仲恺农业工程学院Array论文题目：离子交换与离子交换色谱论文作者：陈维权万辉作者学号：201111014228 201111014229所在院系：化学化工学院专业班级：应用化学112班指导老师：刘展眉离子交换与离子交换色谱摘要本文对离子交换与离子交换色谱技术进行了综述。

简要介绍了离子交换剂的作用原理；重点系统的论述了有机离子交换技术和无机离子交换技术的研究进展。

并展望了有机离子交换技术和无机离子交换技术的发展方向。

关键词离子交换色谱离子交换剂有机离子交换无机离子交换AbstractThis article by ion-exchange chromatography and ion exchange technologies for review. Brief description of the action principle of ion exchanger; key system deals with organic and inorganic ion-exchange technology of ion-exchange technology advances. And the prospect of organic ion exchange technology and development trend of inorganicion-exchange technology.KeywordsIon ExchangeColor spectrumIon exchangerOrganic ion exchangeInorganic ion exchanger引言随着科学技术的发展，现代分析化学的分析对象越来越复杂，待检测组分含量越来越复杂，待检测组分含量越来越低，在地球和宇宙科学、环境科学、生命科学、材料科学以及医学和考古学中，经常要求检测μg∕g,nm∕g,pg∕g甚至更低含量的组分。

目前虽然有许多灵敏度和选择性很高的仪器分析方法，但在分析实践中，常常由于存在基体效应以及其他各种干扰而难以得到准确的结果，因此在分离富集仍然是分析方法中不可缺少的重要环节。

回顾化学的发展历史便可以发现：化学的发展离不开分离富集。

元素周期表中的各个元素的发现，经典的化学分离和提纯方法都曾经起着重要作用。

从二十世纪开始，各种天然放射性元素的逐个发现，人工放射性元素的获得，原子核裂变现象的最终确认，几乎都离不开各种化学分离技术。

今年来生命科学的许多重要成就，也都与分离科学有着紧密联系。

在大多数分析实验中，对复杂物料的分析或痕量、超痕量分析一般均采用样品制备-分解-分离富集-测定-数据处理的分析流程，也就是说，分离富集是分析流程中必不可少，而且往往是相当困难而又关键的环节。

从分析仪器的研制和发展趋势看，分离富集技术与测量技术紧密结合是仪器分析的必然趋势。

目前最有成效的是气相色谱仪、高效液相色谱仪、离子色谱仪以及测汞仪等，它们都是集分离-检测于一机的高效能、自动控制、灵敏的多机联用分析检测仪器，例如流动注射（FIA）-等离子体发射光谱（ICP-AES）；流动注射（FIA）-等离子体质谱（ICP-MS）；流动注射（FIA）-原子吸收（ASS）等等。

此外还有气相色谱与高灵敏度质谱仪联用（HPLC-ICP-MS）等等，这些技术都在发展中。

在这些技术中，离子交换分离是分析化学中重要的分离方法之一，它主要用于大量干扰元素的除去，微量元素的分离与富集，制取去离子水及提纯化学试剂等方面。

在离子交换分离中，除了一部分是受离子—离子间力和离子—悯极间力的影响外，大部分属于化学反应的作用。

这种形式的交换往往称为化学吸附反应。

例如当一种阳离子交换树胎C+R-1叫用作吸附剂时，即可产生阳离子交换现象。

交换树脂的阳离子c+为金属离子B+所交换，B++C+R-===C+十B+R-式中R—表示树胎的阴离子骨架部分，不溶于水。

当溶液流经树脂时，它们之间就发生交换。

若平衡强烈地趋向右方，说明树脂对B’较对C+结合得更牢固，冈此B+将留在树脂上直至另一种阳离子来置换它。

这是一种化学吸附型的离子交换。

所以金属离子能以其水合阳离子的形式在阳离子交换柱中分离。

硬水的软化就是典型的实例。

1、基本理论离子交换剂通常是一种不溶性高分子化合物，如树脂，纤维素，葡聚糖，醇脂糖等，它的分子中含有可解离的基团，这些基因在水溶液中能与溶液中的其它阳离子或阴离子起交换作用。

