第八章+离子交换
第八章 离子交换
8-1 概述
8.1.1 离子交换的处理对象与功能
1、处理对象
水处理中，用于软化（去除水中能引起结垢的钙、镁离子）和除盐（去除水中所有阴、阳离子）。
废水处理中，用于去除金属离子。
2、功能
满足更高的用水水质要求；
实现水或废水的深度处理，利于回用。
8.1.2 离子交换的实质
Ion exchange is a reversible chemical reaction wherein an ion from solution is exchanged for a similarly charged ion attached to an immobile solid particle. These solid ion exchange particles are either naturally occurring inorganic zeolites or synthetically produced organic resins. The synthetic organic resins are the predominant type used today because their characteristics can be tailored to specific applications.
离子交换的实质是不溶性离子化合物（离子交换剂）上的可交换离子与溶液中其它同样离子的交换反应，是一种特殊的吸附过程，通常是可逆的化学吸附。
（1）利用不溶性离子化合物（即离子交换剂）上的可交换离子与废水中的其它同性离
子所具有的交换能力，将废水中有害离子去除的交换反应过程。
（2）是一种特殊的可逆化学吸附过程。
（3）离子交换剂是实现此过程的执行者。
反应式可表达为：
平衡时，有：
K—平衡常数。K越大，越有利于交换反应。K值能定量地表示离子交换选择性的大小，故亦称为选择性系数。
8.1.3 离子交换的过程
Ion exchange is a reversible chemical reaction in which one type of ion (electrically charged atoms or molecules) is exchanged for another.
During the process, a solution containing the ionic materials to be separated is exposed to an insoluble solid. When contact is made, an exchange of ions takes place.
▲Movement of the ions from bulk of solution
▲Diffusion of the ions through the laminar film
▲Diffusion of the ions through the pores
▲ Ion exchange
▲Diffusion of the exchanged ions outward
▲Diffusion of the exchanged ions through laminar layer
▲Movement of exchanged ion into bulk of solution
8-2 离子交换剂及其特性
水处理中常用的离子交换剂为磺化煤和离子交换树指，废水处理中主要用树指。
磺化煤：煤研磨后经浓硫酸处理而得的碳质离子交换剂。
离子交换树脂：有凝胶型、大孔型和等孔型等。根据交换基团（活性基团）的不同，
可分为强酸性、弱酸性、强碱性、弱碱性四种。前两种有酸性交换基团，为阳离子型交换树脂；后两种带碱性交换基团，为阴离子交换树脂。
8.2.1 离子交换树脂（Resin）的结构与类型
1、结构特征
离子交换树脂是人工合成的高分子化合物（小球状、多孔结构），由树脂本体（母体、骨架）和交换基团两大部分组成。
母体：由高分子化合物与交联剂经聚合反应而成。组成母体的单体材料有苯乙烯、丙烯酸、酚醛等。苯乙烯树脂是用苯乙烯做单体、二乙烯苯作为交联剂经缩合反应而得的苯乙烯和二乙烯苯的共聚物小球体。粒径：0.6~1.2mm（大）；0.3~0.6mm（中）；0.02~0.1mm（小）。其中，树脂中交联剂的重量在树脂重量中所占的百分数称为交联度。
交换基团：树脂母体并不具有离子交换性能，只能在母体上引入交换基团才成为离子化合物，具有离子交换能力。常用的交换基团有：经磺化反应引入的-SO3H（阳离子）；经氯甲基化及胺化引入的≡NOH（强碱性阴离子）、≡NHOH（叔胺型）、=NH2OH（仲胺型）和—NH3OH（伯胺型）等。
交换基团分为固定离子和活动（可交换）离子。
固定离子：与母体牢固结合，固定在树脂的网状骨架上，不能自由移动。
活动离子：依靠静电引力与固定离子结合，遇水可离解，并能在一定范围内自由移动，与水中其它同性离子进行交换反应，为可交换离子。
例：—SO3H中，—SO3固定离子，H+可交换离子；≡NHOH中，≡NH为固定离子，OH-可交换离子。
故：酸性树脂以RH表示；碱性树脂以ROH表示。
外观呈球状颗粒。阳离子树脂色深而阴离子交换树脂色较浅。
2、树脂的类型
按树脂类型和孔结构不同，分为凝胶型、大孔型、多孔型、巨孔型等。
按活性基团不同：
阳离子（酸性基团） 强酸型（-SO 3H ）
； 弱酸性（-COOH ）；
阴离子（碱性基团） 强碱性（≡NOH 季胺型）；
弱碱性（≡NHOH ，= NH 2OH ，—NH 3OH ）
； 螯合树指（羟胺基团）；
氧化还原树指：两性树指等。
8.2.2 离子交换树脂（Resin ）的性能指标
1、密度：
有干真密度、湿真密度和湿视密度
1）湿真密度：树脂在水中经充分膨胀后的颗粒密度。
）（湿树脂颗粒体积
湿树脂重湿真密度L g /= 一般在1.04~1.3之间
2）湿视密度：树脂在水中充分膨胀后的堆积密度
）（湿树脂堆积体积
湿树脂重湿视密度L g /= 一般在0.6~0.85之间，常用来计算树脂的用量
2、含水率
在水中充分膨胀后的湿树脂所含溶胀水的重量与湿树脂重量的百分比，即：
%100×+=溶胀水重
干树脂重溶胀水重含水率 反映树脂的交联度和孔隙率。与交联度成反比。一般为40%左右。冬季贮存时，应注意防冻。
3、酸、碱性
离子交换树脂具有一般酸、碱的反应性能，在水中离解出H+或OH-。根据离解能力的大小，树脂的酸、碱性有强、弱之分。故不同的树脂在使用时有不同的有效pH 值范围。
pH 影响活性基团的电离能力，强酸强碱性受其影响小，弱酸碱性则受pH 影响大。
4、选择性
离子交换树脂对水中某种离子能优先交换的性能称为离子交换选择性。选择性表示了交换离子取代树脂上可交换离子的难易程度，与树脂间结合力的大小，离子交换的先后顺序和交换量。交换离子与树脂的亲和力的大小称为交换势。交换势越大，表明选择性越高。 关于不同离子交换势的大小，有多种理论解释，影响因素较多，一般有如下规律：
① 离子的交换势，与自身化学性质，树脂化学性有关，并受温度和浓度影响较大。下面介绍的规律适用于常温和低浓度溶液中。
② 离子所带电荷愈多，交换势愈大。
Th 4+ > Al 3+ > Ca 2+ > Na +
PO 43- > SO 42- > Cl -
③ 电荷相同时，大致是原子序数愈高或水合半径愈小，交换势愈大，副族元素正好相反。
