3.离子交换树脂的性质

(1).离子交换树脂的结构和交联度离子交换树脂一般为直径0.3～1.2mm(16～50目)的球体。色谱用的粒度为直径0.15～0.037mm(100～400目)。凝胶型离子交换树脂多为半透明的淡黄色到棕色的球体，大孔型离子交换树脂为不透明球体。离子交换树脂是具有网状结构的交联高分子化合物。例如，聚苯乙烯磺酸型阳离子交换树脂，由苯乙烯与二乙烯基苯的共聚物经磺化后制得，其微观结构包括交联的具有三维空间立体结构的骨架(交联高分子链)和可以解离的活性基团两部分。

离子交换树脂的交联度与许多性质，如交换容量、含水率、膨胀度、交换速度等有关。交联度是树脂中交联剂的质量百分数。交联度大，树脂结构紧密，弹性差，溶胀度小，交换速度慢，交换容量小，但选择性高，交联度小则反之。离子交换树脂的交联度一般在4％～14％。

(2)离子交换树脂的孔结构离子交换树脂按物理结构可分为两种类型，即凝胶型和大孔型。凝胶型在干态无孔，在水或低级醇等强极性溶剂中，树脂溶胀(即体积涨大)后才能使用。大孔型在湿态和干态均有永久性的孔道，孔径分布较宽，有几到几百纳米。使大孔树脂具有离子交换和吸附双重作用，对某些中性有机分子也有一定的吸附能力，大孔树脂可在各种极性的溶剂中使用。

(3)离子交换树脂的交换容量离子交换树脂的交换容量是其离子交换能力的量度。总交换容量是指树脂所含有的离子交换基团的量，可以用单位质量干树脂所能交换的离子的物质的量来表示，单位为mmol/g。

在检测离子交换树脂的各项性能前应该按照GB/T 5476-2013的方法进行预处理，先用水反洗，除去机械杂质，再通过规定的酸、碱溶液，除去可溶物，同时将树脂转为要求的离子型式。

交换容量的测定方法可以参考下列国家标准进行：GB/T 8144-2008阳离子交换树脂交换容量测定方法；GB/T 11992-2008氯型强碱性阴离子交换树脂交换容量测定方法；GB/T 5760-2000氢氧型阴离子交换树脂交换容量测定方法等。

例如，氢型阳离子交换树脂交换容量的测定方法如下：当氢型阳离子交换树脂与过量(定量)的一元强碱(例如氢氧化钠)溶液反应时，可根据滴定未反应的碱量而计算出阳离子交换树脂的全交换容量，其反应式是：

RH＋NaOH→RNa+ H₂O

式中，RH表示阳离子交换树脂(氢型)，其官能团可以是磺酸基和/或羧基和酚基；RNa表示阳离子交换树脂(钠型)。

(4)离子交换的亲和力离子交换树脂对离子的亲和力不同，使其具有选择性，这是分离同种电荷不同离子的依据。一般来说，水合离子的半径越小，电荷越高，极化度越大，其亲和力也越大。

实验证明，在常温下，离子浓度不大的水溶液中，离子交换树脂对不同离子的亲和力顺序如下：

强酸性阳离子交换树脂

①一价阳离子：Li⁺<H⁺<Na⁺<NH₄⁺<K⁺<Rb⁺＜Cs⁺<Tl⁺<Ag⁺

②不同价阳离子：Na⁺<Ca²⁺<Al³⁺＜Th(Ⅳ)

③二价阳离子：UO₂²⁺＜Mg²⁺<Zn²⁺<Co²⁺<Cu²⁺<Cd²⁺<Ni²⁺<Ca²⁺<Sr²⁺＜Pb²⁺<Ba²⁺

强碱性阴离子交换树脂F^-<OH^-<CH₃COO^-<HCOO^-<Cl^-<NO₂^-<CN^-＜Br^-＜C₂O₄^2-<NO₃^-＜HSO₄^-<I^-＜CrO₄^2-＜SO₄^2-

4．离子交换分离操作方法

离子交换操作可分为静态法和动态法。静态法又称间歇操作，是将树脂和试液放在一个容器中，不断搅拌或放置一定时间使其发生交换过程。此法在分析中较少采用。动态法是将离子交换树脂充填于玻璃管中制成离子交换柱，使试液自上而下地流过，此法分离效率高，分析中较常采用。

图8-15离子交换分离装置

图8-15是离子交换分离装置。如没有也可以用滴定管代替。分析工作中所用交换柱的内径约为8～15mm，树脂层高度约为柱内径的10～20倍，可依实际需要而定。

下面以强酸型和强碱型离子交换树脂为例介绍一般的操作方法。

(1)装柱新树脂可以用4～6mol/L的HCl浸泡1～2天，以溶解除去树脂中的杂质，然后用去离子水洗至中性，此时阳离子交换树脂已处理成H⁺型。阴离子交换树脂已被处理成Cl^-型，如果要OH^-型的阴离子交换树脂，可用NaOH溶液浸泡，然后用去离子水洗净，浸在去离子水中备用。用润湿的玻璃棉塞在交换柱的下端(如离子交换柱下部有砂芯板，免去此步)。将交换柱充满水，稍打开下端旋塞，把处理好的树脂带水慢慢加入到交换柱中，至所需高度。装柱过程中防止树脂层中间夹有气泡。在装柱和以后整个操作过程中，要始终保持液面高于树脂层，以免发生“沟流”而影响分离效果。