虽然交换反应都是平衡反应，但在层析柱上进行时，由于连续添加新的交换溶液，平衡不断按正方向进行，直至完全。

因此可以把离子交换剂上的原子离子全部洗脱下来，同理，当一定量的溶液通过交换柱时，由于溶液中的离子不断被交换而波度逐减少，因此也可以全部被交换并吸附在树脂上。

如果有两种以上的成分被交换吸着在离子交换剂上，用洗脱液洗脱时，在被洗脱的能力则决定于各自洗反应的平衡常数。

蛋白质的离子交换过程有两个阶段──吸附和解吸附。

吸附在离子交换剂上的蛋白质可以通过改变pH使吸附的蛋白质失去电荷而达到解离但更多的是通过增加离子强度，使加入的离子与蛋白质竞争离子交换剂上的电荷位置，使吸附的蛋白质与离子交换剂解开。

不同蛋白质与离子交换剂之间形成电键数目不同，即亲和力大小有差异，因此只要选择适当的洗脱条件便可将混合物中的组分逐个洗脱下来，达到分离纯化的目的。

2、离子交换物质的类型有离子交换性能的物质很多，省无机的和有机的，天然的和合成的，一般是固体。

作为固定相的理想离子交换物质，应不溶于水，酸和碱中，化学性质安稳定，即与有机溶剂，氧化剂和其它化学试剂应基本上不发生作用，此外，在结构上也应是稳定的。

这样，当装入容器(如色谱柱)后能使欲分离物质的溶液—流动相有良好的流动性。

还应有较大的交换容量。

其离子交换基团应是单一功能性的。

目前有机合成的离子交换树脂应用较广，而无机离子交换剂尚处于发展阶段。

3、有机离子交换技术3.1有机离子交换剂的作用原理有机高于交换剂是一种高分子化合物，又称为离子交换树脂。

它在分析化学中应用很广，如聚苯乙烯树脂，是苯乙烯的线型聚合物和二乙烯苯交联所得的产物，是不镕于水的，易渗透的物质，有三维网状结构。

这里，二乙烯苯就是交联剂。

在这种树脂骨架中含有二乙烯苯的重虽百分率就称为交联度。

国产树脂含二乙烯苯4—14％。

树脂的交联度小时，加水后树脂的膨胀性大。

网状结构的网眼大，交换反应快。

体积大的和体积小的离子都容易进入树脂。

相反，树脂的交联度大时，加水后树脂的膨胀性小，交换慢，体积大的离子不容易进入树脂，因而具有一定的选择性。

根据树脂中官能团的性质，可以将离子交换剂分成强酸碱)性和弱酸(碱)性阳离子(阴离子)交换树脂。

阳离子交换剂一般是酸性的，其酸根中的H+可以和阳离子交换。

若酸根是强酸性的如一SO3H基团，则为强酸型闯离子交换树脂。

若是弱酸基因，如一COOH，则为弱酸型阳离子交换剂。

同样，阴离子交换剂中的基团若是强碱性的季铵基因(如一NR3+)，则为强碱型明离子交换树脂。

若碱性基团是胺基(如一CH2NH2)，则是弱碱性阴离子交换树脂。

常用的离子交换树指的牌号和性能见表1．3．2 交换量的测定树脂所能结合的移动离子的量叫做交换量，通常以每克干树脂(H+或C1—型)的 mg equiv 数来表示。

测定交换量是很方便的。

先用过量的酸将一定量干树脂的交换基团全部转成H+型，再用水洗去过量的酸。

滤干后，称取一定量的树脂，加人过量的标准氢氧化钠溶液与其平衡。

再用标准酸摘定平衡后碱液的浓变，按下式计算交换量，式中体积的单位为m1。

强酸性或强碱性树脂，可以在较大的PH范围内进行交换而不影响其最大交换量，所以适用的范围很广，而对于弱酸性或弱碱性交换树脂，其交换量显著地与pH有关，所以在进行交换时，受到溶液pH的强烈影响。

