08离子交换法.ppt
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1、第八章 离子交换法 越 凡 葬 率 颅 霸 蜡 滞 唆 尚 职 倔 芹 曼 残 册 咎 壳 玛 出 响 焚 蚤 韧 蜂 堆 棕 戌 湛 羌 肝 窥 0 8 离 子 交 换 法 0 8 离 子 交 换 法 生物分离过程的一般流程 原料液 细胞分离(离心,过滤) 细胞胞内产物 路线一路线二 细胞破碎 碎片分离 路线一A 路线一B 清液胞外产物 粗分离(沉淀/膜过滤/萃取) 纯化(离子交换/层析/吸附 脱盐(凝胶过滤、超滤) 浓缩(超滤) 精制(结晶、干燥) 包含体 溶解(加盐酸胍、脲) 复性 怖 氟 卧 磅 绣 童 珠 诸 剥 欣 秸 替 受 卯 逢 思 栏 抛 沁 誊 坦 谈 愚 席 鹃 坏 衰
2、 刃 墒 划 豺 蹋 0 8 离 子 交 换 法 0 8 离 子 交 换 法 什么是离子交换?什么是离子交换? 离子交换的机理是什么?离子交换的机理是什么? 离子交换树脂的分类?离子交换树脂的分类? 离子交换树脂的理化性质有哪些?离子交换树脂的理化性质有哪些? 离子交换的选择性受哪些因素影响?离子交换的选择性受哪些因素影响? 基本的离子交换操作过程是怎样的?基本的离子交换操作过程是怎样的? 本章内容 鄙 弯 古 估 槐 嫂 宜 摇 丫 锨 梦 让 嗓 寨 恐 骑 培 柑 驭 拯 批 昭 佬 时 腔 荤 辰 旁 新 吵 哩 皱 0 8 离 子 交 换 法 0 8 离 子 交 换 法 离子交换剂是
3、一类能发生离子交换的物 质,分为无机离子交换剂和有机离子交换 剂。 无机离子交换剂有机离子交换剂 沸石、磺化煤 离子交换树脂 离子交换法概述 褥 票 蛊 酬 快 以 农 汁 块 譬 喉 投 掂 烧 揍 盘 壮 咱 滞 植 感 净 笼 租 砾 朽 尿 蚂 部 痹 窝 羞 0 8 离 子 交 换 法 0 8 离 子 交 换 法 离子交换长期以来应用于水处理和金属的回收。 在生物工业中,由于离子交换法分辨率高、工作 容量大且易于操作,几乎所有的生物分子都是极性 的,都可使其带电,所以离子交换法已广泛用于生 物分子的分离纯化技术。 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
4、生物大分子的分离提 取也有应用。 离子交换法概述 呵 屏 防 扶 心 予 绿 邪 缩 钉 则 脂 潍 栖 疗 玲 题 阿 赁 浓 熙 噎 轴 截 捏 荫 捐 纹 律 迁 握 们 0 8 离 子 交 换 法 0 8 离 子 交 换 法 离子交换树脂的出现已有近80年的历史. 离子交换树脂发展史上的3个重要阶段 1933年Adams和Hofms发明了缩聚类酚醛型阳、 阴离子交换树脂, 二战及二战后期离子交换树脂大发展 1939年德国法本公司和1941年美国的树脂产品和 化学品公司先后开始工业生产, 在第二次世界大战中,美国获得了苯乙烯系和丙 烯酸系加聚型离子交换树脂合成的专利。它开创了 当今离子交
5、换树脂制造方法的基础。 离子交换树脂的发展 离子交换法概述 沾 茶 陵 停 晶 弧 绊 锭 吸 凑 胖 践 遮 掐 蔡 即 潦 疯 韶 垫 叼 眉 苗 枯 灰 检 瘤 幽 蝇 酗 告 瞩 0 8 离 子 交 换 法 0 8 离 子 交 换 法 50年代以后,开展了膜状离子交换树脂的研究,开辟了 电化学的新领域。 50年代末,60年代初期, 又研制出耐压、耐磨、高交 换速度、能交换或吸着高分子量化合物的大孔离子交换 树脂。70年代以后,出现了各种大孔吸附树脂及特种树 脂。 我国在1950年以后开始离子交换树脂的研究, 1956年何炳林提出并合成了大孔型离子交换树脂 1958年,离子交换树脂在国内
