离子交换分离法是利用离子交换剂与溶液中的离子发生交换作用而使离子分离的方法。

早期的离子交换剂是硅铝酸盐沸石，现在最常用的是聚苯乙烯树脂的离子交换剂，这种离子交换剂呈球形小颗粒，强度大，很稳定，酸碱和氧化剂对它不起作用，具有较大的交换容量。离子交换方法广泛地应用于无机物质和有机物质的分析中，成为分析化学中常用的重要分离手段。

12.5.1离子交换平衡及分离

离子交换技术是根据某些溶质能解离为阳离子或阴离子的特性，利用离子交换剂与不同离子结合力强弱的差异，将溶质暂时交换到离子交换剂上，然后用合适的洗脱或再生剂将溶质离子交换下来，使溶质得到分离、浓缩或提纯的操作技术。

离子交换操作属于液固非均相扩散传质过程，所处理的溶液一般为水溶液，多相操作使分离变得容易。离子交换可看作是溶液中的被分离组分与离子交换剂中一可交换离子进行离子置换反应的过程。其选择性高，而且离子交换反应是定量进行的，即离子交换树脂吸附和释放的离子的物质的量相等。离子交换剂使用后性能将逐渐消失，需用酸、碱、盐进行再生处理才能恢复使用。离子交换技术具有很高的浓缩倍数，操作方便，效果突出。但生产周期长，成品质量有时较差，其生产过程中的pH变化较大，故不适于稳定性较差的物质分离，在选择分离方法时应予考虑。

12.5.1.1离子交换平衡

离子交换过程是离子交换剂中的活性离子与溶液中的溶质离子进行交换反应的过程，这种离子的交换是按化学计量比进行的可逆化学反应过程。当正、逆反应速度相等时，溶液中各种离子的浓度不再变化而达平衡状态，即称为离子交换平衡。

若以L、S分别代表液相和固相，以阳离子交换反应为例，则离子交换反应可写为：

其反应平衡常数可写为：

式中，[A]、[B]分别为液相离子Aⁿ⁺、B⁺的活度，稀溶液中可近似用浓度代替，mmol/mL;[R_A]、[R_B]分别为离子交换树脂相的离子Aⁿ⁺、B⁺的活度，在稀溶液中可近似用浓度代替，mmol/g干树脂；K_AB为反应平衡常数，又称为离子交换常数。

12.5.1.2分离机理

用离子交换树脂分离纯化物质主要是通过选择性吸附和分步洗脱来实现的。进行选择性吸附时，需要使目的物粒子具有较强的结合力，而其他杂质粒子没有结合力或结合力较弱。要求使目的物粒子带上相当数量的与活性离子相同的电荷，然后通过离子交换被离子交换树脂吸附，使主要杂质粒子带上与活性离子相反的或较少的相同电荷，从而不被离子交换树脂吸附或吸附力较弱。

从树脂上洗脱目的物时，需要调节洗脱液的pH，使目的产物的粒子在此pH下失去电荷，甚至带相反电荷，从而丧失与原离子交换树脂的结合力而被洗脱下来。另外，还需要用高浓度的同性离子根据质量作用定律将目的物离子取代下来。对阳离子交换树脂而言，目的物的pK越大，将其洗脱下来所需溶液的pH也越高。对阴离子交换树脂而言，目的物的pK越小，洗脱液的pH也越低。

图12-2 离子交换吸附、洗脱示意图

(a)X⁺为平衡离子，YH⁺和Z⁺为待分离离子；(b)YH⁺和Z⁺取代X⁺而被吸附；

(c)加减后YH⁺失去正电荷，被洗脱；(d)提高X⁺的浓度取代出Z⁺

图12-2显示了离子交换吸附和洗脱的基本原理。以氨基酸的分离纯化为例。氨基酸分子上的静电荷取决于氨基酸的等电点和溶液的pH，那么在溶液低pH时，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卜。若增加树脂缓冲溶液的pH，则氨基酸将逐渐失去正电荷，且其结合力减弱，最后被洗脱下来。由于不同的氨基酸等电点不同，这些氨基酸将依次被洗脱。首先被洗脱的是酸性氨基酸，随后是中性氨基酸。碱性氨基酸，如精氨酸和赖氨酸，在pH很高的缓冲液中仍然带正电荷，因此这些氨基酸将在pH为10～11的缓冲液中才最后出现。

另外，高价离子容易结合而不容易洗脱，对于典型的强酸性阳离子交换树脂来说，洗脱顺序为：H⁺＜Na⁺＜Mg²⁺＜Al³⁺＜Th⁴⁺，所以在用一种高价离子取代结合离子时使用稀溶液即可，如果要导入一种低价离子时则需用浓溶液。

文章来源：《分析化学分析方法的原理及应用研究》

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