离子交换怎么试验

一、基本原理 离子交换层析法 （ion exchange chromatography，简称IEC）是从复杂的混合物中，分离性质相似大分子的方法之一，依据的原理是物质的酸碱性、极性，也就是所带阴阳离子的不同。电荷不同的物质，对管柱上的离子交换剂有不同的亲和力，改变冲洗液的离子强度和pH值，物质就能依次从层析柱中分离出来。 离子交换层析法大致分为5个步骤： 1. 离子扩散到树脂表面。 2. 离子通过树脂扩散到交换位置。 3. 在交换位置进行离子交换；被交换的分子所带电荷愈多，它与树脂的结合愈紧密，也就愈不容易被其它离子取代。 4. 被交换的离子扩散到树脂表面。 5. 冲洗液通过，被交换的离子扩散到外部溶液中。 离子交换树脂的交换反应是可逆的，遵循化学平衡的规律，定量的混合物通过管柱时，离子不断被交换，浓度逐渐降低，几乎全部都能被吸附在树脂上；在冲洗的过程中，由于连续添加新的交换溶液，所以会朝正反应方向移动，因而可以把树脂上的离子冲洗下来。 如果被纯化的物质是氨基酸类的分子，则分子上的净电荷取决于氨基酸的等电点和溶液的pH值，所以当溶液的pH 值较低，氨基酸分子带正电荷，它将结合到强酸性的阳离子交换树脂上；随着通过的缓冲液pH逐渐增加，氨基酸将逐渐失去正电荷，结合力减弱，最后被洗下来。由于不同的氨基酸等电点不同，这些氨基酸将依次被洗出，最先被洗出的是酸性氨基酸，如apartic acid和glutamic acid（在约pH3~4时），随后是中性氨基酸，如glycine和alanine。碱性氨基酸如arginine和lysine在pH值很高的缓冲液中仍带有正电荷，因此这些在约pH值高达10~11时才出现。 二、树脂材质 最常见的离子交换树脂材质是聚苯乙烯-苯二乙烯（polystyrenedivinylbenzene），它是由苯乙烯（styrene）和苯二乙烯（divinylbenzene）聚合产生的三维网状结构，举例来说，Dow化学公司所生产的树脂Dowex 50×8，表示含8%苯二乙烯。 根据交换树脂的性能，分为阳离子与阴离子交换树脂。 1. 阳离子交换树脂 分为强酸型、中强酸型和弱酸型三类，强酸型树脂含有－R－SO3H，中强酸型树脂含有－PO3H2、－PO2H2或－O－PO2H2，弱酸型树脂含有－COOH或－OH。 阳离子交换树脂进行的反应如下： 2. 阴离子交换树脂 分为强碱型、中强碱型和弱碱型三类，含有铵盐，四级铵盐 [ －N+(CH3)3] 为强碱型树脂，三级以下铵盐 [－N(CH3)2]、[ －NHCH3]、[ －NH2] 都属弱碱型树脂；同时具有强碱和弱碱型基团的，为中强碱型的树脂。阴离子交换树脂进行的反应如下： 除了树脂以外，纤维素（cellulose）、葡聚糖凝胶（Sephadex gel）和琼脂糖凝胶（Sepharose）也是常用的离子交换材质，特性是具有亲水性和较大的表面积，对生物活性物质而言，是一个较为温和的环境，同时也是大分子所适用的分离纯化材质 。常用的种类如下： 实验证明，纤维材质对蛋白质和核酸的分离纯化效果相当好，因为离子交换纤维的种类多，能依据不同分离目的使用，且功能团基主要在表面，对生物大分子的交换十分有利。 三、离子交换剂的选择 离子交换剂的选择，首重保持欲分离物质的生物活性，以及在不同pH值环境中，此物质所带的电荷和电性强弱。 1. 阴阳离子交换剂的选择 若被分离物质带正电荷，例如polymyxin、 cytochrome C这些碱性蛋白质，它们在酸性溶液中较稳定，亲和力强，故采用阳离子交换剂；其它像heparin、nucleic acid这类酸性物质，在碱性溶液中较稳定，则使用阴离子交换剂；如果欲分离的物质是两性离子，一般考虑在它稳定的pH范围带有何种电荷，作为交换剂的选择。以胰岛素（insulin）为例，它的等电点为pH 5.3，因此在pH5.3的碱性溶液中，使用阴离子交换剂。 简言之，已知等电点的物质，在高于等电点的pH条件下，因带有负电荷，应采用阴离子交换，在低于等电点的pH下，则采用阳离子交换。未知等电点的物质，在一定pH条件下进行电泳，向阳极移动较快的物质，在同样条件下可被阴离子交换剂吸附，向阴极移动较快的物质可被阳离子交换剂吸附。 2. 缓冲液的选择 缓冲液酸碱度的选择，决定于被分离物质的等电点、稳定性、溶解度和交换剂离子的pK值。使用阴离子交换纤维时要选用低于pK值的缓冲液，若欲分离的物质属于酸性，则缓冲液的pH值要高于该物的等电点；用阳离子交换纤维时要选用高于 pK值的缓冲液，目的物属于碱性物质的话，缓冲液要低于该物等电点的pH值。 缓冲液离子以不干扰分离物活性测定、不影响待测物溶解度、不发生沉淀为原则，如使用UV吸收法测样品，那么pyridine或barbital这类会吸收UV的物质就不适用。 四、离子交换树脂的前处理 离子交换树脂使用前，先以蒸馏水除去其内之杂质 ，并以NaOH和HCl处理树脂，使其上的官能基完全露出。阴离子交换树脂先以15倍于树脂量的0.5 N HCl 浸泡30~120分钟，再以水清洗至pH 7.0，之后用0.5 N NaOH浸泡30~120分钟，同样以水清洗至pH 7.0，最后用欲使用的缓冲液浸泡。阳离子交换树脂用15倍于树脂量的0.5 N NaOH浸泡30~120分钟，以水清洗至pH 7.0，之后用0.5 N HCl 浸泡30~120分钟，再以水清洗至pH 7.0，最后用欲使用的缓冲液浸泡。