6、正式投入工业化生 离子交换树脂的发展 离子交换法概述 唯 侵 扰 帘 心 类 并 鲁 个 桃 敌 窝 祈 倚 尉 钠 迂 牌 额 磅 钞 拽 么 俭 售 染 笔 喂 姬 办 镍 姥 0 8 离 子 交 换 法 0 8 离 子 交 换 法 离子交换树脂的结构 离子交换法概述 其结构由三部分组成: 1.不溶性的三维空间网状结构构成的树脂骨架 ,使树脂具有化学稳定性和机械强度; 2.是与骨架相联的功能基团; 3.是与功能基团带相反电荷的可移动的离子, 称为活性离子,它在树脂骨架中的进进出出,就 发生离子交换现象。 尧 衔 莽 逼 禹 窿 裴 傲 宁 耶 舜 克 压 唱 械 刊 吞 竿 李 控 谴 来
7、 族 蛙 编 谎 彻 修 闪 识 左 青 0 8 离 子 交 换 法 0 8 离 子 交 换 法 离子交换树脂的结构-网络骨架 离子交换法概述 苯乙烯系、丙烯酸系、酚醛系、环氧系 粱 骇 迷 遭 裙 葡 习 力 潘 箔 择 惩 稍 穴 动 绒 孺 武 倪 断 钨 皂 炭 彝 淤 擞 铀 巫 搁 励 甜 奶 0 8 离 子 交 换 法 0 8 离 子 交 换 法 离子交换树脂结构 骨架:接有功能基团,本身是惰性 功能基团:连接在骨架 上,可与 相反离子结合 待交换分子:在吸附阶段可与活 性离子交换,与骨架上的功能基 团结合 活性离子:与功能基团所带电荷相 反的可移动的离子 离子交换法概述 术 谣
8、 垮 膨 恢 靠 止 慰 寺 分 搂 习 撞 溺 苟 硝 彩 鹅 嘛 嘲 差 咕 采 腮 蔼 孤 竖 柏 淬 渤 戈 骚 0 8 离 子 交 换 法 0 8 离 子 交 换 法 离子交换法概述 u活性离子为阳离子,称阳离子交换树脂, 与阳离子发生交换 u活性离子为阴离子,称阴离子交换树脂, 与阴离子发生交换 衔 盒 滁 茵 弧 能 淹 痴 侵 彤 灼 宫 林 随 误 只 钒 呢 东 绚 蛊 策 撩 屋 认 溶 蔽 趁 弓 灿 画 城 0 8 离 子 交 换 法 0 8 离 子 交 换 法 离子交换法是通 过带电的溶质分子 与离子交换剂中可 交换的离子进行交 换而达到分离纯化 的方法。 离子交换
9、层析原理 离子交换法概述 倍 赁 招 刻 弯 宰 街 帅 肖 椿 嚎 逛 朝 饯 本 为 歼 鹊 斋 态 疮 钥 菩 班 窿 头 办 靛 揍 请 读 廊 0 8 离 子 交 换 法 0 8 离 子 交 换 法 主要依赖电荷间的相互作用,利用带电分子中 电荷的微小差异而进行分离。 选择适当条件可使一些溶质分子变成离子态, 通过静电作用结合到离子交换剂上,而另一些物 质不能被交换,这两种物质就可被分离。 带同种电荷的不同离子虽都可以结合到同一介 质上,但由于带电量不同,与介质的结合牢度不 同,改变洗脱条件可依次被洗脱而达到分离的目 的。 离子交换法概述 离子交换层析原理 诸 横 痔 碘 浸 丢 厉
10、 抵 颠 钎 切 骋 聂 勾 碰 骤 拖 剧 估 听 窑 寓 嗓 鸡 恰 氏 文 阉 玩 锭 郭 渡 0 8 离 子 交 换 法 0 8 离 子 交 换 法 离子交换层析原理 开始 吸附 解吸 解吸结束 再生 离子交换法概述 样 品 解 吸 剂 再 生 剂 - - - - + + - - - - - - - 逼 诀 破 茧 遮 酚 颧 游 遣 妊 固 奥 述 把 掇 枉 彝 椎 逝 貌 蓑 怒 方 燕 厌 氓 驾 纷 俊 哼 宽 燃 0 8 离 子 交 换 法 0 8 离 子 交 换 法 二. 离子交换树脂的分类 夜 虱 尺 胁 耸 涯 泽 读 怖 饰 垛 榷 黄 堰 搭 象 垢 壶 射 潜
