离子交换法
离子交换法方程式
离子交换法方程式
（原创实用版）
目录
1.离子交换法的定义和原理
2.离子交换法的应用领域
3.离子交换法的方程式及其解析
正文
一、离子交换法的定义和原理
离子交换法是一种常用的物质分离和纯化方法，其基本原理是利用离子交换剂与待处理溶液中的离子进行交换，从而达到分离和纯化的目的。
离子交换剂通常是一种具有固定电荷和不同交换基团的高分子物质，它可以与溶液中的离子发生可逆的吸附和解吸附反应。
二、离子交换法的应用领域
离子交换法广泛应用于化学、生物学、环境科学等领域，主要用途包括：水处理、离子分离和浓缩、离子交换色谱、电镀废水处理等。
三、离子交换法的方程式及其解析
离子交换法的基本方程式如下：
R-H+ + Na+ → R-Na+ + H+
其中，R-H+ 代表待处理的阳离子，Na+ 代表交换剂上的可交换阳离子，R-Na+ 代表交换后的产物。
从方程式中可以看出，离子交换法的过程是一个动态平衡过程，其交换速度和交换效率受到多种因素的影响，如交换剂的物理和化学性质、溶液的 pH 值、反应时间等。
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第九章 离子交换法
离子交换法
本章需要掌握的知识点
什么是离子交换？ 离子交换树脂的分类？其主要的理化性质有哪些？ 离子交换的机理是什么？
什么是离子交换的选择性？其选择性受哪些因素影
响？
基本的离子交换操作是怎样的？
如何利用离子交换法分离蛋白质？
§ 9.1 概述
离子交换的发展
十八世纪中期由Thompson所发现，后来J.Thomas Way全面研究。
稳定
稳定
需过量的强酸 很容易 快 慢(除非离子 化后)
需要过量的 再生容易，可用碳酸 强碱 钠或氨 快 慢(除非离子化后)
大孔离子交换树脂 大孔离子交换树脂具有和大孔吸附剂相同的骨架结构，
在大孔吸附剂合成后（加入致孔剂），再引入化学功能 基团，便可得到大孔离子交换树脂。
特点：
空隙大，抗有机物污染能力较强。
国内外离子交换树脂相应牌号对照
704 = 311×2 717 = 201×7 732 = 001×7
711 = 201×4
703 = D311 HD42 = 001 Amberlite IR系列 Zerolit 系列
§ 9.3 离子交换树脂的性质与测定
一、生物相容性 二、结构性能 三、理化性能
离子交换法概述
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。该方法主要 依赖电荷间的相互作用，利用带电分子中的电荷的微小差 异而进行分离，具有较高的分离容量。
几乎所有的生物大分子都是极性的，都可使其带电， 所以离子交换法已广泛用于生物大分子的分离纯化技术。
3．交换容量
离子交换法
离子交换法简介离子交换法是一种常用的分离和提纯离子的方法。
它利用固体材料中存在的离子交换树脂来与溶液中的离子进行交换，并实现离子的选择性分离和浓缩。
离子交换法具有操作简便、工艺灵活、效果好等优点，被广泛应用于水处理、制药、饮料工业等领域。
原理离子交换法基于离子的化学性质和固体材料的物理性质，通过离子交换树脂将固态材料与溶液中的离子进行交换。
离子交换树脂是一种具有特殊结构的聚合物，其表面带有一定的正负电荷。
当离子溶液通过离子交换树脂时，其中的离子会与树脂表面的离子发生电荷交换，使离子从溶液中被吸附到固体材料上。
离子交换树脂可以根据其具有的功能基团而分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂。
阳离子交换树脂具有负电荷，可吸附并固定阳离子，阴离子交换树脂具有正电荷，可吸附并固定阴离子。
在实际应用中，通常使用一定的工艺步骤和反应条件，调节离子交换树脂与溶液中离子之间的交换效率和选择性。
应用离子交换法在许多领域得到了广泛的应用。
水处理离子交换法在水处理中起着重要的作用。
水中的硬度主要由钙和镁离子引起，在水中存在一定量的钠、钾和氢离子。
使用针对特定离子的离子交换树脂，可以将水中的硬度离子与树脂上的钠、钾或氢离子进行交换，从而降低水中的硬度。
此外，离子交换法还可以去除水中的有害离子，如重金属离子、铵离子等。
制药在制药过程中，离子交换法常用于药物的纯化和提纯。
药物中常常存在各种离子杂质，通过选择性吸附这些离子杂质的离子交换树脂，可以有效地将其从溶液中去除，并得到纯净的药物。
