分離工程復習題離子交換樹脂分那四種基本類型

⑴ 樹脂是做什麼用的

樹脂是製造塑料的主要原料，也用來制塗料、黏合劑、絕緣材料等，合成樹脂在工業生產中，被廣泛應用於液體中雜質的分離和純化，有大孔吸附樹脂、離子交換樹脂、以及一些專用樹脂。

樹脂通常是指受熱後有軟化或熔融范圍，軟化時在外力作用下有流動傾向，常溫下是固態、半固態，有時也可以是液態的有機聚合物。

樹脂定義

相對分子量不確定但通常較高，常溫下呈固態、中固態、假固態，有時也可以是液態的有機物質。具有軟化或熔融溫度范圍，在外力作用下有流動傾向，破裂時常呈貝殼狀。

廣義上是指用作塑料基材的聚合物或預聚物。一般不溶於水，能溶於有機溶劑。按來源可分為天然樹脂和合成樹脂；按其加工行為不同的特點又有熱塑性樹脂和熱固性樹脂之分。

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樹脂分類

1、按來源

樹脂有天然樹脂和合成樹脂之分。天然樹脂是指由自然界中動植物分泌物所得的無定形有機物質，如松香、琥珀、蟲膠等。

合成樹脂是指由簡單有機物經化學合成或某些天然產物經化學反應而得到的樹脂產物，如酚醛樹脂、聚氯乙烯樹脂等，其中合成樹脂是塑料的主要成分。

2、按合成反應

按此方法可將樹脂分為加聚物和縮聚物。加聚物是指由加成聚合反應製得的聚合物，其鏈節結構的化學式與單體的分子式相同，如聚乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯等。

縮聚物是指由縮合聚合反應製得的聚合物，其結構單元的化學式與單體的分子式不同，如酚醛樹脂、聚酯樹脂、聚醯胺樹脂等。

3、按分子主鏈組成

按此方法可將樹脂分為碳鏈聚合物、雜鏈聚合物和元素有機聚合物。

碳鏈聚合物是指主鏈全由碳原子構成的聚合物，如聚乙烯、聚苯乙烯等。

雜鏈聚合物是指主鏈由碳和氧、氮、硫等兩種以上元素的原子所構成的聚合物，如聚甲醛、聚醯胺、聚碸、聚醚等。

元素有機聚合物是指主鏈上不一定含有碳原子，主要由硅、氧、鋁、鈦、硼、硫、磷等元素的原子構成，如有機硅。

4、按性質

熱固性樹脂（玻璃鋼一般用這類樹脂）：不飽和聚酯/乙烯基酯/環氧/酚醛/雙馬來醯亞胺（BMI）/聚醯亞胺樹脂等。

熱塑性樹脂：聚丙烯（PP）/聚碳酸酯（PC）/尼龍（NYLON）/聚醚醚酮（PEEK）/聚醚碸（PES）等。

⑵ 各類離子交換樹脂的再生方法

再生劑的種類應根據樹脂的離子類型來選用，並適當地選擇價格較低的酸、鹼或鹽：

1、大孔吸附樹脂簡單再生的方法是用不同濃度的溶劑按極性從大到小剃度洗脫，再用2~3BV的稀酸、稀鹼溶液浸泡洗脫，水洗至PH值中性即可使用。

2、鈉型強酸性陽樹脂可用10%NaCl 溶液再生，用葯量為其交換容量的2倍 (用NaCl量為117g/ l 樹脂)；氫型強酸性樹脂用強酸再生，用硫酸時要防止被樹脂吸附的鈣與硫酸反應生成硫酸鈣沉澱物。為此，宜先通入1～2%的稀硫酸再生。

3、氯型強鹼性樹脂，主要以NaCl 溶液來再生，但加入少量鹼有助於將樹脂吸附的色素和有機物溶解洗出，故通常使用含10%NaCl + 0.2%NaOH 的鹼鹽液再生，常規用量為每升樹脂用150～200g NaCl ，及3～4g NaOH。OH型強鹼陰樹脂則用4%NaOH溶液再生。