11、咏 掘 徐 恃 痒 去 淡 蛋 适 砚 旬 豺 0 8 离 子 交 换 法 0 8 离 子 交 换 法 二. 离子交换树脂的分类 按化学功能团分 1.阳树脂,酸性基团,(弱酸性、强酸性) 2.阴树脂,碱性基团, (弱碱性、强碱性) u活性离子H 氢型阳树脂; u活性离子OH 羟型阴树脂; u活性离子为其它离子统称盐型树脂。 竖 缔 榷 汤 蜗 锐 芥 牢 涂 写 告 酮 传 怀 音 藉 刮 阁 省 在 负 驾 呕 婿 甭 盅 今 肾 袱 畔 盅 埋 0 8 离 子 交 换 法 0 8 离 子 交 换 法 1 阳离子交换树脂 交换前交换达到平衡后 二. 离子交换树脂的分类 扼 锐 囊 彦 来 柞
12、 联 起 幻 堆 疹 琅 呀 授 氯 殊 惺 棉 他 啃 姆 超 意 芦 骡 缸 均 湛 碌 暗 业 湖 0 8 离 子 交 换 法 0 8 离 子 交 换 法 2 阴离子交换树脂 交换前交换达到平衡后 二. 离子交换树脂的分类 沤 二 洒 犊 综 邹 突 女 颜 甸 辅 今 陌 诽 瞻 山 转 浦 磐 迷 朋 氢 辗 遣 梭 拷 参 贤 旨 盟 豌 宽 0 8 离 子 交 换 法 0 8 离 子 交 换 法 一般以磺酸基一SO3H作为活性基团,交换反应以磺酸型 树脂与氯化钠的作用为例,可表示如下: 由于是强酸性基团,其电离程度不随外界溶液的pH而变化,所以 使用时的pH一般没有限制。 此外,
13、以磷酸基一PO(OH)2和次磷酸基一PHO(OH)作为活 性基团的树脂具有中等强度的酸性。 1强酸性阳离子交换树脂 二. 离子交换树脂的分类 扳 誊 帖 锹 操 估 密 院 掐 夕 狭 瓜 吉 雀 驻 蓄 藐 斯 柠 落 唬 固 顾 捉 康 渔 湛 边 碌 价 玖 浚 0 8 离 子 交 换 法 0 8 离 子 交 换 法 苯乙烯系强酸性阳离子交换树脂的结构 CH2CHCH2CHCH2CHCH2CH SO3- H+ SO3- H+ SO3- H+ CH2CHCH2CHCH2CHCH2CH SO3- H+ CH2CHCH2 SO3- H+ HC=CH2 HC=CH2 m + n HC=CH2 二
14、. 离子交换树脂的分类 星 砚 辙 钨 纽 翔 撮 候 椿 诣 鼎 园 韦 薪 署 均 纱 曙 冉 挎 录 阁 藕 裴 质 抹 泌 益 泥 睁 阉 蔗 0 8 离 子 交 换 法 0 8 离 子 交 换 法 2 弱酸性阳树脂 功能团可以为羧基-COOH,-OH (酚羟基) 这类树脂的电离程度小,其交换性能和溶液的pH有很大 关系。在酸性溶液中,这类树脂几乎不能发生交换反应, 交换能力随溶液的pH增加而提高。 对于羧基树脂,应该在pH 7的溶液中操作, 而对于酚羟基树脂,溶液的pH应9。 二. 离子交换树脂的分类 损 傣 慈 红 袁 或 遥 任 毛 酱 郊 粒 进 鉴 就 英 揭 枫 递 窃 枫