饮料工业离子交换法在饮料工业中也发挥着重要作用。
饮料中常常存在着对人体健康有害的重金属离子和有机物。
通过使用离子交换树脂，可以去除饮料中的这些有害成分，提高饮料的质量和安全性。
实施步骤离子交换法的具体实施步骤如下：1.选择适当的离子交换树脂。
根据需要从阳离子交换树脂和阴离子交换树脂中选择合适的材料。
2.准备离子交换树脂。
将离子交换树脂按照要求进行预处理，如清洗、活化等。
离子交换法
离子交换法主要是基于一种合成的离子交换剂作为吸附剂，以吸附溶液中需要分离的离子。
生物工业中最常用的交换剂为离子交换树脂，广泛用于提取氨基酸、有机酸、抗生素等小分子生物制品。
在提取过程中，生物制品从发酵液中吸附在离子交换树脂上，然后在适宜的条件下用洗脱剂将吸附物从树脂上洗脱下来，达到分离、浓缩、提纯的目的。
离子交换法的特点是树脂无毒性且可反复再生使用，少用或不用有机溶剂，因而成本低，设备简单，操作方便。
目前已成为生物制品提纯分离的主要方法之一。
但离子交换法也有生产周期长，PH变化范围大，甚至影响成品质量等缺点。
此外，离子交换树脂法还广泛用于脱色、硬水软化及制备无盐水等。
图1 离子交换车间一、离子交换树脂及其分离原理离子交换树脂是一种具有网状立体结构、且不溶于酸、碱和有机溶剂的固体高分子化合物．离子交换树脂的单元结构由两部分组成。
一部分是不可移动且具有立体结构的网络骨架，另一部分是可移动的活性离子。
活性离子可在网络骨架和溶液间自由迁移，当树脂处在溶液中时，其上的活性离子可与溶液中的同性离子产生交换过程。
这种交换是等当量进行的。
如果树脂释放的是活性阳离子，它就能和溶液中的阳离子发生交换，称阳离子交换树脂；如果释放的是活性阴离子，它就能交换溶液中的阴离子，称阴离子交换树脂。
(一)离子交换树脂的分类离子交换树脂通常有4种分类方法，一是按树脂骨架的主要成分将树脂分为聚苯乙烯型树脂，聚丙烯酸型树脂、酚-醛型树脂等；二是按聚合的化学反应分为共聚型树脂和缩聚型树脂；三是按树脂骨架的物理结构分为凝胶型树脂(亦称微孔树脂)、大网络树脂(亦称大孔树脂)及均孔树脂。
由于活性基团的电离程度决定了树脂酸性或碱性的强弱，所以又将树脂分为强酸性、弱酸性阳离子交换树脂、强碱性、弱碱性阴离子交换树脂。
活性基团决定着树脂的主要交换性能。
强酸性阳离子交换树脂这类树脂的活性基团有磺酸基团(-SO3H)和次甲基磺酸基团(-CH2SO3H)。
离子交换法
离子交换法概述
①
开始
-
-
+
-
-
+
-
-
离子交换层析原理
②
吸附
解 吸
③
剂 解吸
④
解吸结束
再
生 剂
⑤
再生
样 品
-
--+++-+++
-
+++++++
+++++++
++++++
RY + A+ → RA + Y+
←
从上面的反应式中可以看出，如果A离子与离子 交换剂的结合力强于Y离子，或者提高A离子的浓度， 或者通过改变其它一些条件，可以使A离子将Y离子 从离子交换剂上置换出来。也就是说，在一定条件 下，溶液中的某种离子基团可以把平衡离子置换出 来，并通过电荷基团结合到固定相上，而平衡离子 则进入流动相，这就是离子交换层析的基本置换反 应。
二、离子交换层析原理
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。
离子交换法概述
离子交换层析原理
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。
第四章离子交换法
离子交换树脂的结构 离子交换树脂是具有特殊网状结构的高分子化合物，由空间
网状结构骨架（即母体）和附着在骨架上的许多活性基团所构成。 活性基团遇水电离，分成：固定部分和活动部分
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树脂的网络骨架
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2.2离子交换树脂的分类 一般按树脂所带功能团的性质不同分为阳离子交换树
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离子交换法的应用： （1）从贫液中富集和回收有价金属：贵金属和稀有金属； （2）提纯化合物和分离性质相似的元素：稀土分离； （3）处理某些工厂的废水； （4）生产软化水。
