離子交換劑三部分

A. 離子交換色譜法的原理，裝置及應用

原理：
離子交換色譜（ion exchange chromatography，IEC）以離子交換樹脂作為固定相，樹脂上具有固定離子基團及可交換的離子基團。當流動相帶著組分電離生成的離子通過固定相時，組分離子與樹脂上可交換的離子基團進行可逆變換。根據組分離子對樹脂親合力不同而得到分離。

裝置：
（1）分離柱 裝有離子交換樹脂，如陽離子交換樹脂、陰離子交換樹脂或螯合離子交換樹脂。為了減小擴散阻力，提高色譜分離效率，要使用均勻粒度的小球形樹脂。最常用的陽離子交換樹脂是在有機聚合物分子（如苯乙烯－二乙烯基苯共聚物）上連接磺酸基官能團（─SO3─）。最常用的陰離子交換劑是在有機聚合物分子上連接季銨官能團(─NH4)。這些都是常規高交換容量的離子交換樹脂，由於它們的傳質速度低，使柱效和分離速度都低。C.霍瓦特描述了一種薄膜陰離子交換樹脂，它是在苯乙烯－二乙烯基苯共聚物核心上沉澱一薄層陰離子交換樹脂，就象雞蛋有一薄層外皮那樣，離子交換反應只在外皮上進行,因此縮短了擴散的路徑,所以離子交換速度高，傳質快，提高了柱效。同樣，在小顆粒多孔硅膠上塗一薄層離子交換材料也可得到相同類型的樹脂。螯合離子交換樹脂具有絡合某些金屬離子而同時排斥另一些金屬離子的能力，因此這種樹脂具有很高的選擇性。除了離子交換柱外，其他高效液相色譜柱也可用於分離離子。
（2）抑制柱和柱後衍生作用 常用的檢測器不僅能檢測樣品離子，而且也對移動相中的離子有響應，所以必須消除移動相離子的干擾。在離子色譜中，消除(抑制)移動相離子干擾的常用方法有兩種。
①抑制反應，用抑制反應來改變移動相，使移動相離子不被檢測器測出。離子色譜通常使用電導檢測器。在抑制反應中??綞匝衾胱佣?裕?把高電導率移動相的氫氧化物轉變成水,而樣品離子則轉變成它們相應的酸：
NaOH+H+─→Na++H2O
NaX+H+─→HX+Na+
在裝有強酸性陽離子交換樹脂的柱中進行抑制反應，使用一段時間後，這種樹脂就需要再生，很不方便。改用連接有磺酸基(─SO3H)的離子交換膜(陽離子交換膜)或用連接有銨基(─NH4)的離子交換膜(陰離子交換膜)，就可以連續進行抑制反應。例如，陽離子交換膜可使陽離子通過它擴散過去，而陰離子則不能擴散過去。
1981年，T.S.史蒂文斯和斯莫爾等報道了中空纖維抑製法。這種纖維是由陽離子交換膜材料拉制而成。用這種方法不僅不需要再生抑制柱而且減小了峰的加寬，提高了柱效。一種比較新的膜技術是加一電場以加速離子的傳遞，該法與中空纖維法比較，其優點是反應時間短、交換能力高，並且可以用於陽離子和陰離子兩者。
②柱後衍生作用，將從柱子流出的洗出液與對被測物有特效作用的試劑相混合，在一反應器中生成帶色的絡合物（見配位化合物）。對衍生試劑最重要的要求是它們與被測物能生成絡合物，但不與移動相生成絡合物。柱後衍生法能用於測定重金屬離子，所用的衍生試劑有茜素紅S等。
（3）檢測器 分為通用型和專用型。通用型檢測器對存在於檢測池中的所有離子都有響應。離子色譜中最常用的電導檢測器就是通用型的一種。紫外－可見分光光度計是專用型的檢測器，對離子具有選擇性響應。可變波長紫外檢測器與電導檢測器聯用,能幫助鑒定未知峰,分辨重疊峰和提供電導檢測器不能測定的陰離子，如硫化物及亞砷酸中的陰離子的檢測。
在離子色譜中，電導檢測法總是和抑制反應配合使用。這種檢測器對分子不響應，如水、乙醇或者不離解的弱酸分子等。對於電導檢測器，一個重要的條件是溫度要穩定，所以檢測池要放在恆溫箱中，1982年H.薩托設計一種雙示差電導檢測器，消除了溫度變化對檢測的影響，可測定10-9摩爾的陰離子。