离子交换法是一种借助于离子交换剂上的离子和废水中的离子进行交换反应而除去废水中有害离子的方法。离子交换是一种特殊吸附过程，通常是可逆性化学吸附；其特点是吸附水中离子化物质，并进行等电荷的离子交换。

离子交换剂分无机的离子交换剂如天然沸石，人工合成沸石，及有机的离子交换剂如磺化煤和各种离子交换树脂。

在应用离子交换法进行水处理时，需要根据离子交换树脂的性能设计离子交换设备，决定交换设备的运行周期和再生处理。通过本实验希望达到下述目的：

1) 加深对离子交换基本理论的理解；学会离子交换树脂的鉴别；

2) 学会离子交换设备操作方法；

3) 学会使用手持式盐度计，掌握pH计、电导率仪的校正及测量方法。

二、实验内容和原理

由于离子交换树脂具有交换基因，其中的可游离交换离子能与水中的同性离子进行等当量交换。 用酸性阳离子交换树脂除去水中阳离子，反应式如下：

nRH + M+n → RnM + nH+

M――阳离子 n――离子价数

R――交换树脂

用碱性阴离子交换树脂除去水中的阴离子，反应式如下：

nROH + Y−n → RnY + nOH-

Y――阴离子

离子交换法是固体吸附的一种特殊形式，因此也可以用解吸法来解吸，进行树脂再生。

本实验采用自来水为进水，进行离子交换处理。因为自来水中含有较多量的阴、阳离

子，如Cl¯， NH4+，Ca，Mg，Fe，Al，K，Na等。在某些工农业生产、科研、医疗卫生等工作中所用的水，以及某些废水深度处理过程中，都需要除去水中的这些离子。而采用离子交换树脂来达到目的是可行的方法。