第六章 离子交换分离技术

第六章离子交换分离技术

1.离子交换法是应用离子交换剂作为吸附剂通过静电引力吸附在离子交换器上，然后用洗脱剂洗脱下来从而达到分离、浓缩、纯化的目的。现已广泛应用于生物分离过程在原料液脱色、除臭、目标产物的提取，浓缩和粗分离等方面发挥着重要作用。

2.离子交换法要使用离子交换剂，常用的离子交换剂有两种：

使用人工高聚物作载体的离子交换树脂

是使用多糖做载体的多糖基离子交换剂

3.离子交换树脂是一种不溶于酸、碱和有机溶剂的固态高分子聚合物。

4.离子交换树脂的构成：载体或骨架：功能基团；平衡离子或可交换离子

5.离子交换反应是可逆的，符合质量作用定律

6.离子交换树脂按照活性离子的分类

树脂活性离子带正电荷，可与溶液中的阳离子发生交换，称为阳离子交换树脂

树脂活性离子带负电荷，可以溶液中的阴离子发生交换，称为阴离子离子交换树脂

7.离子交换树脂分离纯化物质主要通过选择性吸附（进行吸附时具有较强的结合力）和分步洗脱这两个过程来实现

8.强酸性阳离子交换树脂洗脱顺序：酸性<中性<碱性

9.离子交换树脂的分类方法有4种

按树脂骨架的主要成分分：聚苯乙烯型树脂；聚苯烯酸型树脂；多乙烯多氨-环氧氯苯烷树脂；酚-醛型树脂；

按骨架的物理结构来分：凝胶型树脂（微孔树脂，呈透明状态，高分子骨架）；大网格树脂（大树树脂，填充剂）；均孔树脂（等孔树脂）；

按活性基团分类：阳离子交换树脂，对阳离子具有交换能力

强酸性阳离子交换树脂：活性基团为硫酸基团（-SO3H）和次甲酸磺酸基团（-CH2SO3H）。都是强酸性基团能在溶液中解离出H+。

弱酸性阳离子交换树脂：活性基团由羧基（-COOH）和酚羟基（-OH），交换能力差。

阴离子交换树脂：活性基团为碱性，对阴离子具有交换能力

强碱性阴离子交换树脂：活性基团为季铵基团（-NR3OH），能在水中解离出OH-而呈碱性

弱碱性阴离子交换树脂：伯氨基（-NH2）仲氨基（-NHR）或叔氨基（-NR2），能在水中解离出OH-，但解离能力较弱，交换能力差

以上4种树脂是树脂的基本类型，各种树脂的强弱最好用其活性基团的pK来表示

11.大孔型离子交换树脂的特点

载体骨架交联度高，有较好的化学和物理稳定性和机械强度

孔径大

表面积大，表面吸附强

孔隙率大，密度小

12.离子交换树脂的命名由3位阿拉伯数字组成：第一位数字代表产品的分类，第二位数字代表骨架，第三位数字微顺序号

13.离子交换树脂的理化性能：交联度；交换容量；粒度和形状（色谱用50到100目树脂，一般提取纯化用20到60目树脂）；滴定曲线（是检验和测定离子交换树脂性能的重要数据）；稳定性；膨胀性（膨胀度）

14.交换容量（名解）：是每克干燥的离子交换树脂或每毫升完全溶胀的离子交换树脂所能吸附的一价离子的毫摩尔数。

15.离子交换选择性

离子化合价（离子交换树脂总是优先吸附高价离子，阳离子的被吸附顺序为：Fe3+>AI3+>Ca2+>Mg2+>Na+；阴离子的被吸附顺序为：柠檬酸根>硫酸根>硝酸根）

离子的水化半径

溶液浓度，在稀溶液中比较大

离子强度（尽可能采用低离子强度）

溶液的pH

树脂与离子间的辅助力

有机溶剂的影响

树脂物理结构的影响

16.离子交换速度的影响因素

数值力度，树脂的交联度，溶液流速，离子的化合价，离子浓度，温度，离子的大小（小离子的交换速度比较快）

17.对阴离子交换树脂的选择

一般根据被分离物质所带的电荷来决定选用哪种树脂?

如果被分离物质带正电荷，应采用阳离子交换树脂；被分离物质带负电荷，应采用阴离子交换树脂

对离子交换树脂强弱的选择

当目的物具有较强的碱性和酸性时，宜选用弱酸性或弱碱性的树脂以提高选择性并便于洗脱；如果目的物是弱酸性或弱碱性的小分子物质时，往往选用强碱性或强酸性树脂，以保证有足够的结合力，便于分部洗脱。对于大多数蛋白质酶和其他生物大分子的分离多采用弱碱或弱酸性树脂，以减少生物大分子的变性有利于洗脱并提高选择性。

对离子交换树脂型的选择

使用弱酸或弱碱性数值分离物质时，不能使用H或OH型，因为这两种交换剂分别对这两种离子具有很大的亲和力，不容易被其他物质所代替，应选用钠型或氯型

18.离子交换树脂操作条件的选择

交换时的pH：合适的ph应具备三个条件：ph应在产物的稳定范围内；能使产物离子化；能使树脂解离

溶液中产物的浓度

洗脱条件

19.再生（名解）：让使用过的树脂重新获得使用性能的处理过程

20.阳离子树脂受有机物污染时可用处理再生溶液：10%NACI+2%~5%NaOH混合溶液

21.阴离子树脂可在1mol/L HCI中保存，阳离子在1mol/L NaOH中保存

22.离子交换的操作方式

静态操作：静态交换是将树脂与交换溶液混合置一定的容器中搅拌进行。

静态法操作简单、设备要求低，是分批进行

动态操作：是先将树脂装柱。交换溶液以平流方式通过柱床进行交换。该法不需要搅拌、交换完全、操作连续。适合多组分分离

23.葡聚糖凝胶的分离是根据分子量不同。能大量引入活性基团而骨架不被破坏，交换容量很大，是离子交换纤维素的3-4倍，外形呈球形，装柱后，流动相在柱内流动的阻力较小，流速理想，最适用于大分子的分离纯化。

24.离子交换葡聚糖命名时将活性基团写在前面，然后写骨架Sephadex，最后写原骨架的编号。葡聚糖凝胶G-25（Sephadex G-25）孔径最小

25.普通的井水，自来水等都是含Ca2+、Mg2+的硬水。利用钠型磺酸树脂除去水中的Ca2+、Mg2+等碱金属离子后即可制得软水。

26.一级交换：原水经过阴、阳树脂一次的交换

27.抗生素是发酵行业的一大类产品，利用离子交换树脂可以选择性吸附分离多种离子型抗生素，不仅回收率高，而且得到的产品纯度较好。

28.洗脱：离子交换完成后将树脂弱吸附的物质释放出来重新转入溶液的过程