常用的離子交換樹脂課件

21離子交換法21離子交換法121.1.基本概念概念：利用離子交換樹脂作為吸附劑，將溶液中的待分離組分，依據(jù)其電荷差異，依靠庫侖力吸附在樹脂上，然后利用合適的洗脫劑將吸附質(zhì)從樹脂上洗脫下來，達(dá)到分離的目的。21.1.基本概念概念：利用離子交換樹脂作為吸附劑，將溶液中2離子交換樹脂的構(gòu)成離子交換樹脂是一種不溶于酸堿和有機(jī)溶劑的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的功能高分子化合物.具有三維空間離體結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)骨架聯(lián)接在骨架上的活性基團(tuán)活性基團(tuán)所帶的相反電荷的活性離子（可交換離子）離子交換樹脂的構(gòu)成離子交換樹脂是一種不溶于酸堿和有機(jī)溶劑的網(wǎng)3離子交換樹脂的結(jié)構(gòu)帶有活性基團(tuán)的網(wǎng)狀高分子聚合物骨架活性基團(tuán)酚醛樹脂聚乙烯樹脂交聯(lián)劑酸性基團(tuán)堿性基團(tuán)—SO3H—COOH—N+R3—NR2特殊基團(tuán)離子交換樹脂的結(jié)構(gòu)帶有活性基團(tuán)的網(wǎng)狀高分子聚合物骨架活性基團(tuán)4樹脂的網(wǎng)絡(luò)骨架樹脂的網(wǎng)絡(luò)骨架5常用的離子交換樹脂課件6離子交換的分類按活性基團(tuán)分類，可分為陽離子交換樹脂(cation

exchange)（含酸性基團(tuán)）和陰離子交換樹脂(anionexchange)（含堿性基團(tuán)）。具體又可以分為：強(qiáng)陽、弱陽強(qiáng)陰、弱陰離子交換的分類按活性基團(tuán)分類，可分為陽離子交換樹脂(cati7陽離子交換劑:對陽離子具有交換能力,活性基團(tuán)為酸性(帶負(fù)電).強(qiáng)酸性和弱酸性陽離子交換劑。弱酸性陽離子交換劑在中性和堿性pH范圍使用。陽離子交換劑:對陽離子具有交換能力,活性基團(tuán)為酸性(帶負(fù)電)8陰離子交換劑:對陰離子具有交換能力,活性基團(tuán)為堿性(帶正電).強(qiáng)堿性和弱堿性陰離子交換劑.弱堿性陰離子交換劑在中性和酸性pH范圍使用。弱堿性陰離子交換陰離子交換劑:對陰離子具有交換能力,活性基團(tuán)為堿性(帶正電)9常用的離子交換樹脂強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂：活性基團(tuán)是-SO3H（磺酸基）和-CH2SO3H（次甲基磺酸基）；弱酸性陽離子交換樹脂：活性基團(tuán)有-COOH,-OCH2COOH,C6H5OH等弱酸性基團(tuán)；強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂：活性基團(tuán)為季銨基團(tuán)，如三甲胺基(N(CH3)3或二甲基-?-羥基乙基胺基；弱堿性陰離子交換樹脂：活性基團(tuán)為伯胺或仲胺，堿性較弱；常用的離子交換樹脂強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂：活性基團(tuán)是-SO3H10新型離子交換樹脂大孔離子交換樹脂大孔離子交換樹脂具有和大孔吸附劑相同的骨架結(jié)構(gòu)，在大孔吸附劑合成后（加入致孔劑），再引入化學(xué)功能基團(tuán)，便可得到大孔離子交換樹脂新型離子交換樹脂大孔離子交換樹脂11大孔離子交換樹脂的優(yōu)點(diǎn)通過在合成時(shí)加入惰性致孔劑，克服了普通凝膠樹脂由于溶脹現(xiàn)象，產(chǎn)生的“暫時(shí)孔”現(xiàn)象，從而強(qiáng)化了離子交換的功能；減少了凝膠樹脂在離子交換過程中的“有機(jī)污染”現(xiàn)象（大分子不易洗脫）；可以通過致孔劑選擇調(diào)整孔徑大小、樹脂的比表面積，以適應(yīng)不同的分離要求。