离子交换分离(ionexchangeseparation)是利用离子交换剂与试液中的离子之间发生交换作用进行分离的方法，是分析化学中重要的分离方法之一。离子交换分离法的分离效果很高，常用于富集微量的元素、除去干扰元素以及分离性质相近的元素等，还可以用来制备纯化去离子水。但离子交换分离操作较麻烦，周期较长。

离子交换剂的种类很多，主要分为无机离子交换剂和有机离子交换剂两大类。目前分析化学中应用较多的是有机离子交换剂，即离子交换树脂(ionexchangeresin)。

一、离子交换树脂及其性能

1．离子交换树脂的种类与结构

(1)离子交换树脂的种类离子交换树脂是一种具有网状结构的高分子聚合物，性质稳定，难溶于一般溶剂。树脂网状结构的骨架上带有活性基团(交换基团)，可以与溶液中的离子发生交换。

依所含可交换的活性基团及其酸碱性强弱的不同，离子交换树脂可以分成以下四类：阳离子交换树脂{嚣篙藿嚣喜季萎曩藉誓阴离子交换树脂{雾蓑篆器霎季篓曩署鉴阳离子交换树脂带有酸性的活性基团，其中的阳离子可被溶液中的阳离子所交换，如果活性基团是强酸性的一S03H，则R—SO3H树脂为强酸性阳离子交换树脂；如果活性基团是一COOH和一OH等弱酸性基团，则RCOOH和ROH为弱酸性阳离子交换树脂。阴离子交换树脂带有碱性的活性基团，其中的阴离子可被溶液中的阴离子所交换，如果碱性的活性基团是季铵基闭=N^一，如R—N(CH3)₃OH，则为强碱性阴离子交换树脂；如果活性基团是其他碱性较弱的氨基如R—NH₂等，则为弱碱性阴离子交换树脂：

(2)离子交换树脂的结构以常用的聚苯乙烯磺酸型阳离子交换树脂为例。这类树脂是一种由苯乙烯和二乙烯苯经聚合和磺化而成的带有一SO3H的高聚物。从图20—3所示的结构可以看出，在高聚物中有很多长的碳链，而碳链之间又通过苯环相连，形成了网状结构。其中的磺酸基一SO3H是离子交换树脂中的活性基团，溶液中的阳离子可以扩散到网状结构的内部，同活性基团中的H⁺进行交换。

2．离子交换树脂的性质

(1)交联度在图20—3所示离子交换树脂中，通过二乙烯苯将许多长碳链相互联结起来，形成网状结构，称为交联，二乙烯苯称为交联剂。交联的程度用树脂中二乙烯苯的百分含量来表示，称为交联度(degreeofcrosslinking)。如用9：l的苯乙烯和二乙烯苯合成树脂，交联度为10％，通常用“X一10”表示。交联度的大小对树脂的性能有很大影响。交联度大，树脂结构紧密，网眼小，体积大的离子不容易扩散到树脂内部进行交换，交换的选择性就会提高，而且这种树脂机械强度好，不易破裂。

(2)溶胀性离子交换树脂具有亲水性，干树脂颗粒浸入水中时会因吸水而膨胀，称为溶胀(swell)。如聚苯乙烯磺酸型树脂，当二乙烯苯含量为5％左右时，1g千树脂要吸收1.5g水；当二乙烯苯含量为10％左右时，lg干树脂只吸收0．9g水。交联度大，干树脂浸入水中时溶胀性就小。

(3)交换容量交换容量(exchangecapacity)是指单位质量(或体积)离子交换树脂所能交换离子的物质的量(mmol，一般以一价金属离子计)。它决定于网状结构中活性基团的数量。干树脂的交换容量约为3～6mmol／g，而浸泡过的树脂的交换容量还与树脂的溶胀性能有关，一般为1～2mmol／ml。如果交联度过大，将使交换反应的速度过慢，使树脂的有效交换容量下降。交换容量可用实验方法测得。

3．离子交换的选择性—亲和力

阳离子交换树脂只能与溶液中的阳离子进行交换，阴离子交换树脂只能与溶液中的阴离子进行交换。在同一树脂上进行交换时，不同离子的交换能力并不相同。交换能力的大小可以用离子交换树脂对离子亲和力的大小来衡量。亲和力越大，越容易交换；亲和力越小，越不容易交换。

(1)有效pH值范围阳离子交换树脂同H+之间、阴离子交换树脂同OH^一之间有一定的亲和力，当溶液中[H⁺]或[0H]增大时，这种亲和力增大。如果树脂同H⁺或0H一结合牢固，则将影响树脂同溶液中的离子发生交换。因此在使用离子交换树脂时，必须将溶液的pH值控制在一定范围，这个pH值范围就是离子交换树脂使用的有效pH值范围。

由于强酸性阳离子交换树脂和强碱性阴离子交换树脂使用的有效pH值范围宽，所以在实际的分析工作中应用也广，而弱酸性和弱碱性的离子交换树脂由于有效pH值范围较窄，应用受到一定的限制。

此外，还有一类含有特殊的活性基团的螯合树脂，可与某些金属离子形成螫合物，能够选择性地进行交换，对化学分离有着重要意义。

(2)亲和力大小的因素实验证明，在离子浓度不大的水溶液中，离子交换树脂对不同离子亲和力的大小与离子的性质、树脂的类型以及溶液的组成有关。

①亲和力的顺序与离子性质有关。若实验条件相同，亲和力随着离子价数的增加而变大。如Na⁺<Ca²⁺<AI³⁺<Th⁴⁺ 。当离子的价数相同时，亲和力随着水合离子半径的减小而变大。如Li⁺<H⁺<Na⁺<NH4⁺<K⁺<Rb⁺<Cs⁺<T1⁺<Ag⁺ Mg²⁺<Zn²⁺<Co²⁺<Cu²⁺<Cd²⁺<Ni²⁺<Ca²⁺<Sr²⁺<pb²⁺<Ba²⁺

②亲和力的顺序与离子交换树脂类型有关。强酸性阳离子交换树脂对H+的亲和力比其他阳离子小，弱酸性阳离子交换树脂对H+的亲和力比其他阳离子大。

若实验条件相同，在强碱性阴离子交换树脂上，阴离子亲和力的顺序一般为柠檬酸根离子>SO2^一₄>C2O2^一₄>I>NO^-₃>CrO2^-₄一>Br^->CN^->C1>HC00^->0H^->CH3C00^-。

在弱碱性阴离子交换树脂上，亲和力的顺序一般为：OH一>SO2-4>CrO2-4>柠檬酸根离子>酒石酸根离子>NO^-₃>AsO3^-₄>PO3^-₄>MoO2^-₄>CH3C00^-。

③亲和力与溶液组成有关。若溶液中含有络合剂，使金属离子形成不带电荷或带负电荷的络合物，则金属离子在阳离子交换树脂上的亲和力将受到很大的影响。络合物越稳定，影响越严重。相反，如果形成络阴离子，却很容易与阴离子交换树脂进行交换。如在1mol／LHCl溶液中，钴主要以Co2⁺和CoCl⁺形式存在，能与阳离子交换树脂交换，而不能与阴离子交换树脂进行交换；在8-9mol／LHCl中，其主要以氯络阴离子形式存在，很容易与阴离子交换树脂进行交换。

基于树脂对离子亲和力的差异，便形成了离子交换时的选择性。对于溶液中相同浓度的各种离子，亲和力大的离子先被交换上去，亲和力小的离子后被交换。当改用适当的溶液进行洗脱时，后交换上去的离子先被洗脱下来，从而使各种离子彼此分离。