Fe 3+ > Al 3+ > Ca 2+ > Mg 2+ > K + ≈ NH 3+ > Na + > Li +
NO 3- > Cl - > HCO 3- > HSiO 3-
④ H+和OH-的交换选择性与树脂的酸、碱性关系很大，如：
强酸性阳树脂 Fe 3+ > Al 3+ > Ca 2+ > … > Na + > H + > Li +
弱酸性阳树脂 H + > Fe 3+ > …
强碱性阴树脂 SO 42- > NO 3- > Cl - > OH - > F - > HCO 3- > HSiO 3-
弱碱性阴树脂 OH - > SO 42- > …
⑤ 离子量高的有机离子和金属络合离子交换势特别大。
⑥ 大孔型树脂具有很强的吸附性，可以吸附非离型杂质。
上述规律适用于稀溶液，当离子浓度很高时则可使交换次序发生改变，再生时即如此。
5、交换容量
是树脂最重要的性能指标，定量表示树指交换能力的大小。
表示方法：① 重量表示法：单位重量干树脂的交换能力，毫克当量/克干树脂； ② 体积表示法：单位重量湿树脂的交换能力，毫克当量/毫升湿树脂。 两种表示方法之间具有如下关系：
湿视密度含水率×?×=)1(w v E E
式中：E v —单位体积湿树脂的交换能力（毫克当量/毫升湿树脂）
； E w —单位重量干树脂的交换能力（毫克当量/克干树脂）
。 树脂的交换容量有几种，常用两种：
1）全（总）交换容量：指单位重量（干）或单位体积（湿）树脂的交换基团总数，用滴定法测定。
2）工作交换容量：指树脂在动态工作状态下的交换容量，即树脂在给定工作条件下的实际交换能力，一般为总交换容量的60~70％。影响因素包括再生程度、废水的离子种类、浓度、树脂层高度、水流速度、交换终点指标等。
6、交联度
树脂中交联剂重量占树脂总重量的百分数，影响树脂的许多性能。交联度高，孔隙率低，密度大，离子扩散速率较低，对半径较大的离子和水合离子的交换量较小，溶胀率小，稳定，不易破碎。
水处理中使用的离子交换树指，交联度一般7~10％。
7、外观
1）颜色苯乙烯系骨架树脂为黄色，其它有赤褐色和黑色；凝胶型树脂呈透明或半透明；大孔型树脂不透明。
2）形状一般为球形。均一系数一般近于1，粒径通常为0.3~1.2mm，球形率为90%以上。
8、树脂的再生
交换后的树脂在强酸或强碱中浸泡可恢复交换能力，称为树脂的再生。
9、废水水质对离子交换的影响
（1）悬浮物、油脂：堵塞树指孔隙，包裹树脂颗粒，影响交换容量。
预处理：沉淀、过滤、除油等。
（2）有机物：某些高分子有机物与固定离子结合力很强，使树脂难以再生，降低了交换容量。
减少有机污染，选用低交联度树脂，预处理，特殊的再生操作( 加氧化剂等)。
（3）高价金属离子：Fe3+、Al3+、Cr3+，与固定离子结合力强，优先交换。难以再生、洗脱（中毒），降低工作容量。
高浓度酸（10~15％HCl或20％H2SO4）长时间浸泡。
（4）氧化剂：如Cl2、O2、H2Cr2O7等，会使树脂氧化分解，强碱性树脂容易被氧化，使交换基团变成非碱性物质，完全丧失交换能力；氧化作用影响母体，使树脂加速老化。选用交联度大的树指，加入适当的还原剂等。
8-3 离子交换的原理
8.3.1 离子交换反应过程
1、水中Na+离子扩散至树脂表面水膜；（膜扩散）
2、Na+经水膜至某一交换基团位置；（内扩散）
3、Na+与H+交换
4、交换下的H+经孔隙向树脂表面扩散；（内扩散）
5、H+经水膜向水中扩散。（膜扩散）
其中第三步速度快，其余步骤速度慢，离子交换速度指全过程的速度。
8.3.2 离子交换平衡
1、离子交换平衡之涵义
在一定温度下、经一定时间后，离子交换体系中的树脂相和液相间的离子交换反应达到平衡。
服从等当量交换原则和选择性原则
2、影响交换速度的因素
（1）交联度
交联度大，孔隙小，则内扩散慢，交换速度受内扩散控制。
（2）水中的离子浓度
浓度梯度是扩散的推动力。故浓度高（>0.1M），为内扩散控制；浓度低（<0.003M）为膜扩散控制。
（3）水的流速
水流速度增加，可加快膜扩散，但对内扩散无影响。
（4）树脂颗粒大小
树脂颗粒越小，交换速度越大。
（5）水温
水温高速度加快。
以强酸型Na型阳树脂交换水中Ca2+为例：
8.3.3 离子交换速度
1、离子交换的历程（7步）
Movement of the ions from bulk of solution(1)
Diffusion of the ions through the laminar film(2)
Diffusion of the ions through the pores(3)
Ion exchange (4)
Diffusion of the exchanged ions outward(5)
Diffusion of the exchanged ions through(6) laminar layer
Movement of exchanged ion into bulk of solution(7)
2、离子交换速度
式中：dE/dT—单位时间内单位体积树脂的离子交换量；
D0—总扩散系数；
B—与粒度均匀程度有关的系数；
C1，C2—同一种离子在液相和树脂相中的浓度；
p—树脂的空隙度；
Ф—树脂颗粒粒径；
δ—扩散距离。
3、影响交换速度的因素
（1）树脂交联度；
（2）树脂的粒径；
（3）树脂的空隙度；
（4）水中离子浓度：当液相中离子浓度在0.1mmol/L以上时，离子在水膜中具有较快的扩散速度，交换速度受树脂孔道扩散的影响；若液相中离子浓度在0.003mmol/L以下时，离子在水膜中的扩散速度很慢，交换速度受液膜扩散的影响。
（5）液相的流动速度；
（6）液相的温度。
8.3.4 固定床离子交换原理
在离子交换柱中装填钠型树脂，从上而下通以含有一定浓度钙离子的硬水。交换反应进行一段时间后，停止运行，逐层取出样品并测定其吸着的钙离子含量以及饱和程度。图中，黑点表示钙型树脂，白点表示钠型树脂，1段表示树脂已全部被钙离子饱和，2段表示正在进行离子交换反应的部分，其饱和程度顺着流向逐渐减小（每层白点与黑点的比例只是形象地表示该薄层中树脂的饱和程度），3段表示树脂尚未进行交换的区段。如把整个树脂层各点饱和程度连成曲线，即得图所表示的饱和程度曲线。
实验证明，树脂层离子交换过程可分为两个阶段（见图）。第一阶段即刚开始交换反应的一段不长时间内，树脂饱和曲线形状不断变化，随即形成一定形式的曲线，称之为交换带形成阶段。第二阶段是一定型的交换带沿着水流方向以一定速度向前推移的过程。此时，每股进水的钙、镁离子与某一定厚度的交换带进行交换反应，因此，所谓交换带也就是指在某一时刻正在进行交换反应的软化工作层。这个软化工作层并非在一段时间内固定不动的，而是随着时间的推移而缓慢地推移。交换带厚度可以理解为处于动态的软化工作层的厚度。
当交换带下端到达树脂层底部，硬度也就开始泄漏。此时，整个树脂层可分为两个部分：树脂交换容量得到充分利用的部分称为饱和层，树脂交换容量只是部分利用的部分称为
保护层。可见，交换带厚度相当于此时的保护层厚度，在水的离子交换软化的情况下，交换带厚度主要与进水流速及进水总硬度有关。
8-4 离子交换装置及运行
8.4.1 固定床离子交换器
1、固定床离子交换器
离子交换剂在一个设备中完成交换（产水）、再生等过程的装置。
2、类型
按液流方向——顺流再生式、逆流再生式等；
按树脂状态——单层床、双层床、混合床等；