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第二节 离子交换树脂及其性能
2.1离子交换树脂的结构
（1）高分子部分：聚苯乙烯或聚丙烯酸酯等。连接树脂 的功能团的作用。
柱上离子交换分为运动树脂床和固定树脂床。
交换柱内离子交换过程：B A B A
柱上中层为交换层。
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漏穿容量 （V V1 )C mol / L
废水中只有一种离子B+
V2
V 至漏穿时流过的料液体积；V1 树脂床的空隙体积；
进水（C0）
C V2 树脂床的体积；C 料液中金属离子浓度。
(c V）Na OH 交换容量＝
(c
V)
HCl
100 25
m 树脂(g)
100
0.1100 0.112.5
25 5(mmol.g 1 )
1
阳离子交换树脂： 交换容量＝ c V NaOH NaOH c HCl VHCl
干树脂质量 (g)
离子交换法
离子交换法离子交换法是以圆球形树脂(离子交换树脂)过滤原水，水中的离子会与固定在树脂上的离子交换。
常见的两种离子交换方法分别是硬水软化和去离子法。
硬水软化主要是用在反渗透(RO)处理之前，先将水质硬度降低的一种前处理程序。
软化机里面的球状树脂，以两个钠离子交换一个钙离子或镁离子的方式来软化水质。
离子交换树脂利用氢离子交换阳离子，而以氢氧根离子交换阴离子；以包含磺酸根的苯乙烯和二乙烯苯制成的阳离子交换树脂会以氢离子交换碰到的各种阳离子(例如Na+、Ca2+、Al3+)。
同样的，以包含季铵盐的苯乙烯制成的阴离子交换树脂会以氢氧根离子交换碰到的各种阴离子(如Cl-)。
从阳离子交换树脂释出的氢离子与从阴离子交换树脂释出的氢氧根离子相结合后生成纯水。
阴阳离子交换树脂可被分别包装在不同的离子交换床中，分成所谓的阴离子交换床和阳离子交换床。
也可以将阳离子交换树脂与阴离子交换树脂混在一起，置于同一个离子交换床中。
不论是那一种形式，当树脂与水中带电荷的杂质交换完树脂上的氢离子及(或)氢氧根离子，就必须进行“再生”。
再生的程序恰与纯化的程序相反，利用氢离子及氢氧根离子进行再生，交换附着在离子交换树脂上的杂质。
若将离子交换法与其他纯化水质方法(例如反渗透法、过滤法和活性碳吸附法)组合应用时，则离子交换法在整个纯化系统中，将扮演非常重要的一个部分。
离子交换法能有效的去除离子，却无法有效的去除大部分的有机物或微生物。
而微生物可附着在树脂上，并以树脂作为培养基，使得微生物可快速生长并产生热源。
因此，需配合其他的纯化方法设计使用。
活性碳吸附法有机物可能是阳离子、阴离子或非离子性的物质，离子交换树脂可去除原水中一些可溶性的有机酸和有机碱(阴离子和阳离子)，但有些非离子性的有机物却会被树脂包覆，这过程称为树脂的“污染阻塞”现象，不但会减少树脂的寿命，而且降低其交换能力。
为保护离子交换树脂，可将活性碳过滤器安装在离子交换树脂之前，以去除非离子性的有机物。
离子交换法和反渗透
离子交换法和反渗透离子交换法和反渗透是两种常见的水处理技术，用于去除水中的杂质和提高水质。
本文将分别介绍离子交换法和反渗透的原理、应用和优缺点。
一、离子交换法离子交换法是一种通过固液相之间离子交换的方法来实现水处理的技术。
其原理是利用具有交换性能的固体材料，将水中的离子与固体材料上的离子进行交换，从而去除水中的杂质。
离子交换法主要通过离子交换树脂来实现。
离子交换树脂是一种高分子化合物，具有很强的离子交换能力。
当水流经过离子交换树脂时，树脂上的离子与水中的离子发生交换，从而实现水质的净化。
离子交换法广泛应用于水处理领域。
例如，它可以用于软化水、去除重金属离子、去除放射性物质等。
离子交换法可以有效地去除水中的硬度离子，使水质变软，减少水垢的形成。
此外，离子交换法还可以去除水中的有害物质，提高水质。
离子交换法有一些优点和缺点。
其优点是操作简单、效果好、处理效率高。
离子交换法可以去除水中的杂质，改善水质，使水变得更加清洁。
然而，离子交换法也存在一些缺点，例如成本较高、耗能较多、产生废水等问题。
二、反渗透反渗透是一种利用半透膜来实现水处理的技术。
其原理是通过施加一定的压力，将水通过半透膜，从而去除水中的溶质和杂质。
反渗透主要通过反渗透膜来实现。
反渗透膜是一种具有特殊结构的薄膜，可以选择性地让水分子通过，而阻止溶质和杂质的通过。
当水流经过反渗透膜时，溶质和杂质被滞留在膜的一侧，而纯净水则通过膜的另一侧。