4、一些脫色樹脂 (特別是弱鹼性樹脂) 宜在微酸性下工作。此時可通入稀鹽酸，使樹脂 pH值下降至6左右，再用水正洗，反洗各一次。

5、陽樹脂再生：

通鹽酸：在環境溫度下，將4%的樹脂床體積4倍的HCL通過樹脂床，通過時間約2小時。
慢洗：以相同流速和；流向，通2倍樹脂體積的除鹽水。
快洗：以運行流速和流向，通除鹽水至PH=5-6.樹脂床備用。

6、陰樹脂再生：
通氫氧化鈉：在環境溫度下，將濃度為4%的樹脂體積4倍量的NaOH通過樹脂床，通過時間約為2小時。
慢洗：以相同流速和；流向，通2倍樹脂體積的除鹽水。
快洗：以運行流速和流向，通除鹽水至PH=8，樹脂床備用
具體操作可根據樹脂使用情況酌情增加酸鹼的濃度和再生時間。

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應用領域：

1）水處理

水處理領域離子交換樹脂的需求量很大，約占離子交換樹脂產量的90%，用於水中的各種陰陽離子的去除。目前，離子交換樹脂的最大消耗量是用在火力發電廠的純水處理上，其次是原子能、半導體、電子工業等。

2）食品工業

離子交換樹脂可用於製糖、味精、酒的精製、生物製品等工業裝置上。例如：高果糖漿的製造是由玉米中萃出澱粉後，再經水解反應，產生葡萄糖與果糖，而後經離子交換處理，可以生成高果糖漿。離子交換樹脂在食品工業中的消耗量僅次於水處理。

3）制葯行業

制葯工業離子交換樹脂對發展新一代的抗菌素及對原有抗菌素的質量改良具有重要作用。鏈黴素的開發成功即是突出的例子。近年還在中葯提成等方面有所研究。

4）合成化學和石油化學工業

在有機合成中常用酸和鹼作催化劑進行酯化、水解、酯交換、水合等反應。用離子交換樹脂代替無機酸、鹼，同樣可進行上述反應，且優點更多。如樹脂可反復使用，產品容易分離，反應器不會被腐蝕，不污染環境，反應容易控制等。

甲基叔丁基醚（MTBE）的制備，就是用大孔型離子交換樹脂作催化劑，由異丁烯與甲醇反應而成，代替了原有的可對環境造成嚴重污染的四乙基鉛。

5）環境保護

離子交換樹脂已應用在許多非常受關注的環境保護問題上。目前，許多水溶液或非水溶液中含有有毒離子或非離子物質，這些可用樹脂進行回收使用。如去除電鍍廢液中的金屬離子，回收電影製片廢液里的有用物質等。

6）濕法冶金及其他

離子交換樹脂可以從貧鈾礦里分離、濃縮、提純鈾及提取稀土元素和貴金屬。

⑶ 水處理工藝之離子交換法，何為離子交換樹脂

離子交換法在廢水處理領域的廣泛應用，得益於其再生性強、操作簡便、工藝成熟和流程簡短的特點。本文將深入解析離子交換工藝、原理，以及離子交換劑的使用，旨在為讀者提供全面的知識儲備，建議收藏。

離子交換法是一種通過離子交換劑上的離子與污水中的離子進行交換反應，以去除污水中有害離子的處理方法。與吸附法相比，離子交換法具有獨特優勢，主要吸附污水中的離子化物質，進行等當量的離子交換。

離子交換法在污水處理中發揮著重要作用，主要用於回收和去除污水中的金屬離子，如金、銀、銅、鎘、鉻、鋅等，同時也能對有機污水進行處理和凈化放射性污水。

離子交換的原理是水溶液通過樹脂時，在固體顆粒與液體之間的界面上發生的固-液間離子交換過程。這一反應是可逆的，離子交換劑對不同組分展現出不同的平衡特性。在污水處理中，常見應用包括水的軟化、除鹽、去除或回收重金屬離子等。

離子交換劑主要由骨架和交換基團構成，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，它們既能作為陽離子交換劑，也能用作吸附劑。沸石通過其晶格空間的組分向顆粒內擴散，實現離子交換，分離污水的特定成分。沸石有多種類型，如方沸石、菱沸石、片沸石等。合成無機物離子交換劑具有均勻的空隙結構，能排出大分子，分子篩如合成毛沸石、合成菱沸石、合成絲光沸石等是廣泛應用的實例。