按功能——阳离子床和阴离子床、复床。
3、运行过程
（1）顺流再生交换器的运行
最早应用之间歇运行床型。
运行（ion exchange）时，水流自上而下通过resin层；再生（regeneration）时，再生液的流向与交换时水流向相同（故名顺流，co-current）。
其运行有五个阶段（一个运行周期）：反洗—进再生液—置换—正洗—制水（离子交换）。
（2）顺流再生交换器的再生过程
反洗
用清水自下而上进行短时间强烈反冲洗。以松动树脂层、清除其中的SS等杂质。一般需10~15min，至不排浑水为止。
进再生液
将反洗后交换器内的水放至树脂层上10~20cm处，将一定浓度的再生液以一定流速（4~8m/h）自上而下流过树脂层。
置换
以清水按再生液的流想和流速通过树脂层，以提高再生液的利用率。
正洗
以6~10m/h的流速，用清水自上而下清洗树脂层，直至出水合格（如出水硬度不超过0.05mgN/L）。
（3）再生剂及其用量
再生剂
根据树脂类型，分别采用。再生剂浓度过高，导致树脂基团过分压缩，而影响再生效果。
Na型（RNa）树脂：5~10%的NaCl溶液；
H型树脂（强酸RH）：HCl（5~10%）；H2SO4（1~2%）。
OH型树脂（强碱ROH）：NaOH（5~10%）。
用量
Na型（RNa）树脂一般为理论值得的2~3.5倍；
H型树脂（强酸RH）一般为理论值的2~5倍。
4、工艺设计
根据离子交换过程中的物料衡算原理，有：
8.4.2 移动床离子交换器
1、移动床离子交换器的运行
交换器中的树脂在运行中周期性地移动至再生装置进行再生，即其交换和再生分别在不同的设备中同时进行。半连续运行。
由交换塔、再生塔和清洗装置组成。
有单塔、二塔和三塔系统。
运行初期，原水从底部进入交换塔，将配水装置以上树脂托起（成床）。
运行一段时间后，停止进水，并排水使塔中压力下降，树脂下沉（落床）。此间完成再生树脂的补充和失效树脂的排出。两次落床间的运行时间为一个大周期。
失效树脂在再生塔再生。经贮存漏斗并清洗后返回交换塔。再生塔两次排出再生树脂的时间间隔为一个小周期。
2、移动床离子交换器的运行特点
（1）优点
★运行流速高，树脂利用率高
★占地面积小
★可基本连续制（供）水
（2）缺点
★树脂移动频繁而损耗大
★操作复杂易出故障
★对水质水量适应性较差
★再生剂比耗高
8.4.3 流动床离子交换器
1、流动床离子交换器的运行
完全连续运行；
有压力式和重力式；
由交换塔、再生塔及（清洗塔）组成；
其特点基本与移动床相同，但树脂的磨损更大；运行为完全连续。
8-5 离子交换的应用
8.5.1 水的软化处理
1、目的、应用场合及工艺类型
（1）软化的目的
去除水中的硬度离子（Ca2+，Mg 2+等阳离子）；
防止用水（管道、锅炉、供热系统等）结垢；
符合精密仪器生产和使用要求。
（2）应用场合
地下水处理；
北方地区地表水；
工业用水；
水回用。
（3）工艺类型
Na离子交换软化系统、H离子交换软化系统、 H-Na离子交换软化系统。
水的离子交换软化是指利用离子交换去除水中的硬度离子（Ca、Mg），主要利用阳离子交换树脂的交换特性。
2、阳离子交换树脂的交换特性
（1）钠型树脂的交换特性
2RNa + Ca(HCO3)2 →R2Ca + 2NaHCO3
2RNa + Mg(HCO3)2→R2Mg + 2NaHCO3
2RNa + CaSO4→R2Ca + Na2SO4
2RNa + MgCl2→R2Mg + 2NaCl
水的硬度可分为碳酸盐硬度和非碳酸盐硬度。从上述反应方程式可以看出，利用钠型树脂可去除水中的硬度，但不能去除碱度。
（2）强酸性H型树脂的交换特性
2RH + Ca(HCO3)2→R2Ca + 2CO2 ↑ + 2H2O
2RH + CaSO4→R2Ca + H2SO4
2RH + CaCl2→R2Ca + 2HCl
RH + NaCl → RNa + HCl
从上述反应方程式可知，利用强酸性H型树脂不仅可去除水中的硬度，还可去除碱度。
（3）弱酸性H型树脂的交换特性
弱酸性H型树脂常用的有丙烯酸型，交换基团是-COOH，交换时只能去除碳酸盐硬度，而不能去除非碳酸盐硬度。
3、离子交换软化系统
主要根据原水水质和处理要求来选择，常用的有Na离子交换软化系统和H-Na离子交换脱碱软化系统。
（1）Na离子交换软化系统
Na离子交换软化系统只去除硬度，不能去除碱度。常用的有单级Na离子交换软化系统和多级Na离子交换软化系统。
单级Na离子交换软化系统
二级Na离子交换软化系统
实验2 离子交换法制备去离子水
实验2 离子交换法制备去离子水 一、实验目的 1．了解离子交换法的原理。 2．掌握离子交换柱的制作方法及去离子水的制备方法。 3．学习电导率仪的使用及水中常见离子的定性鉴定方法。 二、实验原理 1．离子原理 无论是工农业生产用水、日常生活用水，还是科研实验用水，对水质都有一定的要求。在天然水或者自来水中含有各种各样的无机和有机杂质，常见的无机 杂质有+2Mg 、+2Ca 、-23CO 、-3HCO 、-Cl 离子及某些气体。常见的处理方法有 蒸馏法、电渗析法和离子交换法。本实验中主要介绍离子交换法的原理及应用。 离子交换法中起核心作用的物质就是离子交换树脂，它是一种具有网状结构的有机高分子聚合物，由本体和交换基团两部分组成，其中本体起的是载体作用，而本体上附着的交换基团才是活性成分。根据活性基团类型的不同，可以把离子交换树脂分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂。 典型的阳离子交换树脂是磺酸盐型交换树脂，其结构为 其中H +离子可以电离，进入溶液，并与溶液中阳离子如+Na 、+2Mg 、+ 2Ca 离子等进行交换，故名为阳离子交换树脂。 典型的阴离子交换树脂如季铵盐型离子交换树脂，其结构为 其中-OH 离子可以电离进入溶液，并与溶液中阴离子-24SO 、- CI 离子等进行 交换，故名为阴离子交换树 脂 等净化的水分别经过阴 离子交换树脂后，杂
质离子被+H 离子和-OH 离子所取代，最后通过中和反应 结合生成水，达到净化的 目的。值得指出的是离子交换法只 能对水中电解质杂质有较好的净化作用，而对其他类型杂质如有机杂质是无能为力的。 实际生产时，将离子交换树脂装填入容器状管道中，做成离子交换柱（见图3.28），一个阳离子交换柱和一个阴离子交换柱串联在一起使用，称为一级离子交换法水处理装置（图3.29）。该装置串联的级数越多，去杂质的效果显然越好。实际上实验室里使用的所谓蒸馏水，有很多就是通过离子交换法制得的。 离子换柱在使用过一段时间后，柱内树脂的离子交换能力会出现下降，解决办法是分别让NaOH 溶液和HCl 溶液流过失效的阳离子和阴离子交换树脂，这一过程叫做离子交换树脂的再生。 2．水质的检验 由于纯水中只含有微量的+H 离子和-OH 离子，所以电导率极小，如果水中含有电解质杂质，会使得水的电导率明显增大。故用电导率仪测定水样的电导率大小，可以估计出水样的纯度。 另外还可以用化学方法对水样中常见离子进行定性鉴定： （1）-C1离子：用3AgNO 溶液鉴定。 （2）- 24SO 离子：用2BaC1溶液鉴定。 （3）+2Mg 离子：在pH 约为8～11的溶液中，用铬黑T 检验+2Mg 离子。若无+2Mg 离子，溶液呈蓝色；若有+2Mg 离子存在，则与铬黑T 形成酒红色的
离子交换柱层析原理