反渗透广泛应用于饮用水处理、工业废水处理等领域。
例如，它可以用于去除水中的盐分、有机物、细菌等。
反渗透可以有效地提高水质，得到符合饮用水标准的纯净水。
反渗透技术有一些优点和缺点。
其优点是处理效果好、水质高、操作简单。
反渗透可以彻底去除水中的溶质和杂质，获得纯净水。
然而，反渗透也存在一些缺点，例如设备成本高、能耗较大、产水量较低等问题。
离子交换法和反渗透是常见的水处理技术，可以有效地去除水中的杂质和提高水质。
离子交换法通过离子交换树脂实现，适用于软化水、去除重金属离子等应用。
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图8.14 用磺酸基树脂СБС从含 有HCl的溶液中，吸附土霉素的 量与树脂膨胀度之间的关系 1-0.1N HCl；2-0.25N HCl；30.5N HCl；4-1.0 N HCl;原始 溶液中士霉素浓度为 0.4mg/ml;m-对土霉素吸附量 meq/g 46
膨胀度与选择性的关系
图8.12 在甲基丙烯酸—丙烯酰胺树脂，链霉素与钠离子交换等温线 与树脂膨胀的关系 1—膨胀系数1.9；2—膨胀系数3；3—膨胀系数4.5；4—膨胀系数 5.2；m1—树脂对链霉素吸附量，meq/g； m2=m －m1 ；m—树脂的最大 交换容量，meq/g；C1，C2—溶液中链霉素和钠离子浓度，meq/ml 47
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阴离子交换树脂
• 强碱型阴离子交换树脂： •
• 弱碱型阴离子交换树脂：活性基团为伯、仲、叔胺 基。在碱性环境中解离度受到抑制。 • 中强碱性阴离子交换树脂：兼有以上两类活性基团。
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离子交换树脂功能基团的电离常数
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离子交换树脂的性能
14
两性树脂： 蛇笼树脂(snake-cage resins)
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• 一价阳离子亲和力的次序是： • H+≈Li+＜Na+＜K+≈ NH4+ ＜Ag+ • 对强碱性树脂阴离子亲和力次序： • F－＜OH－ ＜HCOO－ ＜Cl－＜Br－＜I－＜SO4 2• 对弱碱性树脂阴离子亲和力次序： • F－＜Cl－＜Br－=I－=Ac－＜ SO4 2- ＜OH－。
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第八章 离子交换法(ionexchange
1
第一节 基本原理
• 离子交换法：利用溶液中带电粒子与离 子交换剂之间结合力的差异进行物质分 离的操作方法。
• 带电粒子与离子交换剂间的作用力是静 电力。 • 电荷密度、电荷种类
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离子交换剂
• 离子交换剂：由惰性的不溶性载体、功能基团 和平衡离子组成。 • 阳离子交换剂：平衡离子带正电荷。 • 阴离子交换剂：平衡离子带负电荷。 • R-X+ + Y+ R-Y+ + X+ • R-表示阳离子交换剂的功能基团和载体；X+ 为平衡离子；Y+为交换离子。
• 表示溶液中与树脂表面的两种离子。
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尼科尔斯基方程式
• 用m1、m2及C1、C2分别代表树脂上和溶液中的 两种离子的浓度。 • 数量关系可表示:
•
• 尼科尔斯基方程式
• K＞1时 离子A1比离子A2对树脂有较大的吸引力
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二、离子交换速度
• • • •
R－B+ + A+ R－A+ + B+ 离子交换过程： 1、A+从溶液扩散到树脂表面。 2、A+ 从树脂颗粒表面扩散到颗粒中 心。 • 3、平衡离子A+ 与离子B+交换。 • 4、B+从交换中心扩散到离子表面。 • 5、B+ 再扩散到溶液中。
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三、主要理化常数的测定