有機離子交換劑主要由磺化煤和各種離子交換樹脂組成。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，結構上分為不溶於水的樹脂本體和具有活性的交換基團兩部分。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，交聯劑作用於形成立體的網狀結構。交換基團則由起交換作用的離子和與樹脂本體連接的離子組成。樹脂的選擇性體現在水中各種離子在與樹脂交換時，其能力不同，有的離子容易被吸附但難以置換，有的則反之，這種性能即為離子交換樹脂的選擇性。

離子交換樹脂的選擇性受多種因素影響，包括離子帶電荷的多少、原子序數大小以及溶液濃度。二價離子通常比一價離子更易被吸附，原子序數大的離子更容易吸附，而濃溶液中的低價離子易被樹脂吸附。

特種離子交換樹脂專門針對某一種或幾種目標污染物離子具有選擇性吸附能力。其官能團在普通樹脂官能團的基礎上經過特殊化學反應修飾改性，或者直接使用具有對特定污染物離子特殊親和性的物質作為官能團。這類樹脂適用於特定行業、水質以及特定目標污染物的選擇性去除，普通樹脂則主要用於脫鹽、軟化等方面。

離子交換設備包括固定床、移動床和流動床三種類型。固定床離子交換設備將樹脂裝入豎式交換容器中，料液不斷流過樹脂層，完成交換、反沖洗、再生和清洗等操作，為間歇式運行。移動床離子交換器中，樹脂在運動中周期性移動，樹脂層定期排出失效樹脂並補充等量再生樹脂。三塔多周期移動床系統由交換塔、再生塔和清洗塔組成，樹脂層在移動中定期排出失效樹脂並補充再生樹脂。流動床離子交換設備有壓力式和重力式兩種，工程中常用的是重力式流動床，包括雙塔式和三塔式兩種類型。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。

⑷ 離子交換層析可用於哪些種類蛋白質的分離

離子交換層析是利用蛋白質在不同PH帶不同種電荷的方法，利用離子交換的方法分離專蛋白的。
離子交換屬內的介質一般是樹脂，陽離子交換型的，使用前樹脂先用鹼處理成鈉型，將氨基酸混合液（pH=2-3)上柱，pH=2-3時，氨基酸主要以陽離子形式存在，與樹脂上的鈉離子發生交換而被「掛」在樹脂上，再用洗脫劑洗脫。不同的氨基酸（帶的電荷不同）與樹脂的親和力不同，要將其分離洗脫下來，需要降低它們之間的親和力，方法是逐步提高洗脫劑的pH和鹽濃度，這樣各種氨基酸將以不同的速度被洗脫下來，反之亦然。

不同反荷離子與樹脂親和力是不同的，其強弱關系為陽性競爭離子：Ag+〉CS+〉K+〉NH4+〉Na+〉H+〉Li+ 陰性競爭離子：I->NO3->(PO4)3->CN-〉HSO3-〉Mg2+〉HCO3-〉HCOO-〉CH3COO-〉OH-〉F- 如果某種離子溶液洗脫效果不好，可用另一種親和力強的離子代替之，等電點＞7選擇陽離子交換樹脂，等電點＜7選擇陰離子交換樹脂。

⑸ 高分子物理材料

高分子物理材料是一類具有特殊功能的材料，涵蓋多個領域，包括生物醫用高分子、光電磁功能高分子、高分子分離膜、吸附與分離樹脂以及智能凝膠等。

• 生物醫用高分子：這類材料重點研究生物相容性、可降解性以及葯物釋放性能。它們被廣泛應用於組織工程、葯物輸送和生物檢測，提高了治療效果並降低了對患者的潛在風險。

• 光電磁功能高分子：這類材料在光電器件、光催化和磁記錄等領域具有巨大潛力。通過調整分子結構和化學組成，可以開發出高效光電轉換性能的薄膜、復合材料和智能響應型材料，應用於太陽能轉換、光信息存儲和生物感測等方面。

• 高分子分離膜：作為分離科學領域的重要組成部分，高分子分離膜在水處理、食品工業、生物技術和環境工程等方面有廣泛應用。通過精確控制膜的孔徑、孔隙結構和化學性質，可以實現高通量、高選擇性和低能耗的分離效果。