應用：
離子色譜主要用於測定各種離子的含量，特別適於測定水溶液中低濃度的陰離子，例如飲用水水質分析，高純水的離子分析，礦泉水、雨水、各種廢水和電廠水的分析，紙漿和漂白液的分析，食品分析，生物體液(尿和血等)中的離子測定，以及鋼鐵工業、環境保護等方面的應用。離子色譜能測定下列類型的離子：有機陰離子、鹼金屬、鹼土金屬、重金屬、稀土離子和有機酸,以及胺和銨鹽等。

B. 水處理工藝之離子交換法

離子交換法

離子交換法，是一種污水處理技術，通過離子交換劑與污水中離子間的交換反應，實現去除污水中污染物的目的。該方法具有特殊吸附過程的特點，主要吸附污水中的離子化物質，進行等當量的離子交換。

在污水處理中，離子交換法主要用於回收和去除污水中的金、銀、銅、鎘、鉻、鋅等金屬離子，以及對有機污水進行處理和凈化放射性污水。

離子交換法的反應過程是可逆的，通過水溶液與樹脂間的固-液界面，實現離子交換。最常見的是水的軟化、除鹽、去除或回收污水中的重金屬離子等。以水中陽離子與交換劑上的Na+進行交換反應為例，反應式為：2RNa + M2+====R2M+2Na+。

離子交換劑由骨架和交換基團組成，分為無機和有機兩大類。無機離子交換劑包括天然沸石和人工合成沸石，沸石既可用作陽離子交換劑，也可用作吸附劑。合成無機物離子交換劑能排出大分子，廣泛應用的分子篩包括合成毛沸石、合成菱沸石、合成絲光沸石等。有機離子交換劑包括磺化煤和各種離子交換樹脂。

離子交換樹脂是一種具有離子交換特性的有機高分子聚合電解質，具有多孔結構的固體球形顆粒，粒徑一般為0.6~1.2mm（大粒徑樹脂）、0.3~0.6mm（中粒徑樹脂）、0.02~0.1mm（小粒徑樹脂）。樹脂不溶於水和電解質，結構包括不溶於水的樹脂本體和活性交換基團。樹脂本體由有機化合物和交聯劑組成的高分子共聚物構成，交聯劑使樹脂形成立體網狀結構，交換基團由起交換作用的離子與樹脂本體連接的離子組成。

離子交換樹脂具有選擇性，水中不同離子與樹脂交換的能力不同。選擇性的影響因素包括離子電荷量、原子序數和溶液濃度。特種離子交換樹脂具有對特定目標污染物離子的選擇性吸附能力，官能團在普通樹脂基礎上經過修飾改性或直接使用特殊物質製成，適用於特定行業、水質和目標污染物的去除。

常用的離子交換設備包括固定床、移動床和流動床。固定床離子交換設備將樹脂裝入容器，處理液流過樹脂層，操作包括交換、反沖洗、再生和清洗。移動床離子交換器中樹脂在運動中周期性移動，定期替換失效樹脂和補充再生樹脂。流動床離子交換裝置分為壓力式和重力式，重力式雙塔流動床由交換塔、再生清洗塔、水射器和輔助管路組成。

C. 離子交換樹脂的工作原理

離子交換樹脂原理即是離子交換樹把溶液中的鹽分脫離出來的過程：

離子交換樹脂作用環境中的水溶液中，含有的金屬陽離子（Na+、Ca2+、 K+、 Mg2+、Fe3+等)與陽離子交換樹脂(含有的磺酸基（—SO3H）、羧基（—COOH）或苯酚基（—C6H4OH）等酸性基團，在水中易生成H+離子)上的H+進行離子交換，使得溶液中的陽離子被轉移到樹脂上，而樹脂上的H+交換到水中，（即為陽離子交換樹脂原理）。

水溶液中的陰離子(Cl-、HCO3-等)與陰離子交換樹脂（含有季胺基[-N（CH3）3OH]、胺基（—NH2）或亞胺基（—NH2）等鹼性基團，在水中易生成OH-離子）上的OH-進行交換，水中陰離子被轉移到樹脂上，而樹脂上的OH-交換到水中，（即為陰離子交換樹脂原理）。而H+與OH-相結合生成水，從而達到脫鹽的目的。

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離子交換樹脂使用方法：

1、預選。離子交換樹脂的粒度一般控制在20-35目，有些可達到50目，因此在使用前要先乾燥，粉碎，過篩，通常乾燥時在烘箱中進行，亦可在裝有五氧化二磷、氧化鈣或者濃硫酸的乾燥器中進行，粉碎時不要分得過細，否則影響實驗收率。

2、預處理。強鹼性離子交換樹脂應先用20倍樹脂體積的4%氫氧化鈉水溶液處理，然後用10倍體積的水洗，再用10倍量4%鹽酸處理，最後用蒸餾水洗至中性，然後將氯型轉化成OH型，再轉化成氯型，最後用10倍4%氫氧化鈉水溶液處理。弱鹼性離子交換樹脂處理時只需用10倍量蒸餾水洗即可，不必洗至中性。

