反离子可与溶液中带同种电荷的离子进行交换反应。第4页，共109页，编辑于2022年，星期二离子交换过程示意图离子交换过程示意图第5页，共109页，编辑于2022年，星期二离子交换分离法的特点离子交换分离法的特点分离效率高，选择性高。分离效率高，选择性高。适用范围广。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。操作简单，成本低。操作简单，成本低。液固两相分开，操作简单。方法的缺点是操作周期长。方法的缺点是操作周期长。第6页，共109页，编辑于2022年，星期二第二节 离子交换剂1.离子交换剂离子交换剂是常用的吸附剂之一，是用不溶性高分子物是常用的吸附剂之一，是用不溶性高分子物质（母体）上引入若干可解离基团（活性基团）而制成的质（母体）上引入若干可解离基团（活性基团）而制成的含有若干活性基团的不溶性高分子物质。含有若干活性基团的不溶性高分子物质。2.常见的离子吸附剂常见的离子吸附剂（1）离子交换树脂：离子交换树脂：其基质是人工合成的、与水结合力较小的树脂其基质是人工合成的、与水结合力较小的树脂物质；用于物质；用于生物小分子的回收与提取。生物小分子的回收与提取。（2）多糖基离子交换剂：多糖基离子交换剂：其基质是其基质是天然的或人工天然的或人工合成的、与水合成的、与水结合力较大的物质；用于结合力较大的物质；用于生物大分子的回收与提取。生物大分子的回收与提取。第7页，共109页，编辑于2022年，星期二一、离子交换剂基质（一）离子交换树脂（一）离子交换树脂离子交换树脂：离子交换树脂：以聚合物作为基质的离子交换剂。是固体球以聚合物作为基质的离子交换剂。是固体球形颗粒，形颗粒，多孔网状结构；多孔网状结构；不溶于水；具有离子交换特性的不溶于水；具有离子交换特性的有机高分子聚电解质。有机高分子聚电解质。第8页，共109页，编辑于2022年，星期二离子交换树脂结构骨架：骨架：接有功能基团，本身是惰性接有功能基团，本身是惰性功能基团：功能基团：连接在骨架连接在骨架上，可与相反上，可与相反离子结合离子结合待交换分子：待交换分子：在吸附阶段可与活性在吸附阶段可与活性离子交换，与骨架上的功能基团结离子交换，与骨架上的功能基团结合合活性离子：活性离子：与功能基团所带电荷相反与功能基团所带电荷相反的可移动的离子的可移动的离子第9页，共109页，编辑于2022年，星期二苯乙烯苯乙烯(单体单体)+二乙烯苯二乙烯苯(交联剂交联剂)母体母体共聚共聚H2SO4功功能能基基反反应应RSO3H固定离子固定离子 可交换离子可交换离子母体母体1.组成组成 离子交离子交换树脂换树脂母体母体(骨架骨架)活性基团活性基团固固定定离离子子可交换离子可交换离子第10页，共109页，编辑于2022年，星期二交联度：合成树脂时使用的交联剂在单体总量中所占质量分数交联剂含量百分数高：交联度高，树脂聚合较紧密，坚牢耐用，密度较高；内部孔隙度较少，对离子选择性较强，称为凝胶型树脂凝胶型树脂百分数低：交联度低，机械强度低，脆而易碎，密度较低；内部孔隙度大，对离子选择性较弱，称为大孔型树脂大孔型树脂第11页，共109页，编辑于2022年，星期二凝胶树脂遇水溶胀，水分子进入树脂的内部，产遇水溶胀，水分子进入树脂的内部，产生孔隙。生孔隙。内部孔径平均为内部孔径平均为2040，适用于离子，适用于离子半径半径4;酚基酚基pH9.5才具交换能力才具交换能力.