(2)交换加入待分离试液，转动旋塞，使试液按一定的流速流过树脂层。柱内径为0.8～1.5cm时，流速为2～5mL/min。在交换过程中，与离子交换树脂发生交换反应的离子留在树脂上，不发生交换反应的物质进入流出液中，以达到分离目的。

(3)洗涤洗涤的目的是将不发生交换反应的应该全部进入流出液中的物质从柱上洗下。洗涤液一般用与交换时的试液相同酸度的溶液或其它合适的溶液。

(4)洗脱洗脱的目的是将被交换到树脂上的离子洗脱下来，以便在洗脱液中测定该组分，洗脱是交换的逆过程。

(5)再生在大多数情况下，洗脱可使树脂得到再生，但有时需要将树脂换型，则用适当的再生剂通过树脂，使树脂恢复到交换前的型式。例如：阴离子交换树脂可以用NaCl溶液洗脱，变成Cl型，再用NaOH溶液再生变成OH型以备再用。

5．离子交换分离法的应用

离子交换分离法具有成本低、可重复利用、易于操作和无污染的优点，在水处理、食品、医药、化工、催化、环保等领域应用日益扩大，下面简介其在分析测试中的应用。

(1)水的净化、去离子水的制备自然界中的水含有很多杂质，离子交换法常用于除去水中可溶性无机盐。我们在化验室要用到的纯水称为“分析实验室用水”，国家标准规定了有三种级别，离子交换法和电渗析法是水纯化的主要手段。离子交换树脂的一个重要应用是制备去离子水，火电厂、原子能、医药、电子工业等的纯水处理所需的离子交换树脂用量很大，占其产量的很大比例。

(2)痕量组分的富集离子交换树脂分离技术能将痕量的离子组分从较大量的溶液中交换到树脂上，然后用少量的洗脱液洗脱，可以将痕量组分很方便地富集10³～10⁵倍，再配以各种仪器分析的手段进行检测，这方面的应用很多。如：矿石中铂、钯的测定，由于其含量很低，需要用离子交换树脂富集，将试样经灼烧除硫及有机物后，用王水分解，在5％的酸度下用强碱性717型阴离子交换树脂分离富集铂、钯。树脂灰化后，残渣溶于盐酸介质，用电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)连续测定铂、把的含量。用阳离子交换树脂分离富集，用ICP-AES测定稀土矿石中的稀土分量(GB/T17417.1-2010)。我国地下水质量标准GB 14848-1993中对铅(Pb) ,镉(Cd)等元素含量限定值非常低，用离子交换树脂对金属离子进行选择性富集、分离，用ICP-AES仪测定地下水中痕量Pb和Cd，方法简便，提高了分析的灵敏度。

(3)干扰组分的分离在仪器分析中可以用经典的离子交换柱作为预处理手段除去干扰组分。例如：生活饮用水及水源水中的可溶性氟化物、氯化物，硝酸盐和硫酸盐的测定可以用离子色谱法同时测定，GB/T 5750.5-2006《生活饮用水标准检验方法无机非金属指标》指出，为了防止高浓度的钙、镁离子在流动相碳酸盐淋洗液中沉淀，可将水样先经过强酸性阴离子交换树脂柱除去。

(4)阴阳离子或同种电荷离子的分离阴阳离子的分离常用于分离某些干扰元素，例如，Fe³⁺离子干扰SO₄²⁺离子的测定(称量法)，可将试液通过阳离子交换树脂除去Fe³⁺。下面是用离子交换色谱法测定工业三聚磷酸钠中不同形式的磷酸盐的方法(GB/T 9984-2008)，方法要点为：将工业三聚磷酸钠中的各种磷酸盐吸附在强碱性阴离子交换树脂柱上，利用其对树脂的亲和力不同，用递增浓度的氯化钾溶液洗提，使其按正磷酸盐、焦磷酸盐、三聚磷酸盐、三偏磷酸盐的顺序流出，测定相应洗提液中的五氧化二磷，计算各种磷酸盐的含量。

图8-16是阴离子交换柱上三聚磷酸钠的离子交换色谱图。

同种电荷离子的分离可以采用离子交换色谱法或离子色谱法，现多采用高效离子交换树脂，以现代液相色谱手段来实现。

(5)生物大分子的分离离子交换分离可用于生物大分子(如蛋白质、多肽)的分离，因不同的分子与离子交换树脂的吸附、扩散、范德华力和静电引力不同而依次被洗脱，达到分离目的。

图5-16三聚磷酸钠的离子交换色谱图

相关链接：离子交换色谱法（一）