15、 睹 肌 游 菜 铃 村 狡 咯 潜 蠢 辽 0 8 离 子 交 换 法 0 8 离 子 交 换 法 3 强碱性阴树脂 I型的碱性比II型强,但再生较困难,II型树脂的稳定性较差。 和强酸性树脂一样,强碱性树脂使用的pH范围没有限制 二. 离子交换树脂的分类 有两种强碱性树脂:功能基团为 三甲胺基称为强碱型 二甲基-羟基-乙基胺为强碱II型 水溶液中 R NOH(Cl) - 购 目 痒 金 烹 臂 川 炭 憋 吁 悲 在 逢 鸡 睬 榴 烘 单 弥 森 醋 房 啼 痪 抗 倒 略 咖 决 郸 群 檄 0 8 离 子 交 换 法 0 8 离 子 交 换 法 4 弱碱性阴树脂 和弱酸性树脂一样,其
16、交换能力随pH变化而变化,pH越 低,交换能力越大。 功 能 团 为 二. 离子交换树脂的分类 水溶液中:RNH3+OH;RNH2+OH;RNH+OH 奖 久 者 淹 锋 咸 肿 蕴 谩 遂 罕 夸 晶 素 林 酿 惜 紫 诀 俱 吝 层 西 搓 纵 期 屈 野 陷 绑 锥 臂 0 8 离 子 交 换 法 0 8 离 子 交 换 法 二. 离子交换树脂的分类 5 四类树脂的特性比较 根 术 饶 醋 升 控 瘁 质 拄 晴 镑 侯 疙 豌 晕 滩 墒 庙 旱 钝 掐 仲 呛 博 俗 摘 始 冉 损 遂 善 石 0 8 离 子 交 换 法 0 8 离 子 交 换 法 二. 离子交换树脂的分类 5
17、四类树脂的特性比较 撼 粥 樊 锋 厅 盯 辙 给 无 翱 欺 爬 胁 登 哪 妆 柬 狡 寄 栽 坎 酷 蹿 兢 辱 饼 玖 溶 瘦 摇 伴 噶 0 8 离 子 交 换 法 0 8 离 子 交 换 法 盐的稳定性 弱酸、弱碱性树脂成的盐(盐型)不稳定,易水解。 弱酸树脂:RCOOH + NaOH RCOONa + H2O 水解: RCOONa + H2O RCOOH + NaOH * 洗到 pH9 10 弱碱树脂:RNH3OH + HCl RNH3 Cl + H2O 水解: RNH3 Cl + H2O RNH3OH + HCl * 洗到 pH4 5 NaOH H2O RCOONa RCOOH
18、 NaOH 二. 离子交换树脂的分类 5 四类树脂的特性比较 座 汰 碱 赡 瓮 彰 桂 复 血 翔 健 宣 搞 瓦 孽 袍 证 汰 远 挽 颠 刽 蓝 款 赁 饿 咨 褒 峰 召 雏 荫 0 8 离 子 交 换 法 0 8 离 子 交 换 法 强酸树脂再生时耗用过量的酸;强碱树脂再生时耗用过量的碱。 强酸树脂:RSO3Na + HCl RSO3H + NaCl 再生难 弱酸树脂:RCOONa + HCl RCOOH + NaCl 易 强碱树脂:RN+ Cl + NaOH RN+ OH + NaCl 难 弱碱树脂:R-NH3+ Cl + NaOH R-NH3OH + NaCl 易 再生的难易程
19、度 树脂的操作步骤(str): 交换(吸着)3RCOONa + str3+ (RCOO)3str + 3Na+ 洗脱(解吸)(RCOO)3str + 3HCl 3RCOOH + str3+ + 3Cl 再生 RCOOH + NaOH RCOONa + H2O,水洗至pH 9 二. 离子交换树脂的分类 5 四类树脂的特性比较 战 来 胆 假 君 舌 削 泣 荐 跪 誊 尚 变 毡 画 贪 夏 知 巡 寺 街 毗 牙 腹 氟 槐 威 到 术 啡 淡 挤 0 8 离 子 交 换 法 0 8 离 子 交 换 法 性能 阳离子交换树脂阴离子交换树脂 强酸性弱酸性强碱性 弱碱性 活性基团磺酸羧酸季氨 胺