第32页，共109页，编辑于2022年，星期二阴离子交换剂阴离子交换剂交换阴离子，活性基团为碱性。交换阴离子，活性基团为碱性。根据具有离子交换能力的根据具有离子交换能力的pH范围不同，分为范围不同，分为强碱性强碱性和弱碱性阴离子交换剂。和弱碱性阴离子交换剂。强碱性阴离子交换树脂（季铵基团）强碱性阴离子交换树脂（季铵基团）反应式：反应式：RNR3OHRNR3+OH-RNR3OH+Cl-RNR3+Cl-+OH-弱碱性阴离子交换树脂（伯胺，仲胺）弱碱性阴离子交换树脂（伯胺，仲胺）第33页，共109页，编辑于2022年，星期二主要离子交换基团及其结构主要离子交换基团及其结构阳离子交换剂阳离子交换剂第34页，共109页，编辑于2022年，星期二阴阴离离子子交交换换剂剂第35页，共109页，编辑于2022年，星期二可将离子交换树脂转变 第36页，共109页，编辑于2022年，星期二三、离子交换树脂的理化性能及其测定方法三、离子交换树脂的理化性能及其测定方法对树脂的一般要求：对树脂的一般要求：（1 1）机械强度：）机械强度：膨胀度大，交联度小的树脂强度差。（2 2）化学稳定性：）化学稳定性：主要指耐化学试剂、耐氧化、耐辐射的性能。（3 3）大小及形状：）大小及形状：制成球形，其直径为0.2-1.2mm。球形的优点是增大比表面积、提高机械强度和减少流体阻力。（4 4）色泽：）色泽：普通凝胶型树脂是透明的球珠，大孔树脂呈不透明的雾状球珠。随合成原料、工艺条件不同，树脂的颜色也有所不同，一般有黄、白、黄褐、红棕等几种颜色。第37页，共109页，编辑于2022年，星期二树脂理化性能树脂理化性能含水量颗粒度膨胀度树脂的密度滴定曲线离子交换容量第38页，共109页，编辑于2022年，星期二1.含水量定义定义：树脂颗粒在水中吸收水分达到平衡后用离心法在规定：树脂颗粒在水中吸收水分达到平衡后用离心法在规定转速和时间内除去外部水分，得到含平衡水的湿树脂，然后转速和时间内除去外部水分，得到含平衡水的湿树脂，然后105烘干，比较烘干前后的重量，即得到平衡含量占湿树脂的烘干，比较烘干前后的重量，即得到平衡含量占湿树脂的重量百分数，这就是重量百分数，这就是含水量。含水量。含水量的大小取决于亲水基团的多少及树脂孔隙的大小含水量的大小取决于亲水基团的多少及树脂孔隙的大小。对凝胶。对凝胶型树脂，交联度对含水量的影响比较大。型树脂，交联度对含水量的影响比较大。树脂内部树脂内部溶胀水溶胀水的含量影响：交联度、亲水基团数目的含量影响：交联度、亲水基团数目一般的商品树脂，每克干树脂可吸附一般的商品树脂，每克干树脂可吸附0.51.0克水分，交联度较低克水分，交联度较低的树脂，每克吸附的树脂，每克吸附1.03.0克水分。克水分。第39页，共109页，编辑于2022年，星期二2.颗粒度颗粒度：颗粒度：反应树脂颗粒大小和粒径分布。颗粒度一般以有效粒径和匀度系数来表示以有效粒径和匀度系数来表示。有效粒径：有效粒径：指保留90%样品质量的筛子孔径。匀度系数匀度系数：保留40%样品质量的筛孔径与保留90%样品质量的筛孔径之比。其值愈小表示粒度分布愈均匀。第40页，共109页，编辑于2022年，星期二吸水后体积增大的现象。膨胀度用膨胀率表示：吸水后体积增大的现象。膨胀度用膨胀率表示：膨胀的原因膨胀的原因 水扩散到树脂交联网孔发生溶胀；水扩散到树脂交联网孔发生溶胀；活性基团离解形成水合离子。活性基团离解形成水合离子。影响因素影响因素 树脂交联度：交联度越大，膨胀率越低。