3.3离子交换平衡当样品溶液从交换柱顶加入后，其前沿进入树脂床的上端，溶液中的阳离子与树脂上的阳离子作如下的交换：R—一Hr+十Ms+→R—一Mr+十Hs+随着溶液下渗，这种交换不断进行，一直到溶液中的阳离子交换完毕为止。

如果再向柱顶端加入合适的溶液(流动相)淋洗时，在淋洗剂与树脂接触时，将把树脂上吸附的阳离子再交换到液相中，但这时吸附能力弱的阳离子溶出较多，而吸附能力强的阳离子溶出较少，当这部分溶液与下面的树脂接触时，又会与树脂发生交换，溶液中吸附力强的阳离子将把树脂上吸附能力弱的阳离子交换下来，如此反复进行。

于是阳离子的移动速度有了差别，吸附能力弱的离子将优先随淋洗剂流出，而吸附能力强的离子在后面流出，这就构成了色谱分离的基础。

3．4离子交换稠脂的选择性离子交换的选择性受交换离子和反离子的性质及溶液浓度等影响。

3.4.1选择系数如一价金属阳离子M+对H+型树脂进行交换，当达到平衡时，体系中各种量的关系遵守质量作用定律，故离于交换平钮常数K可写成，式中s代表液相，r代表树脂相。

K（ M+/H+）又称为离于交换反应的选择性系数，表示金属离子M+对H+型树脂亲和力的大小。

3.4.2分配比与分离因子如果溶液中存在着二种金届离子A’与Bt，树脂上的交换阳离子为C+时，溶液与树脂之间有如下交换：如果c是大量的，A和B只是痕星，因此树脂上c的浓度在交换过程中实际上近于没有变化，可将[C]r看作一个常数，于是式(10．3)与(10．4)变成：上两式说明痕量金属离子的分配比与溶液中该金属离子的浓度无关(如果不考虑活度的影响)．而又分配比与c离子夜溶液中的浓度成反比，因为c将与A和B竞争树脂上的交换位置。

如果将分离因子S（A/B）定义为A与B的分配比的比，即则因为上述结果表明，当A与B两种离子带有相同量电荷时，选择系数就等于分离因子．但是必须注意，当A与B所带的电荷量不相同，如所带电荷量分别为M+与n+时，情况就完全不同了，这时，分离因子S（A/B）将与c在溶波中的浓度有关．由式(10．8)可知，在用离子交换技术分离痕量元素A+与B+时，与树脂存在的第三种离子c+无关，即使c+是大量时也如此，它们实际上可看作是下列交换反应的结果，A(s)十B(r)＝A(r)十B(s)由此可直接导出式（10．7)与(10．8)．和其它色谱方法一样，为了达到A与B的分离，A与B之中有一个离子被树脂吸附的能力要比另一个离于强，也就是说，A与B的分配比要有显著差异，以使S（A/B）=1。

当S（A/B）＞1时，A格选择性地交换到树脂上，也就是说，A的保留值要比B大。

如果S（A/B）＜3，则相反，此时树脂将选择性地吸附B。

因此，分离因子可用来评价树脂分离本领。

两种离子性质相近，S（A/B）就接近于1，它们之间就愈难分离。

要达到快速分离之目的, S（A/B）应大于1.5，否则在一般实验条件下，分离不佳。

3.4.3．不同电价阳离子的选择系数为了比较不同电价的阳离子对树脂的交换本领，可将上述交换反应及选择系数公式写成下列形式．今以三价阳离子为例：写成通式则成，3.4.4多价离子的分配比与选择系数的关系由式(10．10)可知：由式(10．12)可知，A n+对树脂的亲和力大时，则阳离子的选择系数值也大，因此金属离子的分配比也大。