20、pH对交换能力 的影响 无 在酸性中交 换能力很小 无 在碱性溶液中交 换能力很小 盐的稳定性 稳定洗涤要水解 稳定洗涤时要水解 再生 需过量的 强酸 很容易 需要过量 的强碱 再生容易,可用 碳酸钠或氨 交换速度快 慢(除非离 子化后) 快 慢(除非离子化后 ) 二. 离子交换树脂的分类 5 四类树脂的特性比较 禾 移 炙 惮 贵 寞 侈 梳 尼 卓 言 岭 馆 柳 昂 沟 杭 堂 蚂 煎 邪 振 命 浮 瓜 邮 蝶 夸 报 毒 暗 代 0 8 离 子 交 换 法 0 8 离 子 交 换 法 6 特殊类型的树脂 大网格离子交换树脂 两性均孔树脂 蛇笼 树脂 均孔树脂 多糖交换树脂 二. 离子
21、交换树脂的分类 山 屿 战 镐 亢 裴 戎 己 辽 萄 倦 辰 浴 脚 数 套 猖 覆 城 橱 翰 豺 冷 刺 误 幼 呢 邱 纲 峪 诸 财 0 8 离 子 交 换 法 0 8 离 子 交 换 法 1 1)大孔离子交换树脂)大孔离子交换树脂 大孔离子交换树脂具有和大孔离子交换树脂具有和大孔吸附剂相同的骨架结大孔吸附剂相同的骨架结 构构,在大孔吸附剂合成后(加入,在大孔吸附剂合成后(加入致孔剂致孔剂),再引入化),再引入化 学功能基团,便可得到大孔离子交换树脂学功能基团,便可得到大孔离子交换树脂 二. 离子交换树脂的分类 披 哨 经 罚 娟 钩 偷 硬 芋 砷 串 蔡 缆 治 寞 帐 崔 妓
22、承 窜 笋 规 脚 逮 啼 豹 芳 黄 园 浮 朵 某 0 8 离 子 交 换 法 0 8 离 子 交 换 法 凝胶型树脂大网格树脂 外观半透明 空隙小 直径小于30A 孔由链链距离造成 溶胀空隙 均相结构 干燥/非水溶剂/浓电解质 中空隙会倒塌 不透明 空隙大 直径2001000A 孔由链-链距离+致孔剂造成 溶胀空隙永久空隙 非均相结构 空隙是固有的,不会消失 1 1)大孔离子交换树脂)大孔离子交换树脂 鸯 波 陨 衬 巍 彻 钥 矗 过 戊 答 诡 诀 器 吉 曼 剑 杂 激 郴 揉 匠 袱 米 脖 伪 浙 楚 聘 听 硬 策 0 8 离 子 交 换 法 0 8 离 子 交 换 法 大孔
23、离子交换树脂的优点大孔离子交换树脂的优点 通过在合成时加入惰性致孔剂,克服了普通凝胶树通过在合成时加入惰性致孔剂,克服了普通凝胶树 脂由于溶胀现象,产生的脂由于溶胀现象,产生的“ “暂时孔暂时孔” ”现象,从而强化了现象,从而强化了 离子交换的功能;离子交换的功能; 减少了凝胶树脂在离子交换过程中的减少了凝胶树脂在离子交换过程中的“ “有机污染有机污染” ”现现 象(大分子不易洗脱);象(大分子不易洗脱); 可以通过致孔剂选择调整孔径大小、树脂的比表面可以通过致孔剂选择调整孔径大小、树脂的比表面 积,以适应不同的分离要求。积,以适应不同的分离要求。 常用的致孔剂有:良溶剂(能与单体互溶的)甲苯
24、常用的致孔剂有:良溶剂(能与单体互溶的)甲苯 、四氯化碳;不良溶剂、四氯化碳;不良溶剂 长链醇(碳长链醇(碳4-104-10) 煤油;高煤油;高 分子聚合物分子聚合物 聚苯乙烯、聚丙烯酸酯聚苯乙烯、聚丙烯酸酯 二. 离子交换树脂的分类 奴 贼 雷 坛 游 飞 摩 衫 咙 噎 郊 败 增 爪 姜 郎 绒 施 簇 锻 轮 惶 倪 滦 饶 砌 践 椒 郴 中 禽 谊 0 8 离 子 交 换 法 0 8 离 子 交 换 法 两性树脂:同时含有酸、碱两种基团的树脂; 蛇笼树脂:属两性树脂。是以强碱性阴离子交换 树脂为笼,以丙烯酸盐负离子在树脂内聚合成线型聚 物作为蛇而得名。用于从有机溶剂中吸附离子 均孔
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