• 吸附與分離樹脂：這類材料在環境科學、化學工程和生物技術中發揮著重要作用。通過調整結構和功能基團，可以開發出高效吸附劑、離子交換樹脂和生物分子分離材料，用於廢水處理、重金屬去除、葯物純化和生物大分子分離等。

• 智能凝膠：作為高分子材料的一種特殊形態，智能凝膠具有獨特的物理和化學性質，在軟體機器人、智能醫療和環境監測等領域有廣闊應用前景。它們能夠對外界刺激產生響應，展現出獨特的性能。

⑹ 蛋白質的分離方法

1.根據分子大小不同進行分離純化
蛋白質是一種大分子物質,並且不同蛋白質的分子大小不同,因此可以利用一些較簡單的方法使蛋白質和小分子物質分開,並使蛋白質混合物也得到分離。根據蛋白質分子大小不同進行分離的方法主要有透析、超濾、離心和凝膠過濾等。透析和超濾是分離蛋白質時常用的方法。透析是將待分離的混合物放入半透膜製成的透析袋中,再浸入透析液進行分離。超濾是利用離心力或壓力強行使水和其它小分子通過半透膜,而蛋白質被截留在半透膜上的過程。這兩種方法都可以將蛋白質大分子與以無機鹽為主的小分子分開。它們經常和鹽析、鹽溶方法聯合使用,在進行鹽析或鹽溶後可以利用這兩種方法除去引入的無機鹽。由於超濾過程中,濾膜表面容易被吸附的蛋白質堵塞,以致超濾速度減慢,截流物質的分子量也越來越小。所以在使用超濾方法時要選擇合適的濾膜,也可以選擇切向流過濾得到更理想的效果
離心也是經常和其它方法聯合使用的一種分離蛋白質的方法。當蛋白質和雜質的溶解度不同時可以利用離心的方法將它們分開。例如,在從大米渣中提取蛋白質的實驗中,加入纖維素酶和α-澱粉酶進行預處理後,再用離心的方法將有用物質與分解掉的雜質進行初步分離[3]。使蛋白質在具有密度梯度的介質中離心的方法稱為密度梯度(區帶)離心。常用的密度梯度有蔗糖梯度、聚蔗糖梯度和其它合成材料的密度梯度。可以根據所需密度和滲透壓的范圍選擇合適的密度梯度。密度梯度離心曾用於純化蘇雲金芽孢桿菌伴孢晶體蛋白,得到的產品純度高但產量偏低。蔣辰等[6]通過比較不同密度梯度介質的分離效果,利用溴化鈉密度梯度得到了高純度的蘇雲金芽孢桿菌伴孢晶體蛋白。凝膠過濾也稱凝膠滲透層析,是根據蛋白質分子大小不同分離蛋白質最有效的方法之一。凝膠過濾的原理是當不同蛋白質流經凝膠層析柱時,比凝膠珠孔徑大的分子不能進入珠內網狀結構,而被排阻在凝膠珠之外,隨著溶劑在凝膠珠之間的空隙向下運動並最先流出柱外;反之,比凝膠珠孔徑小的分子後流出柱外。目前常用的凝膠有交聯葡聚糖凝膠、聚丙烯醯胺凝膠和瓊脂糖凝膠等。在甘露糖蛋白提純的過程中使用凝膠過濾方法可以得到很好的效果,純度鑒定證明產品為分子量約為32 kDa、成分是多糖∶蛋白質(88∶12)、多糖為甘露糖的單一均勻糖蛋白[1]。凝膠過濾在抗凝血蛋白的提取過程中也被用來除去大多數雜蛋白及小分子的雜質[7]。

2.根據溶解度不同進行分離純化
影響蛋白質溶解度的外部條件有很多,比如溶液的pH值、離子強度、介電常數和溫度等。但在同一條件下,不同的蛋白質因其分子結構的不同而有不同的溶解度,根據蛋白質分子結構的特點,適當地改變外部條件,就可以選擇性地控制蛋白質混合物中某一成分的溶解度,達到分離純化蛋白質的目的。常用的方法有等電點沉澱和pH值調節、蛋白質的鹽溶和鹽析、有機溶劑法、雙水相萃取法、反膠團萃取法等。