离子交换层析介质的应用 离子交换层析分离纯化生物大分子的过程，主要是利用各种分子的可离解性、离子的净电荷、表面电荷分布的电性差异而进行选择分离的。现已成为分离纯化生化制品、蛋白质、多肽等物质中使用最频繁的纯化技术之一。 子交换层析（Ion Exchange Chromatography 简称为IEC）是以离子交换剂为固定相，依据流动相中的组分离子与交换剂上的平衡离子进行可逆交换时的结合力大小的差别而进行分离的一种层析方法。离子交换层析是目前生物化学领域中常用的一种层析方法，广泛的应用于各种生化物质如氨基酸、蛋白、糖类、核苷酸等的分离纯化。 1.离子交换层析的基本原理： 离子交换层析是通过带电的溶质分子与离子交换层析介质中可交换离子进行交换而达到分离纯化的方法，也可以认为是蛋白质分子中带电的氨基酸与带相反电荷的介质的骨架相互作用而达到分离纯化的方法。 离子交换层析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，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，所以离子交换层析法已广泛用于生物大分子的分离、中等纯化及精制的各个步骤中。 由于离子交换层析法分辨率高，工作容量大，并容易操作，因此它不但在医药、化工、食品等领域成为独立的操作单元，也已成为蛋白质、多肽、核酸及大部分发酵产物分离纯化的一种重要的方法。目前，在生化分离中约有75%的工艺采用离子交换层析法。 2.离子交换层析介质： 离子交换层析的固定相是离子交换剂，它是由一类不溶于水的惰性高分子聚合物基质通过一定的化学反应共价结合上某种电荷基团形成的。离子交换剂可以分为三部分：高分子聚合物基质、电荷基团和平衡离子。电荷基团与高分子聚合物共价结合，形成一个带电的可进行离子交换的基团。平衡离子是结合于电荷基团上的相反离子，它能与溶液中其它的离子基团发生可逆的交换反应。平衡离子带正电的离子交换剂能与带正电的离子基团发生交换作用，称为阳离子交换剂；平衡离子带负电的离子交换剂与带负电的离子基团发生交换作用，称为阴离子交换剂。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。通过在不同条件下的多次置换反应，就可以对溶液中不同的离子基团进行分离。下面以阴离子交换剂为例简单介绍离子交换层析的基本分离过程。 阴离子交换剂的电荷基团带正电，装柱平衡后，与缓冲溶液中的带负电的平衡离子结合。待分离溶液中可能有正电基团、负电基团和中性基团。加样后，负电基团可以与平衡离子进行可逆的置换反应，而结合到离子交换剂上。而正电基团和中性基团则不能与离子交换剂结合，随流动相流出而被去除。通过选择合适的洗脱方式和洗脱液，如增加离子强度的梯度洗脱。随着洗脱液离子强度的增加，洗脱液中的离子可
离子交换法47802
离子交换法 早在古希腊时期人们就会用特定的黏土纯化海水.算是比较早的离子交换法.这些黏土主要是沸石....离子交换树脂都是用有机合成方法制成。常用的原料为苯乙烯或丙烯酸(酯)，通过聚合反应生成具有三维空间立体网络结构的骨架，再在骨架上导入不同类型的化学活性基团(通常为酸性或碱性基团)而制成。例:苯乙烯型树脂的合成可分为阴离子类型和阳离子类型. 一．定义 离子交换法(ionexchangeprocess)是液相中的离子和固相中离子间所进行的一种可逆性化学反应，当液相中的某些离子较为离子交换固体所喜好时，便会被离子交换固体吸附，为维持水溶液的电中性,所以离子交换固体必须释出等价离子回溶液中。二．原理 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,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。 三．纯化方法 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。 四．离子交换树脂 离子交换树脂一般呈现多孔状或颗粒状，其大小约为0.1~1mm。其离子交换能力依其交换能力特征可分：
8生物制药工艺学习题集 离子交换法
第八章离子交换法 一、填空题 1、离子交换剂由、和组成。平衡离子带 为阳离子交换树脂，平衡离子带称阴离子交换树脂。 2、常见的离子交换剂有，，等。 3、离子交换树脂的基本要求有、、 、和。 4、影响离子交换选择性的因素主要有、、 、、等。 5、请写出下列离子交换剂的名称和类型：CM-C的名称是，属于交换纤维素; DEAE-C的名称是，属于交换纤维素;。 6、色谱聚焦（chromatofocusing）是一种高分辨的新型的蛋白质纯化技术。它是根据，结合，能分离几百毫克蛋白质样品，洗脱峰被聚焦效应浓缩，分辨率很高，操作简单。 7、写出下列离子交换剂类型：732 ，724 ，717 ，CM-C ,DEAE-C ，PBE94 。 8、在采用多缓冲阴离子交换剂作固定相的离子交换聚焦色谱过程中，当柱中某位点之pH 值下降到蛋白质组分值以下时，它因带电荷而，如果柱中有两种蛋白组分，pI值较者会超过另一组分，移动至柱下部pH较的位点进行。 9、影响离子交换选择性的因素有、、、 、。 二、选择题 1、用钠型阳离子交换树脂处理氨基酸时，吸附量很低，这是因为（） A.偶极排斥 B.离子竞争 C.解离低 D.其它 2、在酸性条件下用下列哪种树脂吸附氨基酸有较大的交换容量（） A.羟型阴 B.氯型阴 C.氢型阳 D.钠型阳 3、在尼柯尔斯基方程式中，K值为离子交换常数，K＞1说明树脂对交换离子吸引力（） A.小于平衡离子 B.大于平衡离子 C.等于平衡离子 D.其它
三、名词解释 1、蛇笼树脂： 2、尼柯尔斯基方程式： 3、偶极离子排斥作用： 四、问答题 1、简述离子交换纤维素的特点有哪些？ 2、请以CM-C 为例说明离子交换纤维素分离纯化蛋白质时的洗脱方法有哪些？并说出各种方法的洗脱原理。 3、请以DEAE-C 为例说明离子交换纤维素分离纯化蛋白质时的洗脱方法有哪些？并说出各种方法的洗脱原理。 4、由下图，利用给出的两种离子交换剂（E 1，E 2）分离3种蛋白质（P 1、P 2、P 3），用箭头流 程图表示(并指出E 1，E 2的类型)。 5、下图为离子交换法应用实例，请填写生产工艺流程中的空格（可选因素：阴离子交换树脂，阳离子交换树脂， 0.05mol/L 氨水，0.1mol/L 氨水，2mol/L 氨水）。简述从“滤液”开始，以后步骤的分离原理？
离子交换法制备纯水