常用的致孔劑有：良溶劑（能與單體互溶的）甲苯、四氯化碳；不良溶劑長鏈醇（碳4-10）煤油；高分子聚合物聚苯乙烯、聚丙烯酸酯大孔離子交換樹脂的優(yōu)點(diǎn)通過在合成時(shí)加入惰性致孔劑，克服了普通12多糖基離子交換樹脂離子交換纖維素

樹脂骨架為纖維素，根據(jù)活性基團(tuán)的性質(zhì)可分為陽離子交換纖維素和陰離子交換纖維素兩類 特點(diǎn)：骨架松散、親水性強(qiáng)、表面積大、交換容量大、吸附力弱、交換和洗脫條件溫和、分辨率高常用的離子交換纖維素有：

甲基磺酸纖維素、羧甲基纖維素、二乙基氨基乙基纖維素

多糖基離子交換樹脂13DEAEanionexchangerDEAEanionexchanger14CMCCationExchangerCMCCationExchanger15葡聚糖凝膠離子交換樹脂 骨架為葡聚糖凝膠，如sepharose、sephadex，根據(jù)功能基團(tuán)的不同，亦可分為陽離子交換和陰離子交換樹脂命名方法：交換活性基團(tuán)+骨架+原骨架編號(hào)特點(diǎn)：除了具有離子交換功能以外，兼有分子篩的功能，提高了分離的效率常用的葡聚糖凝膠離子交換樹脂：CM-sephadexC-25、DEAE-sephadexA-25等葡聚糖凝膠離子交換樹脂16其它離子交換樹脂類型兩性樹脂：同時(shí)含有酸、堿兩種基團(tuán)的樹脂；均孔型離子交換樹脂：主要是陰離子型凝膠離子交換樹脂，孔徑均勻，交換容量高、機(jī)械強(qiáng)度好；螯合樹脂：樹脂上含有具有螯合能力的集團(tuán)，既可以形成離子鍵，又可以形成配位鍵；主要用于脫除金屬離子；多糖基離子交換樹脂：固相載體為多糖類物質(zhì)，親水性強(qiáng)、交換空間大、對生物大分子物致變性作用其它離子交換樹脂類型兩性樹脂：同時(shí)含有酸、堿兩種基團(tuán)的樹脂；17影響離子交換的主要因素離子的水化半徑半徑較小的離子易吸附離子的化合價(jià)化合價(jià)愈高愈易吸附溶液的pH要綜合考慮樹脂及被分離物質(zhì)的酸堿穩(wěn)定性樹脂的交聯(lián)度交聯(lián)度大，膨脹度小的樹脂選擇性較好。影響離子交換的主要因素離子的水化半徑18樹脂選擇的參考被分離物質(zhì)樹脂類型強(qiáng)堿弱酸型弱堿強(qiáng)酸型強(qiáng)酸弱堿型弱酸強(qiáng)堿型分子量大交聯(lián)度低樹脂選擇的參考被分離物質(zhì)樹脂類型強(qiáng)堿弱酸型弱堿強(qiáng)酸型強(qiáng)酸弱堿19離子交換樹脂的命名方法離子交換樹脂的命名方法20

離子交換樹脂命名法中分類代號(hào)和骨架代號(hào)代號(hào)分類名稱骨架名稱0強(qiáng)酸性苯乙烯系1弱酸性丙烯酸系2強(qiáng)堿性酚醛系3弱堿性環(huán)氧系4螯合性乙烯哌啶系5兩性脲醛系6氧化還原氯乙烯系離子交換樹脂命名法中分類代號(hào)和骨架代號(hào)代號(hào)分類名稱骨2121.2離子交換樹脂的制備加聚法和縮聚法（依聚合方法分類）加聚是指具有一個(gè)或一個(gè)以上雙鍵的單體為原料，在分散相中進(jìn)行聚合；縮聚法是基于縮合反應(yīng)的聚合過程；共聚法和均聚法（以單體分類）共聚是指兩個(gè)或兩個(gè)以上的單體進(jìn)行聚合均聚是指以一種單體進(jìn)行聚合21.2離子交換樹脂的制備加聚法和縮聚法（依聚合方法分類）22幾種主要的離子交換樹脂制備方法苯乙烯型離子交換樹脂單體：苯乙烯;交聯(lián)劑:二乙烯苯酸性樹脂引入磺酸基，堿性樹脂引入季銨，伯、叔胺丙烯酸-二乙烯苯羧基樹脂酚醛樹脂單體：水揚(yáng)酸、苯酚、甲醛經(jīng)縮聚而成多乙烯多胺-環(huán)氧氯丙烷樹脂幾種主要的離子交換樹脂制備方法苯乙烯型離子交換樹脂23離子交換樹脂的理化性能外觀：球形、淺色為宜，粒度大小為16~60目>90%；機(jī)械強(qiáng)度：>90%；含水量：0.3~0.7g/g樹脂；交換容量：重量交換容量、體積交換容量、工作交換容量或稱表觀交換容量（在某一條件下）；穩(wěn)定性：化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性；膨脹度：交聯(lián)度、活性基團(tuán)的性質(zhì)與數(shù)量、活性離子的性質(zhì)、介質(zhì)的性質(zhì)和濃度、骨架結(jié)構(gòu)；濕真密度：單位體積濕樹脂的重量；孔度、孔徑、比表面積離子交換樹脂的理化性能外觀：球形、淺色為宜，粒度大小為16~24離子交換容量：單位質(zhì)量的干離子交換劑或單位體積的濕離子交換劑所能吸附的一價(jià)離子的物質(zhì)的量(mmol)。滴定曲線：以單位質(zhì)量干離子交換劑加入NaOH或HCl的量（mmol）為橫坐標(biāo)，以平衡值為縱坐標(biāo).離子交換容量：單位質(zhì)量的干離子交換劑或單位體積的濕離子交換劑25離子交換過程離子交換過程是可逆多相化學(xué)反應(yīng)式中A1，A2——液相中的離子——吸附的離子Z1，Z2——A1，A2的價(jià)數(shù)——液相和樹脂相中的溶劑ns——離子交換時(shí)，溶劑從樹脂移入液相的毫摩爾數(shù)離子交換過程離子交換過程是可逆多相化學(xué)反應(yīng)26離子交換機(jī)理A+自溶液中擴(kuò)散到樹脂表面A+從樹脂表面進(jìn)入樹脂內(nèi)部的活性中心A+與RB在活性中心上發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)解吸附離子B+自樹脂內(nèi)部擴(kuò)散至樹脂表面B+離子從樹脂表面擴(kuò)散到溶液中交換速度的控制步驟是擴(kuò)散速度，不同的分離體系可能由內(nèi)部擴(kuò)散或外部擴(kuò)散控制.離子交換機(jī)理A+自溶液中擴(kuò)散到樹脂表面27交換速度方程外部擴(kuò)散控制K1—外擴(kuò)散速度常數(shù)F—時(shí)間為t時(shí)，樹脂的飽和度R0為樹脂顆粒半徑D1為液相中的擴(kuò)散系數(shù)γ為吸附常數(shù)交換速度方程外部擴(kuò)散控制K1—外擴(kuò)散速度常數(shù)R0為樹脂顆28內(nèi)部擴(kuò)散控制內(nèi)部擴(kuò)散控制29影響交換速度的因素顆粒大?。河≡娇旖宦?lián)度：交聯(lián)度小，交換速度快溫度：越高越快離子化合價(jià)：化合價(jià)與高，交換越快離子大小：越小越快攪拌速度：在一定程度上，越大越快溶液濃度：當(dāng)交換速度為外擴(kuò)散控制時(shí)，濃度越大，交換速度越快影響交換速度的因素顆粒大?。