離子交換分離

離子交換分離就是利用離子交換劑與溶液中的離子發生交換反應進行分離的方法。離子交換劑的種類很多，主要分為無機離子交換劑和有機離子交換劑兩大類。在分析化學中套用較多的是有機離子交換劑，又稱離子交換樹脂 。它具有分離效果高，選擇性好，適用性強，套用廣泛，多相操作，分離容易等優點，廣泛的套用於化工生產、環境保護、濕法冶金、原子能工業、食品工業、醫藥工業、分析化學等許多領域。

基本介紹

• 中文名：離子交換分離
• 外文名： Ion exchange separation
• 所屬領域：分析
• 類別：分離方法

基本概念

離子交換分離就是利用離子交換劑與溶液中的離子之間所發生的交換反應進行分離的方法。是一種固-液分離法。

離子交換分離的特點

（1）分離效率高；

（2）適用於帶相反電荷的離子之間的分離，還可用於帶相同電荷或性質相近的離子之間的分離；

（3）適用於微量組分的富集和高純物質的製備；

（4）方法的缺點是操作較麻煩，周期長。一般只用它解決某些比較複雜的分離問題。

離子交換劑的種類和性質

無機離子交換劑：

（1）天然沸石：交換容量小，使用pH值範圍窄；

（2）高價金屬磷酸鹽、高價金屬水合氧化物。

有機離子交換劑——即離子交換樹脂

離子交換樹脂：是具有網狀結構的複雜的有機高分子聚合物，網狀結構的骨架部分一般很穩定，不溶於酸、鹼和一般溶劑。在網的各處都有許多可被交換的活性基團。有機離子交換劑的分類及活性基團如下圖所示：

離子交換分離操作程式

樹脂的選擇和處理

（1）據分離對象的要求，選擇適當類型和粒度的樹脂

如：鋼鐵中微量鋁的測定，可用離子交換法消除鐵的干擾。

（2）淨化、除雜質和轉型

• 強酸型陽離子交換樹脂：用4mol/L的HCl浸泡1－2天，酸濾掉，用蒸餾水洗淨——轉化為R-SO₃H（H⁺型）
  
• 強鹼型陰離子交換樹脂：用NaOH浸泡1－2天，鹼濾掉，用蒸餾水洗淨——轉化為R-N⁺(CH₃)₃OH^-（OH^-型）
  

裝柱、交換

概念理解：

• 始漏點：流出液中開始出現未被交換的離子（承接檢驗有試液離子）；
  
• 始漏量：達始漏點時，被交換到柱子上的離子的量（mmol）<樹脂的總交換容量；
  
• 交界層：部分被交換的樹脂層稱為交界層。
  

交換過程如圖所示：

洗脫

洗脫指用洗脫劑(或淋洗劑)將交換到樹脂上的離子置換下來的過程。

• 通常陽離子交換樹脂，用HCl洗脫，洗脫後樹脂轉為H⁺型；
  
• 陰離子交換樹脂，用NaOH（NaCl or HCl）洗脫，洗脫後樹脂轉為OH^-或Cl^-型。
  

樹脂再生

• 陽離子交換樹脂，用3mol/L HCl處理，轉化為H⁺型
  
• 陰離子交換樹脂，用1mol/LNaOH處理，轉化為OH^-型
  

離子交換分離發展近況

在環境保護上的發展

雲天化集團比較了國外較成熟的污水治理技術後，選擇了離子交換法，因為它不但能有效治理污染物使出水達標排放，具備環保效益，而且它能回收、提濃再生產品硝酸銨而具備經濟效益。離子交換樹脂進行工業廢水處理時，不僅樹脂可以再生，而且操作簡單、工藝條件成熟、流程短，目前在廢水處理方面得到了廣泛的套用。

在食品工業的發展

離子交換樹脂是食品和發酵工業產物中提純、分離、濃縮、催化的良好材料。它廣泛的套用於糖液的脫色、脫鹽、軟化，副產物的回收、 分離、 異構體拆分和葡萄糖與果糖的分離等。

在醫藥工業的發展

近年來，離子交換分離法是醫藥工業中最活躍、最有創造力的一個分離技術，它主要包括藥物的提取純化、分離除雜、淨化分析和製成藥物樹脂的等等。在醫藥工業中，利用有機物、水的不解離或弱酸解離的特性對葡萄糖、甘露醇、胺基酸等進行電解質離子的分離。

在冶金工業的發展

近10年來離子交換法在鎳鈷濕法冶金技術中取得了迅速的發展，離子交換法是一種工藝簡化、成本低及對環境友好型的鎳鈷分離提取技術。陽離子交換樹脂IRN-77樹脂骨架為苯乙烯- 二乙烯苯共聚物，其功能團為磺酸基，屬於強酸性樹脂，可用於鈷或鎳的回收。

在原子能工業的發展

隨著原子能事業的發展，離子交換法在其方面的套用更加廣泛。 對處理放射性物質來說， 離子交換法是一個簡便的分離方法。在反應過程中， 可用聚苯乙烯-二乙烯苯季胺鹽型強酸性離子交換樹脂，從鹼性浸出液中提取鈾；用弱鹼性陽離子交換劑處理核反應堆用水； 用陽離子交換樹脂除去放射性廢水中少數核素碘、 磷、鉬、氟 等；用無機離子交換樹脂回收核燃料、處理裂變產物；用天然的無機離子交換機處理放射性廢液等。

天然物的提取和純化

隨著分離科學與技術的進步，樹脂提取分離技術在天然產物提取分離中的套用日益增加。天然胺基酸主要來源於蛋白質水解液或微生物發酵液，隨著來源的不同，體系中胺基酸的含量與半生雜質的類型也有所區別，因而提取分離工藝也不盡相同。由於樹脂對不同胺基酸的選擇性不同，可以利用陽離子交換樹脂對混合物胺基酸進行分離；利用弱酸性陽離子交換樹脂或弱鹼性陰離子交換樹脂，可以提取、純化抗生素和蛋白質；利用陽離子交換樹脂提取分離和富集生物鹼；利用陰離子交換樹脂使糖類物質分離和純化；利用陰離子交換樹脂吸附分離莽草酸。