• 1、含水量：常用干燥法和离 心法测得。 • 2、膨胀度：膨胀系数K膨胀。 • 3．湿真密度－树脂充满水时 的密度。 • 4.交换容量:meq/g 树脂。
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交换容量测定方法
• 阳离子交换树脂（氢型）的测定方法：一定量 树脂 中 加入 NaOH溶 液， 一天 或 数天 后 测定 NaOH剩余量，从消耗的碱量求交换容量。
• 如聚苯乙烯磺酸型钠树脂。
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阳离子交换树脂分类
• 强酸型树脂：磺酸型树脂，功 能基团为磺酸根(—SO3H)及甲 基磺酸根(—CH2SO3H)，有好 的解离能力。 • 中酸性树脂：磷酸型树脂（— PO3H2 ） • 弱酸性树脂：羧酸型树脂和酚 型树脂（—COOH , ）， 在酸性环境中解离度受到抑制。
• 724树脂：它是由甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲 酯和二乙烯苯三元共聚而得 。
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（三）其它离子交换树脂
• • • •
蛇笼树脂：脱盐 螯形树脂：金属离子 吸附树脂 ：“脱色树脂” 热再生离子交换树脂：
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常用离子交换树脂特性表
•
22
第三节 离子交换动力学
• 一、离子交换平衡
• • R代表离子交换树脂，Z1 及Z2 分别为离子A1 和A2 的 价电数。
离子交换树脂的性能
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强酸强碱树脂对各种离子的选择系数
• H+≈Li+＜Na+＜K+≈ NH4+ ＜Pb+＜Cs+＜Ag+＜Ti+ 。
42
二、离子化合价与离子浓度的影响：
• 设离子平衡后溶液中两种离子的浓度比 是定值P. • C1/C2=P • 在稀溶液(C2 较小)中，树脂吸附高价离 子的倾向很大。
• pH大于等电点时，物质带负电荷， 与阴离子交换剂进行交换； • pH小于等电点时，物质带正电荷， 可以与阳离子交换剂进行交换。
7
蛋白质等电点与所用交换剂
8
离子交换技术的应用
9
第二节 离子交换树脂的结构和种类
• 离子交换树脂构成： • （1）惰性的不溶性高分子固定骨架，称载体。 • （2）与载体共价键连接的不能移动的活性基团， 又称功能基团。 • （3）与功能基团以离子键连接的可移动的活性 离子，亦称平衡离子。
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离子交换树脂的命名：
• • • • • • 强酸类 1～100号； 弱酸类 101～200； 强碱类201～300； 弱碱类301~400； 中强酸类401～500 交联度：是合成载体骨架时交联剂重量的百分数， 用“×”将树脂编号与交联度分开。 • 弱酸101 ×4其交联度为4％。 • 国内常用树脂命名：724择性
• 影响离子交换选择性的因素： • 离子价与离子水合半径 • 离子价与离子浓度 • 交换环境 • 树脂结构 • 偶极离子排斥
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一、离子的化合价与水合半径的影响：
• 相对亲和力和相对浓度。
• 电荷效应越强的离子与树脂的亲和力越 大，而决定电荷效应的主要因素是价电 数和离子半径。
再生过程： • （1） 去杂，大量水冲洗，除去物理吸附的杂质。 • （2） 用酸、碱处理除去与功能基团结合的杂质。 • (3) 转型：
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三、基本操作方法
• 交换：静态交换 动态交换
• 洗脱： • 洗脱方式：分静态洗脱及动态洗脱两种，pH 及离子强度改变。 • 洗脱液：酸、碱、盐。
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• 酸、碱洗脱液旨在改变吸附物的电荷或改变 树脂吸附基团的解离状态，以消除静电结合 力，迫使目的物被释放出来；