等電點沉澱和pH值調節是最常用的方法。每種蛋白質都有自己的等電點,而且在等電點時溶解度最低;相反,有些蛋白質在一定pH值時很容易溶解。因而可以通過調節溶液的pH值來分離純化蛋白質。王洪新等[8]研究茶葉蛋白質提取過程發現,pH值為時茶葉蛋白提取效果最好,提取率達到36·8%,初步純化得率為91·0%。李殿寶[9]在從葵花脫脂粕中提取蛋白質時將蛋白溶液的pH值調到3~4,使目標蛋白於等電點沉澱出來。等電點沉澱法還應用於葡萄籽中蛋白質的提取。李鳳英等[10]測得葡萄籽蛋白質的等電點為3·8。他們利用鹼溶法提取葡萄籽蛋白質,得到了最佳的提取工藝為:以1×10-5mol·L-1的NaOH溶液,按1∶5的料液比,在40℃攪拌40 min,葡萄籽蛋白質提取率達73·78%。另外還可以利用鹼法提取大米蛋白,其持水性、吸油性和起泡性等均優於酶法提取[11]。利用酸法提取得到的鰱魚魚肉蛋白質無腥味、色澤潔白,蛋白質產率高達90%[12]。
蛋白質的鹽溶和鹽析是中性鹽顯著影響球狀蛋白質溶解度的現象,其中,增加蛋白質溶解度的現象稱鹽溶,反之為鹽析。應當指出,同樣濃度的二價離子中性鹽,如MgCl2、(NH4)2SO4對蛋白質溶解度影響的效果,要比一價離子中性鹽如NaCl、NH4Cl大得多。在葡萄籽蛋白提取工藝中除了可以利用鹼溶法還可以利用鹽溶法來提取蛋白質,其最佳提取工藝是:以10%NaCl溶液,按1∶25的料液比,在30℃攪拌提取30min,蛋白質提取率為57·25%[10]。鹽析是提取血液中免疫球蛋白的常用方法,如多聚磷酸鈉絮凝法、硫酸銨鹽析法,其中硫酸銨鹽析法廣泛應用於生產。由於硫酸銨在水中呈酸性,為防止其對蛋白質的破壞,應用氨水調pH值至中性。為防止不同分子之間產生共沉澱現象,蛋白質樣品的含量一般控制在0·2% ~2·0%。利用鹽溶和鹽析對蛋白質進行提純後,通常要使用透析或者凝膠過濾的方法除去中性鹽[13]。

有機溶劑提取法的原理是:與水互溶的有機溶劑(如甲醇、乙醇)能使一些蛋白質在水中的溶解度顯著降低;而且在一定溫度、pH值和離子強度下,引起蛋白質沉澱的有機溶劑的濃度不同,因此,控制有機溶劑的濃度可以分離純化蛋白質。例如,在冰浴中磁力攪拌下,在4℃預冷的培養液中緩慢加入乙醇(-25℃),可以使冰核蛋白析出,從而純化冰核蛋白[14]。由於在室溫下,有機溶劑不僅能引起蛋白質的沉澱,而且伴隨著變性。因此,通常要將有機溶劑冷卻,然後在不斷攪拌下加入有機溶劑防止局部濃度過高,蛋白質變性問題就可以很大程度上得到解決。對於一些和脂質結合比較牢固或分子中極性側鏈較多、不溶於水的蛋白質,可以用乙醇、丙酮和丁醇等有機溶劑提取,它們有一定的親水性和較強的親脂性,是理想的提取液。冷乙醇分離法提取免疫球蛋白最早由Cohn於1949年提出,用於制備丙種球蛋白。冷乙醇法也是目前WHO規程和中國生物製品規程推薦的方法,不僅解析度高、提純效果好、可同時分離多種血漿成分,而且有抑菌、清除和滅病毒的作用[15]。