3、裝柱。將處理好的樹脂至於燒杯中，加水充分攪拌除掉氣泡，靜置幾分鍾待樹脂大部分沉降後，傾去上層泥狀顆粒；反復操作直至上層液澄清後，即可裝柱。注意要在柱子底部放1cm後的玻璃絲，用玻璃棒將其壓平，將樹脂倒入柱子中，還要注意防止氣泡產生。

4、樹脂交換。將樣品配製成一定濃度的水溶液，以適當流速通過柱子，亦可將樣品溶液反復通過柱子，直到成分交換完全。用顯色法檢驗成分是否交換徹底。

5、樹脂洗脫。注意親和力弱的成分先被洗下來，常用的離子交換樹脂洗脫劑有強酸、強鹼、鹽類、不同pH緩沖溶液、有機溶液等，可選擇梯度洗脫或者單一濃度洗脫。

6、樹脂再生。

D. 梯度洗脫的分級梯度洗脫

分級梯度洗脫是依據各種離子或離子化合物與離子交換劑的結合力不同而進行分離純版化的。離子交換層析的固權定相是離子交換劑，它是由一類不溶於水的惰性高分子聚合物基質通過一定的化學反應共價結合上某種電荷基團形成的。離子交換劑可以分為三部分：高分子聚合物基質、電荷基團和平衡離子。電荷基團與高分子聚合物共價結合，形成一個帶電的可進行離子交換的基團。平衡離子是結合於電荷基團上的相反離子，它能與溶液中其它的離子基團發生可逆的交換反應。平衡離子帶正電的離子交換劑能與帶正電的離子基團發生交換作用，稱為陽離子交換劑；平衡離子帶負電的離子交換劑與帶負電的離子基團發生交換作用，稱為陰離子交換劑。

E. 親和層析的原理 最好詳細些

4
親和層析
4.1
原理
親和層析是應用生物高分子與配基可逆結合的原理，將配基通過共價鍵牢固結合於載體上而製得的層析系統。這種可逆結合的作用主要是靠生物高分子對它的配基的空間結構的識別。常用的生物親和關系有酶-底物、底物類似物、抑制劑、激活劑、輔因子，抗體-抗原，激素-受體蛋白、載體蛋白，外源凝集素-多糖、糖蛋白、細胞表面受體，核酸-互補核苷酸序列、組蛋白、核酸結合蛋白等
〔10，11〕
。
4.2
離子交換劑
親和層析的層析劑可分為3個部分:
（1）載體，載體起支架作用，一般是偶聯凝膠或多孔玻璃珠。
（2）間臂，由於生物大分子的空間位阻作用，需加一間臂，其長度具有重要作用。太長則增加了非特異性疏水吸附作用，太短則起不到應有的作用。
（3）配基，這是親和層析的核心物質，在分離中起特異性吸附欲分離物的作用。配基一般分為天然配基（包括糖結合配基和蛋白質結合配基）、染料配基、氨基酸類親和配基、核苷酸及核苷酸類似物配基和仿生配基等幾類。其中利用計算機輔助設計的仿生配基
〔12～15〕
和膜層析
〔16〕
代表了親和層析的發展方向。不僅是配基本身的結構，它們與載體的連接方法也與層析的分離能力有關
〔17〕
。
4.3
影響因素與洗脫
親和層析中配基與欲分離物吸附作用的大小主要與配基的空間結構有關，因此可以用分子間相互作用的平衡常數K
D
來衡量親和作用強度
〔18〕
。但它們的結合力仍不外乎對應的功能基團之間的氫鍵、靜電作用、疏水作用等。所以，除了可改變配基以改變親和層析的作用強度以外，還可以通過改變pH和離子強度的方法來改變配基與生物大分子之間的親和力，從而達到洗脫的目的
〔19〕
。但由於親和層析的多樣性，洗脫的條件常常需要通過實驗來獲得。除此以外，還可運用其它配基、抑制劑等物質與出層析劑上的配基或生物大分子產生競爭性結合，達到洗脫的目的，這種方法被稱為專一性洗脫。專一性洗脫可以獲得很高的分辨能力，但洗脫劑的價格較高，所以常與普通洗脫配合使用。值得注意的是，在洗脫時，會有少許配基與蛋白質一同被洗脫下來，因此常在其後加一凝膠層析以除去小分子的配基。
4.4
應用及舉例
在實際使用中，配基與欲分離蛋白質之間的親和力要控制在一定的范圍之內，這是因為若親和力太低，則分離的效果不好;若親和力太高，則洗脫太困難。因此配基與欲分離蛋白質之間的K
D
值一般控制在10
-4
～10
-6
之間