树脂交联度：交联度越大，膨胀率越低。活性基团：离解程度越大，膨胀率越大；活性基团：离解程度越大，膨胀率越大；可交换离子：水合半径越大，膨胀率越高。可交换离子：水合半径越大，膨胀率越高。3.膨胀度第41页，共109页，编辑于2022年，星期二 表观密度表观密度：指树脂在交换柱中的装填密度：指树脂在交换柱中的装填密度。4.4.树脂的密度树脂的密度一般离子交换树脂的一般离子交换树脂的 表观密度为：表观密度为：0.6 0.6 0.9 g/mL;0.9 g/mL;真密度为：真密度为：1.2 1.2 1.4 g/mL.1.4 g/mL.真密度真密度：指树脂颗粒本身密度。：指树脂颗粒本身密度。第42页，共109页，编辑于2022年，星期二5.滴定曲线与无机酸碱一样，离子交换树脂是不溶性的多元酸或多元碱，同样具有滴定曲线。滴定曲线能定性地反映树脂活性基团的特征，从滴定曲线图谱便可鉴别树脂酸碱度的强弱。第43页，共109页，编辑于2022年，星期二各种离子交换树脂滴定曲线各种离子交换树脂滴定曲线第44页，共109页，编辑于2022年，星期二00112阳树脂阳树脂3114阳树脂阳树脂第45页，共109页，编辑于2022年，星期二对于强酸性或强碱性树脂，滴定曲线有一段是水平的，到某一点即突然升高或降低，这表示树脂上的功能团已经饱和；而对于弱碱或弱酸性树脂，则无水平部分，曲线逐步变化。由滴定曲线的转折点，可估计其总交换量；曲线还表示交换容量随pH的变化，不同类型离子交换树脂的有效pH范围。所以所以滴定曲线较全面地表征树脂功能团的性质。滴定曲线较全面地表征树脂功能团的性质。第46页，共109页，编辑于2022年，星期二6.离子交换容量离子交换容量：离子交换容量：即每克干树脂或每毫升湿树脂所能交换的离子的毫克当量数，反应离子交换树脂进行离子交换反应的性能。有总交换容量、工作交换容量和再生交换容量三种表示方法。总交换容量：总交换容量：表示每单位数量树脂能进行离子交换反应的化学基团的总量。工作交换容量：工作交换容量：表示树脂在某一定条件下的离子交换能力，它与树脂种类和总交换容量，以及具体工作条件（如溶液的组成、流速、温度等因素）等有关。再生交换容量：再生交换容量：表示在一定的再生剂量条件下所取得的再生树脂的交换容量，表明树脂中原有化学基团再生复原的程度。第47页，共109页，编辑于2022年，星期二工作交换容量 核级树脂系列 核电站因具有安全、清洁、节约能源等特点，核工业在国防和国民经济发展中也具有重要的地位和作用。因此，大力发展核电，不仅对解决我国长期能源紧张有积极意义，而且也是在和平时期保持我国战略威慑能力的理想途径。核电站的水处理与普通电站所遇到的完全不同，在核电站回路中，以及在所有活性必须被消除的环境中，绝对必要的是，所用树脂必须不释放任何能引起沉淀和腐蚀的离子或物质。因此，核级树脂必须具有极高的稳定性，必须达到非常高的再生水平，必须具有极高的纯度。第107页，共109页，编辑于2022年，星期二离子交换树脂 脱色用树脂系列 c尤其当溶液处于中度着色状态时，其脱色效果远优于通常使用的活性炭，且不影响被处理物的品质。离子交换树脂可以设在活性炭脱色之后作精脱色用，也可直接代替活性炭进行处理。吸附了有色杂质的离子交换树脂，只需使用氯化钠溶液进行简单冲洗即可再次使用，再生工艺操作非常简便。第108页，共109页，编辑于2022年，星期二第109页，共109页，编辑于2022年，星期二