实验二离子交换法制备纯水 一、实验目的 1．了解离子交换法制纯水的基本原理，掌握其操作方法； 2．掌握水质检验的原理和方法； 二、实验原理 离子交换法是目前广泛采用的制备纯水的方法之一。水的净化过程是在离子交换树脂上进行的。离子交换树脂是有机高分子聚合物，它是由交换剂本体和交换基团两部分组成的。例如，聚苯乙烯磺酸型强酸性阳离子交换树脂就是苯乙烯和一定量的二乙烯苯的共聚物，经过浓硫酸处理，在共聚物的苯环上引入磺酸基(–SO3H)而成。其中的H+可以在溶液中游离，并与金属离子进行交换。 R–SO3H + M+R–SO3M + H+ R：聚合物的本体；–SO3：与本体联结的固定部分，不能游离和交换；M+：代表一价金属离子。阳离子交换树脂可表示为： 如果在共聚物的本体上引入各种胺基，就成为阴离子交换树脂。例如，季胺型强碱性阴离子交换树R–N+(CH3)3OH–，其中OH–在溶液中可以游离，并与阴离子交换。 离子交换法制纯水的原理就是基于树脂和天然水中各种离子间的可交换性。例如，R–SO3H 型阳离子交换树脂，交换基团中的H+可与天然水中的各种阳离子进行交换，使天然水中的Ca2+、Mg2+、Na+、K+等离子结合到树脂上，而H+进入水中，于是就除去了水中的金属阳离子杂质。水通过阴离子交换树脂时，交换基团中的OH–具有可交换性，将HCO3–、Cl–、SO42–等离子除去，而交换出来的OH–与H+发生中和反应，这样就得到了高纯水。 交换反应可简单表示为： 2R–SO3H + Ca(HCO3)2→ (R–SO3)2Ca + 2H2CO3 R–SO3H + NaCl → R–SO3Na + HCl R–N(CH)3OH + NaHCO3→ R–N(CH)3HCO3 + NaOH R–N(CH)3OH + H2CO3→ R–N(CH)3HCO3 + H2O HCl + NaOH → H2O + NaCl 本实验用自来水通过混合阳、阴离子交换树脂来制备纯水。 [实验用品] 仪器：离子交换柱(也可用碱式滴定管代替)。 材料：玻璃纤维(棉花)、乳胶管、螺旋夹、pH试纸。 固体药品：717强碱性阴离子交换树脂、732强酸性阳离子交换树脂。 液体药品：NaOH(2mol·L-1)、HCl(2mol·L-1)、AgNO3(0.1mol·L-1)、NH3–NH4Cl缓冲溶液(pH=10)、铬黑T指示剂。 三、实验步骤 1．树脂的预处理 将717(201×7)强碱性阴离子交换树脂用NaOH(2mol·L-1)浸泡24小时，使其充分转为OH-型（由教师处理）。取OH-型阴离子交换树脂10mL，放入烧杯中，待树脂沉降后倾去碱液。加20mL 蒸馏水搅拌、洗涤、待树脂沉降后，倾去上层溶液，将水尽量倒净，重复洗涤至接近中性(用pH 试纸检验，pH=7～8)。 将732(001×7)强酸性阳离子交换树脂用HCl(2mol·L-1)浸泡24小时，使其充分转为H+型（由教师处理）。取H+型阳离子交换树脂5mL,于烧杯中,待树脂沉降后倾去上层酸液，用蒸馏水洗涤树脂，每次大约20mL，洗至接近中性(用pH试纸检验pH=5～6)。 最后，把已处理好的阳、阴离子交换树脂混合均匀。 2．装柱
蛋白纯化离子交换层析法
蛋白纯化离子交换层析 研究生的生活，单调的科研，重复的脚印，匆匆的轨迹，踩着早上的时光一如往常的走进实验室，摊开实验记录本，写上日期，就像每天写日记一样开始计划今天的实验日记，用笔似乎要绘制一副有关实验的画面。 如果你处在这样的科研氛围里，慢慢的就会体味到科学本身就像窗外的大自然一样的美，绿色撩人，诗意陶醉…… 今天，我们写下的实验日记——蛋白纯化离子交换层析法，文章详细的总结了离子交换层析的定义、离子交换层析的原理、离子交换剂的种类，似乎要提醒一下脑子要保持清醒了，不然，看完之后，你能分清楚阴阳离子交换剂的概念，熟知它们的区别么？ ————你会创造规律科研生活的美 我，生在春天里，刚发芽的地方是实验室 知了也睡了，而我刷夜实验室 因为我在等待秋天收获的季节 虽然有可能错过成功的喜悦，却收获心灵上的成长
离子交换层析技术是以离子交换剂为固定相，常见的离子交换剂是由一类不溶于水的惰性高分子聚合物基质，通过共价键结合某种电荷基团，形成带电基质，带异性电荷的平衡离子能够通过静电力作用结合在电荷基质上，而平衡离子能够与样品流动相中的离子基团发生可逆交换而吸附在交换剂上，不同带电荷蛋白间结合吸附固定相的能力不同。离子交换技术就是根据蛋白质样品间带电性质的差别而进行分离的一种层析方法。 常见的离子交换剂有离子交换纤维素、离子交换树脂和离子交换葡聚糖凝胶。根据与高分子聚合物基质共价结合的电荷基团的性质不同，可以将离子交换剂分为阳离子交换剂和阴离子交换剂，在阳离子交换剂中，带正电荷的平衡离子能够和流动相中带正电荷的离子基团进行交换。例如DEAE纤维素阳离子交换剂，当纤维素交换剂分子上结合阳离子基团二乙氨乙基（DEAE）时，形成阳离子纤维素—O—C6 H14N+H，可与带负电荷的蛋白质进行结合，交换阴离子。 根据与高分子聚合物基质共价结合的电荷基团的解离度不同，又可以分为强酸型、中等酸型、弱酸型三类阳离子交换剂，强酸型离子交换剂在较大的pH范围内电荷基团完全解离，而弱酸型只能在较小的pH范围内完全解离，如结合羧甲基的离子交换剂在pH小于6时就失去了交换能力。 强酸型阳离子交换剂一般结合的基团有：磺酸甲基、磺酸乙基；中等酸型阳离子交换剂有：磷酸基团和亚磷酸基团；弱酸型离子交换剂有：酚羟基和羧基类； 在阴离子交换剂中，带负电荷的平衡离子能与流动相中带负电的离子基团进行交换，例如阴离子交换剂CM纤维素，当纤维素交换剂分子上结合羧甲基（CM）时，形成带有负电荷的阴离子（纤维素－O－CH2－COO一），可与带正电荷蛋白质结合，交换阳离子。 根据与高分子聚合物基质共价结合的电荷基团的解离度不同，可分为强碱型、中等碱型、弱碱型阴离子交换剂。一般结合季胺基团基质的交换剂为强碱型离子交换剂，结合叔胺、仲胺、伯胺等为中等或者弱碱型离子交换剂。 蛋白质是两性电解质，当溶液的pH值与蛋白质等电点相同时，蛋白质的静
离子交换树脂的制备方法
离子交换树脂的制备方法 离子交换树脂的发展是以缩聚产品开始的，然后出现了加聚产品，在合成离子交换树脂的初期，主要是以缩聚型为主，但是合成的树脂难以成球状并且化学稳定性较差，机械强度不好，在使用过程中常有可溶性物质渗出。现在使用的离子交换树脂几乎都是加聚产品。 一、苯乙烯系离子交换树脂的合成 苯乙烯系离子交换树脂是苯乙烯和二乙烯苯（DVB）在水相中进行悬浮共聚合得到共聚物珠体，然后向共聚体中引入可离子化的基团而合成的。苯乙烯系离子交换树脂的用量占离子交换树脂总用量的95%以上，这是因为苯乙烯单体相对便宜并可大量得到，并且不易因氧化、水解或高温而降解。聚苯乙烯树脂以聚苯乙烯为骨架，与小分子的功能基以化学键的形式结合，因此既保留了原有低分子的各种优良性能，又由于高分子效应可增添新的功能，这使得离子交换树脂的性能大幅度提高，品种成倍地增加，应用范围迅速扩大，大大促进了化工企业、制药工业、环保等行业的发展，对世界经济、政治、军事的发展产生了巨大的影响【1】。 将苯乙烯，二乙烯苯进行悬浮共聚，加入分散稳定剂，在搅拌的条件下可以得到粒度合适，大小均匀的球状共聚体（PS）。稳定剂的性质、搅拌条件、温度等因素对悬浮聚合的影响很大。用难溶性无机物微粉末作悬浮稳定剂时，得到的聚合球粒大小比较均匀，并且在微粉末稳定剂用量相同时，粉末越细，得到的球粒越小。在苯乙烯，二乙烯苯悬浮共聚时加入沉淀剂、良溶剂或线型高聚物等做致孔剂，聚合结束后将致孔剂提取出来，得到多孔性的共聚物【2】（Pst型，称为大孔树脂）。把这种共聚物进一步制成离子交换树脂，发现其离子交换速度加快，机械强度增大，稳定性增强。由于这类树脂其具有与活性炭类似的吸附能力【3】，可以回收吸附质，所以被广泛用于有机物的分离纯化【4】、工业有机废水的处理【5-6】、生化产品【7】等。值得注意的是，在合成大孔共聚物时，为保证孔结构的稳定，交联剂用量比合成凝胶型时要多。王亚宁等【8】以液体石蜡、甲苯和环己酮作致孔剂，采用悬浮聚合合成大孔吸附树脂，研究了单体和致孔剂组成对孔结构的影响。V everka等【9】将大孔型低交联苯乙烯-二乙烯苯（PSt-DVB）共聚物（DVB含量在2 % ~ 8 %之间）在二氯乙烷、硝基苯或其混合溶剂中充分溶胀后，在一定温度及催化剂存在下与交联剂发生后交联反应，制得高比表面积（约1000m2/g）及包含微孔、中孔结构的超高交联聚苯乙烯树脂。 