萃取是分離和提純有機化合物常用的一種方法,而雙水相萃取和反膠團萃取可以用來分離蛋白質。雙水相萃取技術(Aqueous two phase extraction,ATPE)是指親水性聚合物水溶液在一定條件下形成雙水相,由於被分離物在兩相中分配的不同,便可實現分離,被廣泛用於生物化學、細胞生物學和生物化工等領域的產品分離和提取。此方法可以在室溫環境下進行,雙水相中的聚合物還可以提高蛋白質的穩定性,收率較高。對於細胞內的蛋白質,需要先對細胞進行有效破碎。目的蛋白常分布在上相並得到濃縮,細胞碎片等固體物分布在下相中。採用雙水相系統濃縮目的蛋白,受聚合物分子量及濃度、溶液pH值、離子強度、鹽類型及濃度的影響[16]。

反膠團萃取法是利用反膠團將蛋白質包裹其中而達到提取蛋白質的目的。反膠團是當表面活性劑在非極性有機溶劑溶解時自發聚集而形成的一種納米尺寸的聚集體。這種方法的優點是萃取過程中蛋白質因位於反膠團的內部而受到反膠團的保護。程世賢等[17]就利用反膠團萃取法提取了大豆中的蛋白質。

3.根據電荷不同進行分離純化
根據蛋白質的電荷即酸鹼性質不同分離蛋白質的方法有電泳和離子交換層析兩類。
在外電場的作用下,帶電顆粒(如不處於等電點狀態的蛋白質分子)將向著與其電性相反的電極移動,這種現象稱為電泳。聚丙烯醯胺電泳是一種以聚丙烯醯胺為介質的區帶電泳,常用於分離蛋白質。它的優點是設備簡單、操作方便、樣品用量少。等電聚焦是一種高解析度的蛋白質分離技術,也可以用於蛋白質的等電點測定。利用等電聚焦技術分離蛋白質混合物是在具有pH梯度的介質中進行的。在外電場作用下各種蛋白質將移向並聚焦在等於其等電點的pH值梯度處形成一個窄條帶。孫臣忠等[18]研究了聚丙烯醯胺電泳、等電聚焦電泳和等速提純電泳在分離純化蛋白質中的應用。結果發現,聚丙烯醯胺電泳的條帶解析度低,加樣量不高;等電聚焦電泳解析度最高,可以分離同種蛋白的亞成分,加樣量最小;等速提純電泳區帶解析度較高,可將樣品分成單一成分,加樣量最大。

離子交換層析(Ion exchange chromatography,IEC)是以離子交換劑為固定相,依據流動相中的組分離子與交換劑上的平衡離子進行可逆交換時結合力大小的差別而進行分離的一種層析方法。離子交換層析中,基質由帶有電荷的樹脂或纖維素組成。帶有正電荷的為陰離子交換樹脂;反之為陽離子交換樹脂。離子交換層析同樣可以用於蛋白質的分離純化。當蛋白質處於不同的pH值條件下,其帶電狀況也不同。陰離子交換基質結合帶有負電荷的蛋白質,被留在層析柱上,通過提高洗脫液中的鹽濃度,將吸附在層析柱上的蛋白質洗脫下來,其中結合較弱的蛋白質首先被洗脫下來。反之陽離子交換基質結合帶有正電荷的蛋白質,結合的蛋白可以通過逐步增加洗脫液中的鹽濃度或是提高洗脫液的pH值洗脫下來。李全宏等[19]將離子交換層析應用於濃縮蘋果汁中蛋白質的提純。另外,離子交換層析還用於抗凝血蛋白的提取[7]。

4. 利用對配體的特異親和力進行分離純化
親和層析是利用蛋白質分子對其配體分子特有的識別能力(即生物學親和力)建立起來的一種有效的純化方法。它通常只需一步處理即可將目的蛋白質從復雜的混合物中分離出來,並且純度相當高。應用親和層析須了解純化物質的結構和生物學特性,以便設計出最好的分離條件。近年來,親和層析技術被廣泛應用於靶標蛋白尤其是疫苗的分離純化,特別是在融合蛋白的分離純化上,親和層析更是起到了舉足輕重的作用,因為融合蛋白具有特異性結合能力[20]。親和層析在基因工程亞單位疫苗的分離純化中應用也相當廣泛[21]。范繼業等[22]利用殼聚糖親和層析提取的抑肽酶比活達到71 428 BAEE·mg-1,純化回收率達到62·5%。該方法成本較低,吸附劑價格低廉、機械強度高、抗污染能力較強、非特異性吸附較小、可反復使用、適用性廣,產品質量穩定。