河≡娇?0離子交換的選擇性離子交換常數(shù)：交換勢或交換系數(shù)[R-A]、[R-B]表示結(jié)合在樹脂上的A離子和B離子濃度[A]S、[B]S表示溶液中A離子和B離子越大B越易被交換離子交換的選擇性離子交換常數(shù)：交換勢或交換系數(shù)[R-A]、[31影響離子交換選擇性的因素水合離子半徑：半徑越小，親和力越大；離子化合價(jià)：高價(jià)離子易于被吸附；溶液pH：影響交換基團(tuán)和交換離子的解離程度，但不影響交換容量；離子強(qiáng)度：越低越好；有機(jī)溶劑：不利于吸附；交聯(lián)度、膨脹度、分子篩：交聯(lián)度大，膨脹度小，篩分能力增大；交聯(lián)度小，膨脹度大，吸附量減少；樹脂與粒子間的輔助力：除靜電力以外，還有氫鍵和范德華力等輔助力；影響離子交換選擇性的因素水合離子半徑：半徑越小，親和力越大；32離子交換操作方法樹脂預(yù)處理離子交換吸附洗脫離子交換操作方法樹脂預(yù)處理33實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室34常用的離子交換樹脂課件35樹脂預(yù)處理物理處理：水洗、過篩，去雜，以獲得粒度均勻的樹脂顆粒；化學(xué)處理：轉(zhuǎn)型（氫型或鈉型）陽離子樹脂酸—堿—酸陰離子樹脂堿—酸—堿最后以去離子水或緩沖液平衡樹脂預(yù)處理物理處理：水洗、過篩，去雜，以獲得粒度均勻的樹脂顆36離交操作方式靜態(tài)：操作簡單、但是分批操作，交換不完全動(dòng)態(tài)：離子交換柱，操作連續(xù)、交換完全，適宜多組份分離柱式固定床離交操作方式靜態(tài)：操作簡單、但是分批操作，交換不完全37強(qiáng)酸型陽離子交換樹脂分離示例Cl-,K+,Na+,Ag+的分離K：親和力H+<Na+<K+<Ag+H2O游離狀態(tài)交換反應(yīng)強(qiáng)酸型陽離子交換樹脂分離示例Cl-,K+,Na+,Ag38洗脫方式離子交換完成后，將樹脂吸附的物質(zhì)重新轉(zhuǎn)入溶液的方法洗脫方法（1）改變?nèi)芤簆H值（2）改變?nèi)芤弘x子強(qiáng)度洗脫方式離子交換完成后，將樹脂吸附的物質(zhì)重新轉(zhuǎn)入溶液的方法39H+<Na+<K+<Ag+CtNa+K+Ag+前一狀態(tài)洗脫淋洗曲線H+<Na+<K+<Ag+CtNa+K+Ag40樹脂再生是指是離子交換樹脂重新具有交換能力的過程酸性陽離子樹脂酸-堿-酸-緩沖溶液淋洗堿性陰離子樹脂堿-酸-堿-緩沖溶液淋洗方式有：順流再生和逆流再生樹脂再生是指是離子交換樹脂重新具有交換能力的過程41離子交換應(yīng)用實(shí)例軟水和無鹽水的制備抗生素的提取蛋白質(zhì)的純化離子交換應(yīng)用實(shí)例軟水和無鹽水的制備42離子交換法提取蛋白質(zhì)較無機(jī)離子的離子交換平衡復(fù)雜，其吸附行為與離子間的靜電引力、氫鍵、疏水作用以及范德華力有關(guān)蛋白質(zhì)是生物大分子物質(zhì)，因此，其擴(kuò)散行為也較無機(jī)離子復(fù)雜離子交換法提取蛋白質(zhì)43蛋白質(zhì)離子交換分離的基本步驟平衡上樣吸附洗脫再生蛋白質(zhì)離子交換分離的基本步驟平衡44++++++-------anionexchangebeadEquilibration++++++-------anionexchangebe45Sampleapplicationandwash-----------++++++----Sampleapplication-----------+46Elution----------------------------------++++++++++++--Elution-----------------------47Regeneration-----------------------++++++Regeneration---------