二、丙烯酸系离子交换树脂的合成 1. 丙烯酸系弱酸性阳离子交换树脂的合成 丙烯酸甲酯或甲基丙烯酸甲酯与二乙烯苯进行自由基悬浮共聚合，然后在强酸或强碱条件下使酯基水解，可得到丙烯酸系弱酸性阳离子交换树脂。由丙烯酸甲酯制得的弱酸性阳离子交换树脂有较高的交换容量，因此应由也较广。 2. 丙烯酸系碱性阴离子交换树脂的合成 聚丙烯酸甲酯与多胺反应，形成含有氨基的弱碱性阴离子交换树脂。多乙烯多胺中的任何一个氨基都有可能与酯基反应。一个多乙烯多胺分子中也可能有多于一个的氨基参与反应，结果产生附加交联。由于附加交联的形成，由丙烯酸甲酯与二乙烯苯形成的共聚物与多乙烯多胺反应，仍可形成机械强度高的弱碱性阴离子交换树脂。 三、缩聚型离子交换树脂的合成 1．缩聚型强酸性阳离子交换树脂的合成 可通过两种方法由苯酚、甲醛和硫酸合成缩聚型强酸性阳离子交换树脂。第一种方法为甲醛与苯酚缩聚，然后用硫酸磺化酚醛缩聚物；第二种方法为先合成苯酚磺酸，接着与甲醛缩聚。 第二种方法更可取。具体合成方法是：将硫酸加到苯酚中，在100℃搅拌4h，生成苯
离子交换法合成
1离子交换法合成m-LiMnO2 在空气中高温固相反应合成了层状单斜结构前驱体α-NaMnO2,在不同条件 下进行离子交换反应, 得到m-LiMnO2。 2.2.1.1 Mn2O3的制备以电解MnO2为原料在高温下煅烧，温度控制在800℃， 煅烧时间为12h，然后将样品随炉冷却至室温 2.2.1.2 α-NaMnO2前驱体的合成将Mn2O3和无水Na2CO3按物质的量比1∶1.1 混合，于玛瑙研钵中充分研磨使其混合均匀，然后于箱式电阻炉中进行煅烧。在空气中升温至指定温度（800℃）后恒温24h，在空气中淬火。充分研磨后，再于800℃焙烧24h，制得NaMnO2，样品随炉冷却。 2.2.1.3 m-LiMnO2的合成按摩尔比8∶1 称取一定质量的LiBr和α-NaMnO2，将LiBr在一定正己醇中完全溶解，配制为5mol/L溶液，然后加入α-NaMnO2摇匀，在145-154 ℃下加热沸腾回流8h左右。冷却至室温，将混合液过滤，沉淀物用1-正己醇和乙醇洗涤，然后干燥备用。 2实验部分 以Co(NO3)2、Ni(NO3)2、MnAc2 和LiNO3 为原料，按r(Li: Co:Ni:Mn)=1.05:0.10:0.10:1.80 进行配料，溶解混匀后置于超声场（220 W，32 kHz）中作用20 min，同时逐滴滴加氨水调节pH 值为7.5，得到前驱物沉淀（同时作无超声作用的对比），然后在可控电炉上于110℃蒸发浓缩至干燥得前驱物。前驱物在350℃烧结2 h，取出研磨后于550℃预烧10 h，780℃下通空气烧结50 h，再于500℃回火5 h。所得产物采用高锰酸钾容量法[9]、硫酸亚铁铵容量[10]作Mn 含量和平均价态的容量分析；采用JL—1166 型激光粒度测试仪测定产物的粒度分布和平均粒径；用Philips 公司X`PertproMPD X 射线衍射仪作物相分析；用日本日立扫描电镜（S—450）和美国X 射线能量色散谱仪（EDAX 9100/60）作形貌观察和元素含量半定量分析。将产物按ζ（掺杂锰酸锂（活性物）:导电炭黑（导电剂）:LA132（粘结剂））
8生物制药工艺学习题集-离子交换法
8生物制药工艺学习题集-离子交换法
第八章离子交换法 一、填空题 1、离子交换剂由、和组成。平衡离子带 为阳离子交换树脂，平衡离子带称阴离子交换树脂。 2、常见的离子交换剂有，，等。 3、离子交换树脂的基本要求 有、 、 、 和。 4、影响离子交换选择性的因素主要有、、 、、等。 5、请写出下列离子交换剂的名称和类型：CM-C 的名称是，属于交换纤维素; DEAE-C的名称是，属于
交换纤维素;。 6、色谱聚焦（chromatofocusing）是一种高分辨 的新型的蛋白质纯化技术。它是根 据，结合，能 分离几百毫克蛋白质样品，洗脱峰被聚焦效应浓 缩，分辨率很高，操作简单。 7、写出下列离子交换剂类型： 732 ， 724 ， 717 ， CM-C ,DEAE-C ，PBE94 。 8、在采用多缓冲阴离子交换剂作固定相的离子 交换聚焦色谱过程中，当柱中某位点之pH值下 降到蛋白质组分值以下时，它因带 电荷而，如果柱中有两种蛋白组分， pI值较者会超过另一组分，移动至柱下 部pH较的位点进行。 9、影响离子交换选择性的因素 有、、 、 、。
二、选择题 1、用钠型阳离子交换树脂处理氨基酸时，吸附量很低，这是因为（）A.偶极排斥B.离子竞争C.解离低D.其它 2、在酸性条件下用下列哪种树脂吸附氨基酸有较大的交换容量（） A.羟型阴 B.氯型阴 C.氢型阳 D.钠型阳 3、在尼柯尔斯基方程式中，K值为离子交换常
A.小于平衡离子 B.大于平衡离子 C.等于平衡离子 D.其它 三、名词解释 1、蛇笼树脂： 2、尼柯尔斯基方程式： 3、偶极离子排斥作用： 四、问答题 1、简述离子交换纤维素的特点有哪些？ 2、请以CM-C为例说明离子交换纤维素分离纯化蛋白质时的洗脱方法有哪些？并说出各种方法的洗脱原理。
第七章电渗析
一、电渗析的工作原理 电渗析是在直流电场作用下，溶液中的带电离子选择性地通过 离子交换膜的过程。主要用于溶液中电解质的分离。图 7-1是电 渗 析工作原理示意图。 流程说明：在淡化室中通入含盐水，接上电源，溶液中带正电荷的 阳离子，在电场的作用下，向阴极方向移动到阳膜，受到膜上带负 电荷的基团的异性相吸引的作用而穿过膜，进入右侧的浓缩室。带 负电荷的阴离子，向阳极方向移动到阴膜，受到膜上带正电荷的基 团的异性相吸引的作用而穿过膜，进入左侧的浓缩室。淡化室盐水 中的氯化钠被不断除去，得到淡 水，氯化钠在浓缩室中浓集。 再加上膜外溶液浓度过高的影响，在阳膜中也会进入个别阴离子， 阴膜中也会进入个别阳离子，从而发生同名离子迁移。 (2) 电解质的浓差扩散 也称为渗析，指电解质离子透过膜的现象。由于膜两侧溶液浓 度不同，受浓度差的推动作用，电解质由浓水室向淡水室扩散，其 扩散速度随两室浓度差的提高而增加。 ⑶水的渗透 淡水室的水，由于渗透压的作用向浓缩室渗透，渗透量随浓度 差的提咼而增加。 第七章 离子交换膜与电渗析 电渗析的研究始于上世纪初的德国。 1952年美国Ionics 公司制 成了世界上第一台电渗析装置，用于苦咸水淡化。至今苦咸水淡化 仍是电渗析最主要的应用领域。在锅炉进水的制备、电镀工业废水 的处理、乳清脱盐和果汁脱酸等领域，电渗析都达到了工业规模。 另外，在上世纪50年代末，由日本开发的海水浓缩制食盐的应用， 虽仅限于日本和科威特等国，但也是电渗析的一大市场。目前，电 渗析以其能量消耗低，装置设计与系统应用灵活，操作维修方便， 工艺过程洁净、无污染，原水回收率高，装置使用寿命长等明显优 势而被越来越广泛地用于食品、医药、化工、工业及城市废水处理 等领域。我国的电渗析技术的研究始于 1958年。1965年在成昆铁 路上安装了第一台电渗析法苦咸水淡化装置。 1981年我国在西沙永 兴岛建成日产200吨饮用水的电渗析海水淡化装置。几十年来，在 离子交换 膜、隔板、电极等主要部件方面不断创新，电渗析装置不 断向定型化、标准化方向发展。 图7-1电渗析工作原理示意图 第一节、电渗析基本原理 电渗析过程除我们希望的反离子迁移外，还可能发生如图 所示的其它迁移过程： (1) 同名离子迁移 同名离子指与膜的固定活性基所带电荷相同的离子。 (Donnan)平衡理论，离子交换膜的选择透过性不可能达到 7-2 根据唐南 100%,