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粒子扩散
• 速度： • 颗粒孔径、 • 颗粒半径、 • 树脂交换容量、 • 离子A+的半径与电荷、 • 平衡离子的性质（电荷、半径）。
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离子交换速度的影响因素：
• • • • 1、树脂粒度：树脂粒度大，交换速度慢。 2、搅拌速度 3、树脂交联度：交联度大，交换速度低。 4、离子半径和离子价：离子每增加一个电荷，交换 速度下降一个数量级。 • 5、温度。 • 6、离子浓度：交换速度随离子浓度的上升而加快。
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三、离子交换动力学
• 交换离子被吸附，平衡离子被释放。 • 交换带：交换离子A1由于被树脂吸附，其 浓度从起始浓度Co逐渐下降到0的树脂层。 • 交换带窄：K＞1 ；A1浓度小；流速慢。
28
第四节 离子交换树脂的性能
• 一、离子交换对树脂的基本要求 • 二、影响树脂性能的几个因素 • 三、主要理化常数的测定
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二、树脂的处理和再生
1、 外观特征 • 透明或半透明；颗粒圆整，粒度均匀， 强度。 • 2、 树脂的预处理 • （1） 物理处理：去杂，过筛。 • （2） 化学处理：用8～10倍的1mol/L 盐酸或氢氧化钠溶液交替浸泡。
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氨基酸分离前树脂的处理
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不同类型树脂的处理
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树脂的再生
树脂再生：使用过的树脂重新获得使用性能的处理 过程。
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pH对交换容量的影响
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钠型树脂与氢型树脂
• 偶极离子在离子交换过程中的行为是很特殊的，以氨基酸 的交换为例： • RSO3-Na+ + H3+NRCOO RSO3- H3+ NRCOO - +Na+ • RSO3- H + + H3+NRCOO RSO3- H3+ NRCOO H
• 钠盐树脂 • 氢型树脂，被取代的氢离子为羧基所固定，使被吸附的氨 基酸不能形成偶极，与树脂之磺酸基没有排斥力。 • 与钠型树脂相比，氢型树脂有较大的有效交换容量。
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RSO3- H3+ NRCOO - +Na+ RSO3- H3+ NRCOO H
氢型与钠型磺酸基树脂吸附氨基酸比较
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第六节 离子交换操作方法
• 一、 树脂的选择 • 目的物是弱酸性或弱碱性的小分子 物质时，宜选用强酸强碱树脂（氨 基酸的分离）。
• 蛋白质、酶和其它生物大分子的分 离多采用弱碱或弱酸性树脂，减少 生物大分子的变性，利于洗脱，提 高选择性。
• 对阳离子交换树脂而言，目的物的pI值愈大 （愈碱），将其洗脱下来所需溶液的pH值也 愈高。
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离子交换树脂吸附和洗脱过程
•
（1）X+为平衡离子，YH+及Z+为待分离离子； （2）YH+和Z+取代X+而被吸附； （3）加碱后YH+失去正电荷，被洗脱； （4）提高X+的浓度取代出Z+ 6
树脂的选择
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一、离子交换对树脂的基本要求：
• • • • •
1、有尽可能大的交换容量。 2、有良好的交换选择性。 3、化学性质稳定。 4、化学动力学性能好。 5、物理性能好。