离子交换层析
实验二离子交换层析纯化兔血清IgG 【原理】 DEAE-Sephadex A-50 （二乙氨基- 乙基- 葡萄糖凝胶A-50 ）为弱碱性阴离子交换剂。用NaOH 将Cl - 型转变为OH - 型后，可吸附酸性蛋白。血清中的γ 球蛋白属于中性蛋白（等电点为pH6.85 ～7.5 ），其余均属酸性蛋白。pH7.2 ～7.4 的环境中。酸性蛋白均被DEAE-Sephadex A-50 吸附，只有γ 球蛋白便可在洗脱液中先流出，而其他蛋白则被吸附在柱上，从而便可分离获得纯化的IgG 。 【试剂与器材】 1. DEAE-Sephadex A-50 2.0.5mol/L HCl 和NaOH 3.0.1mol/L pH7.4 PBS 4.0.1mol/L Tris-HCl(pH7.4)
5.0.02 ％NaN 3 6.PEG 7. 无水乙醇 8. 紫外分光光度计 9.1cm×20cm 玻璃层析柱 10. 自动部分收集器 【操作步骤】 1 ．DEAE-Sephadex A-50 预处理称DEAE-Sephadex A-50 （下称A-50 ）5g ，悬于500ml 蒸馏水内，1h 后倾去上层细粒。按每克A-50 加0.5mol/L NaOH 15ml 的比例，将浸泡于0.5mol/L NaOH 液中，搅匀，静置30min ，装入布氏漏斗（垫有 2 层滤纸）中抽滤，并反复用蒸馏水抽洗至pH 呈中性；再以0.5mol/L HCl 同上操作过程处理，最后以0.5mol/L NaOH 再处理一次，处理完后，将A-50 浸泡于0.1mol/L pH7.4 PBS 中过夜。
2 ．装柱 （ 1 ）将层析柱垂直固定于滴定架上，柱底垫一圆形尼龙纱，出水口接一乳胶或塑料管并关闭开关。 （2 ）将0.1mol/L Tris-HCl(pH7.4) 沿玻璃棒倒入柱中至1/4 高度，再倒入经预处理并以同上缓冲液调成稀糊状的A-50 。待A-50 凝胶沉降2 ～3cm 高时，开启出水口螺旋夹，控制流速1ml/min ，同时连续倒入糊状A-50 凝胶至所需高度。 （ 3 ）关闭出水口，待A-50 凝胶完全沉降后，柱面放一圆形滤纸片，以橡皮塞塞紧柱上口，通过插入橡皮塞之针头及所连接的乳胶或塑料管与洗脱液瓶相连接。 3 ．平衡启开出水口螺旋夹，控制流速 4 滴/min ，使约2 倍床体积的洗脱液流出。并以pH 计与电导仪分别测定洗脱液及流出液之PH 值与离子强度，两者达到一致时关闭出水口，停止平衡。 4 ．加样及洗脱启开上口橡皮塞及下口螺旋夹，使柱中液体缓慢滴出，当柱面液体与柱面相切时，立即关闭出水口，以毛细滴管沿柱壁加入样品（0.5ml 血清，体积应小于床体积的2% ，蛋白浓度以＜100mg 为宜）。松开出水口螺旋夹使面样品缓慢进入柱内，至与柱面
离子交换层析
离子交换层析 1、定义 2、发展 1848年，Thompson等人在研究土壤碱性物质交换过程中发现离子交换现象。本世纪40年代，出现了具有稳定交换特性的聚苯乙烯离子交换树脂。50年代，离子交换层析进入生物化学领域，应用于氨基酸的分析。目前离子交换层析仍是生物化学领域中常用的一种层析方法，广泛的应用于各种生化物质如氨基酸、蛋白、糖类、核苷酸等的分离纯化。常用的离子交换剂有：离子交换纤维素、离子交换葡聚糖和离子交换树脂。 3、基本信息 离子交换层析中，基质是由带有电荷的树脂或纤维素组成。带有正电荷的称之阳离子交换树脂；而带有负电荷的称之阴离子树脂。离子交换层析同样可以用于蛋白质的分离纯化。由于蛋白质也有等电点，当蛋白质处于不同的pH条件下，其带电状况也不同。阴离子交换基质结合带有负电荷的蛋白质，所以这类蛋白质被留在柱子上，然后通过提高洗脱液中的盐浓度等措施，将吸附在柱子上的蛋白质洗脱下来。结合较弱的蛋白质首先被洗脱下来。反之阳离子交换基质结合带有正电荷的蛋白质，结合的蛋白可以通过逐步增加洗脱液中的盐浓度或是提高洗脱液的pH值洗脱下来。 4、具体操作 预处理和装柱 对于离子交换纤维素要用流水洗去少量碎的不易沉淀的颗粒，以保证有较好的均匀度，对于已溶胀好的产品则不必经这一步骤。溶胀的交换剂使用前要用稀酸或稀碱处理，使之成为带H+或OH-的交换剂型。阴离子交换剂常用“碱-酸-碱”处理，使最终转为-OH-型或盐型交换剂；对于阳离子交换剂则用“酸-碱-酸”处理，使最终转为-H-型交换剂。 洗涤好的纤维素使用前必须平衡至所需的pH和离子强度。已平衡的交换剂在装柱前还要减压除气泡。为了避免颗粒大小不等的交换剂在自然沉降时分层，要适当加压装柱，同时使柱床压紧，减少死体积，有利于分辨率的提高。
水的净化 —— 离子交换法制备纯水 ( 3 学时)
水的净化——离子交换法制备纯水（3学时） 一、实验目的 1．了解蒸馏法和离子交换法制备纯水的基本原理和操作方法。 2．学习离子交换树脂的使用方法。 3．学习蒸馏装置的组装方法。 二、实验原理 离子交换法制备纯水是利用离子交换树脂活性基团上具有离子交换能力的H+和OH－与水中阳、阴离子杂质进行交换，将水中阳、阴离子杂质截留在树脂上，进入水中的H+和OH－重新结合成水而达到纯化水的目的。凡能与阳离子起交换作用的树脂称为阳离子交换树脂，与阴离子起交换作用的树脂称为阴离子交换树脂。 三、实验用品 仪器：250ml锥形瓶3只、烧杯、铁架台、离子交换柱（3支，50ml）、铁架台、试管 药品：铬黑T指示剂、AgNO3（0.1mol·L-1）、HNO3（2mol·L-1）、NH3-NH4Cl缓冲液、BaCl2（0.1mol·L-1）、717#强碱性阴离子交换树脂、732#强酸性阳离子交换树脂 材料：pH试纸、脱脂棉（或玻璃纤维）、乳胶管、螺旋夹 四、实验内容 1、装柱 用两只10mL小烧杯，分别量取再生过的阳离子交换树脂7mL（湿）或阴离子交换树脂约10mL（湿），按照装柱操作要求进行装柱。第1支柱加入1/2柱容积的阳离子交换树脂，在第2支柱加入2/3柱容积的阴离子交换树脂，在第3支柱加入2/3柱容积的阴阳离子混合树脂。装置完毕，按将三个柱进行串联，在串联时同样适用纯水并注意尽量排除连接管内的气泡，以免液柱阻力过大而交换不能畅通，各柱树脂层顶上也塞入少量脱脂棉，即得离子交换净水装置。
2、离子交换与水质检验 依次使原料水流经阳离子交换柱、阴离子交换柱、混合离子交换柱。并依次接收原料水、阳离子交换柱流出水、阴离子交换柱流出水、混合离子交换柱流出水样，进行以下项目检验。（1）用电导率仪测定个样品的电导率。 （2）取各样品水2滴分别放入点滴板的圆穴内，检测钙离子、镁离子、硫酸根离子和氯离子。 结果填表格。 3、再生 按基本操作中所述的方法再生阴离子、阳离子交换树脂。 五、思考题 1．用离子交换法制备纯水的基本原理是什么?本实验操作中要注意哪些? 2、如何筛分混合的阴、阳离子交换树脂 3、电导率仪测定水纯度的根据是什么？ 六、参考文献 北京师范大学无机化学教研室等编，<<无机化学实验>>,2001年，高等教育出版社 （郝桂霞）
离子交换层析实验原理及步骤
离子交换层析实验原理及步骤 离子交换层析实验方法 阴离子交换剂与阳离子交换剂的装柱和层析过程基本相同。交联葡聚糖的预处理只需充分溶胀和平衡，不需要除去细粒碎片和酸碱处理。其他步骤也基本同离子交换纤维素。 1. 剂型的选择 根据蛋白质在所用缓冲液pH值下带电荷的种类选择，如pH高于蛋白质等电点，应选阴离子交换剂，反之应选阳离子交换剂。一般情况下，DEAE-纤维素用于分离酸性蛋白，而CM纤维素用于分离碱性蛋白质。 下面以DEAE-纤维素操作为例，介绍试验方法 2. 膨胀活化 此步的目的在于除去杂质，暴露DEAE-纤维素上的极性基团。DEAE-纤维素的用量则根据柱容积的大小和所需过柱样品的量来决定。一般是1.0g DEAE-纤维素相当于6ml～8ml柱床体积。 表1－4 分离的血清与所需DEAE—纤维素量及其他条件的大致关系 血清样品量（ml） DEAE需用量（g） 选层析柱规格（cm） 选脱液量（ml） 1~2 2 1×25 100~150 5 5 2×12 200~300 10 10 2×20 300~400 20 20 2×37
400~800 称取所需的量，撒于0.5Mol/L NaOH溶液中（1g DEAE—纤维素干粉约需15倍NaOH液），浸泡1h左右，不时搅拌。抽滤（以布氏漏斗加两层滤纸或尼龙纱布抽滤），以蒸馏水洗涤，再抽滤，直至滤液近中性为止，再将纤维素浸泡于0.5Mol/L HCl中1h，同样抽滤液至近中性。再将纤维素浸于0.5Mol/L NaOH液中，同样处理，洗至中性。 3. 平衡 将DEAE—纤维素放入0.0lMol/L pH 7. 4 PB液中（即起始缓冲液），静止1h，不时搅拌，待纤维素下沉后，倾去上清液或抽滤除去洗液，如此反复几次至倾出液体的pH值与加入的PB液的pH值相近时为止。 4. 装柱 层析柱的选择要大小、长度适当。一般而言，柱长和柱直径之比为10∶1～20∶1，柱的内径上下要均匀一致。用前将层析柱在清洁液内浸泡处理24h，然后依次用常水、蒸馏水、起始缓冲液充分洗涤。 装柱时，先剪一块圆形的尼龙纱布（直径与层析柱内径一致），放入层析柱底部。将柱下端连接细塑料管，夹上螺旋夹。把层析柱垂直固定在三角铁架上，倒入起始缓冲液至一半的柱高，除去死区及塑料管内的气泡。再将平衡的DEAE－纤维素糊状物沿管壁倒入柱中。注意不要产生气泡，如有气泡应排除或重装。拧开螺旋夹，使流速至1ml/5min，待缓冲液快接近纤维素面时，继续倒入纤维素糊，同时用玻璃棒搅拌表面层，以免使两次加入的纤维素形成分界层，通过进出缓冲液调节流量，也可通过塑料管的升降来控制，至柱床体积不变为止。剪一圆形滤纸（与柱内径大小一致），从柱的上端轻轻放入，使其沉接于纤维素床表面，以免在加样时打乱纤维素层。装好柱的柱面应该是平整的，无倾斜，整个柱床内无气泡、不分层。继续平衡，使流出液的pH值与流入液的pH值完全一致为止。 5. 上样 要层析的样品首先必须用起始缓冲液（4℃）平衡过夜，中间可换液数次。将柱的上端打开，用吸管将纤维素柱上面的缓冲液吸出，不要吸净，留一薄层液面，以免空气进入。沿管壁缓缓加入样品，注意不要打乱纤维素表层。拧开下端的螺旋夹，使样品进入交换剂中，快要进完时，加1ml～2ml缓冲液冲洗柱壁，随即用多量的洗脱液洗脱。 样品的加量与DEAE—纤维素有一个最适比的关系，超过这个比值，吸附就不完全，直接影响到分离的纯度。经过粗提的—球蛋白50mg～100mg，用干重约4g DEAE－纤维素装柱分离，可获得理想结果。
第八章 聚合物的化学反应分析
第八章聚合物的化学反应 一、课程主要内容 本章研究聚合物化学反应的意义和聚合物的化学反应。聚合物的化学反应包括：聚合度相似的化学反应；聚合度变大的化学反应和聚合度变小的化学反应。 通过学习第八章，掌握聚合物可能发生的聚合反应，以便对聚合物进行改性；了解聚合物老化的原因和防止聚合物老化的方法。 二、试题与答案 本章有基本概念题、填空题、选择填空题和简答题。 ㈠基本概念题 ⒈聚合物的化学反应：天然聚合物或由单体经聚合反应合成的聚合物为一级聚合物，若其侧基或端基为反应性基团，则在适当的条件下可发生化学反应，从而形成新的聚合物(为二级聚合物)，由一级聚合物变为二级聚合物的化学反应，谓之。 ⒉聚合度相似的化学反应：如果聚合物的化学反应是发生在侧基官能团上，很显然这种化学反应不涉及聚合物的聚合度，反应前后聚合度不变（或相似），将这种聚合物的化学反应称为聚合度相似的化学反应。 ⒊聚合度变大的化学反应：如果聚合物的化学反应是交联、嵌段或接枝等，使聚合物的聚合度变大，将这种聚合物的化学反应称为聚合度变大的化学反应。 ⒋聚合度变小的化学反应：如果聚合物的化学反应是降解（热降解、化学降解等）很显然这种化学反应使聚合物的聚合度变小，将这种聚合物的化学反应称为聚合度变小的化学反应。 ⒌聚合物的老化：聚合物在使用或贮存过程中，由于环境的影响，性能变坏、强度和弹性降低、颜色变暗、发脆或发粘等现象叫聚合物的老化。 ⒍聚合物的无规降解：聚合物在热的作用下，大分子链发生任意断裂，使聚合度降低，形成低聚体，但单体收率很低(一般小于3%)，这种热降解称为无规降解。 ⒎聚合物的解聚：聚合物在热的作用下发生热降解，但降解反应是从链的末端开始，降解结果变为单体，单体收率可达90%~100%，这种热降解叫解聚。 ⒏聚合物的侧链断裂：聚氯乙烯和聚偏二氯乙烯加热时易着色，起初变黄，然后变棕，最后变为暗棕或黑色，同时有氯化氢放出。这一过程是链锁反应，连续脱氯化氢的结果使分子链形成大π键或交联，这种热降解称为侧链断裂。 ⒐离子交换树脂：离子交换树脂是指具有反应性基团的轻度交联的体型无规聚合物，利用其反应性基团实现离子交换反应的一种高分子试剂。 ⒑强酸性阳离子交换树脂：磺酸型离子交换树脂其酸性相当H2SO4，为强酸，并且能与水中或溶液中的阳离子(Na+1,Mg+2,Ca+2发生离子交换反应。称磺酸型离子交换树脂为强酸型阳离子交换树脂。 150
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)。它们都是强酸性基团，电离程度大且不受溶液pH变化的影响，在pH1～14范围内均能进行离子交换反应，以磺酸型树脂与NaCl作用为例，交换反应为： RSO3H＋NaCl=RSO3Na＋HCI 此外，以磷酸基团-PO(OH)2和次磷酸基团-PO(OH)作为活性基团的树脂具有中等强度的酸性。最多的为732# 弱酸性阳离子交换树脂 这类树脂的活性基团有羧基-COOH，酚羟基-OH等，它们的电离程度小，交换性能受溶液pH的影响很大，其交换能力随溶液pH的增加而提高。在酸性溶液中，这类树脂几乎不发生交换反应、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，应使溶液的pH＞9。 和强酸树脂不同，弱酸树脂和氢离子结合能力很强，故再生成氢型较容易，耗酸量少。强碱性阴离子交换树脂 这类树脂有两种，一种含三甲胺基称为强碱I型，另一种含二甲基- 羟基-乙基胺基团，为强碱型。和强酸离子交换相似，活性基团电离程度较强且不受pH变化的影响，在pH1～14范围内均可使用。这类树脂成氯型时较羟型稳定，耐热性也较好，因此，商品大多以氯型出售。I型的碱性比对Ⅱ型强，但再生较困难，Ⅱ型树脂的稳定性较差。典型的交换反应为 RN(CH3)3CI＋NaOH—→RN(CH3)3OH+NaCl 弱碱性阴离子交换树脂 这类树脂的活性基团有伯胺基团-NH2、仲胺基=NH、叔胺基≡N和吡啶基等。与弱酸阳离子树脂一样，交换能力受溶液pH的影响很大，pH越小交换能力越强。故在pH<7的溶液中使用。这类树脂和OH-结合能力较强，再生成羟型较容易，耗碱量少。 第二节离子交换分离原理及设备 1 2345678910