第八章 离子交换吸附法
（ Ion Exchange）
1,概 述
1）定义 ——利用固体表面库仑力从液体中吸附目标物，再
用适当的洗脱剂将其解吸下来，达到分离纯化的过程
2）特点 ——选择性好；可不用有机溶剂；周期长；投资成
本较大等
3）应用 ——制药、食品、化工、环保、电子等
2,离子交换法的基本概念
1） 离子交换剂的结构组成
? 是一种含有多元酸或多元碱为功能基团的多孔
网状立体结构的固相物
? 单元结构：多孔网状立体结构的骨架
不可移动部分
功能基团
可移动部分
2）离子交换过程
? 离子交换,R—A+ + B+ = R—B+ + A+
? 洗脱,R—B+ + C+ = R—C+ + B+
? 再生,R —C+ + A+ = R—A+ + C+
3,离子交换剂的分类
无机物 ——沸石, 磷酸钙凝胶
1) 骨架组成 疏水性骨架 ——树脂类
有机物 多糖类
亲水性骨架
有机聚合物
? 树脂类 （ 苯乙烯类, 酚醛类等 ）
? 多糖类 （ 葡聚糖, 琼脂糖, 纤维素等 ）
? 有机聚合物 （ 聚乙烯醇, 聚丙烯酰胺等 ）
微孔型 （ 普通型, 凝胶型 ）
2) 骨架结构 大孔型
均孔型
酸性基团 —阳离子 （ 强, 弱 ）
3) 功能基团 碱性基团 —阴离子 （ 强, 弱 ）
两性
4,离子交换树脂类
1) 离子交换树脂的分类及其特性
a,弱酸性阳离子交换树脂
? 功 能 基 团, —COOH ； OCH2COOH ； C6H5OH ；
COCH2COCH3
? 交换容量与介质的 pH值有关 （ pH＞ 7.0）
? 转为 H+型容易
? 转为 Na+型，水洗不可至 pH中性（ pH9.0-9.5）
b,强酸性阳离子交换树脂
? 功能基团,—SO3H； —CH2SO3H
? 交换容量与介质的 pH值无关
? 转为 H+型困难
? 转为 Na+型, 水洗可至 pH中性
c,弱碱性阴离子交换树脂
? 功能基团,—NH2； NHR； N(R)2； C6H5N
? 交换容量与介质的 pH值有关 （ pH＜ 7.0）
? 转为 OH-型容易
? 转为 Cl-型，水洗不可至 pH中性（ pH6.0-6.5）
d,强碱性阴离子交换树脂
? 功能基团,— 季 胺 基 团 （ —N+(CH3)3OH- ； —
N+(CH3)2(C2H4OH)OH-）
? 交换容量与介质的 pH值无关
? 转为 OH-型困难
? 转为 Cl-型, 水洗可至 pH中性
e,其它类型：大孔离子交换树脂；两性离子交换树脂；
螯合离子交换树脂等
2）离子交换树脂的命名
– 微孔 （ 普通 ） 型离子交换树脂
ABC× M
– 大孔离子交换树脂
DABC
其中, A——分类代号
B——骨架代号
C——产品顺序号
M——交联度
离子交换树脂 命名法代号表
代号 分类名称 骨架名称
0 强酸性 苯乙烯系
1 弱酸性 丙烯酸系
2 弱碱性 酚醛系
3 强碱性 环氧系
4 螯合性 乙烯吡啶系
5 两性 脲醛系
6 氧化还原性 氯乙烯系
? 国内外离子交换树脂相应牌号对照
704 = 311× 2
717 = 201× 7
732 = 001× 7
711 = 201× 4
703 = D311
HD42 = 001
Amberlite IR系列
Zerolit 系列
神胶系列
3）离子交换树脂的理化性能
? 外观与粒度 ——球型, 直径为 0.2-1.2mm（ 约 16-70目 ）
? 交换容量 （ meq/g干树脂； meq/ml湿树脂 ）
总交换容量 Q总, 工作交换容量 Q工 =0.3-0.9 Q再, 再生交
换容量 Q再 =0.5-1.0 Q总
树脂利用率 = Q工 / Q再
? 膨胀度 （ 率 ）
影响因素：
– 交联度、
– 功能基团性质和数量、
– 活性离子性质、
– 介质性质和浓度、
– 骨架结构性质等
视密度 —湿视密度
? 密度
真密度 —湿真密度
? 含水量
? 孔度, 孔径, 比表面
? 稳定性
? 滴定曲线
4）离子交换树脂的制备
? 一般制备过程
– 骨架的合成：加聚法 或 缩聚法 + 交联
– 功能基团的引入：化学反应偶联引入功能基团；单体本身含
有功能基团
? 几种常用的离子交换树脂的制备
骨架的合成（苯乙烯为单体、二乙
1）苯乙烯类 烯苯为交联剂）
功能基团的引入 ——化学反应偶
联功能基团 （ 阴, 阳 ）
骨架的合成（丙烯酸为单体、二乙
2）丙烯酸类 烯苯为交联剂）
功能基团的引入 ——单体本身含有功
能基团；化学反应偶联功能基团
骨架的合成（水杨酸为单体、苯酚
3）酚醛类 为交联剂）
功能基团的引入 ——单体本身含
有功能基团
4）其它类型（环氧系、乙烯吡啶系）
5）离子交换平衡方程式
a) 离子交换方程式：
1/Z1R—A+Z1 + 1/Z2B+Z2 = 1/Z2 R—B+Z2 +1/Z1 A+Z1
b) 离子交换平衡式：
mA1/z1 CA1/Z1
= K
mB1/z2 CB1/Z2
6）离子交换速度方程式
a) 离子交换途径
① A+离子自主体溶液扩散到树脂表面；
② A+离子自树脂表面扩散到树脂内部的活性中心
③ A+离子与 B+离子进行交换； A+
④ B+离子自树脂内部的活性中心扩散到树脂表面
⑤ B+离子自树脂表面扩散到主体溶液；
B+
b) 交换速度方程式
? 外部扩散控制：
Ln（ 1—F） = - K t
3 Di
其中, K =
r0 Δr0 Γ
F 为某时刻树脂的饱和度
? 内部扩散控制：
6 ∞ 1 F = 1— — ∑ — e -B t n2
π n=1 n2
Di π2其中 B = ———
r02
c)影响交换速度的因素
? 颗粒大小
? 交联度
? 温度
? 离子的化合价
? 离子的大小
? 搅拌速度
? 溶液浓度
7)离子交换过程的选择性
? 离子的水化半径
– 按水化半径次序,各种离子对树脂亲和力的大小有以下序列：
?对 1价阳离子,
Li+≤Na+, K+ ≈NH+ ＜ Cs+ ＜ Ag+ ＜ Ti+
?对 2价阳离子：
Mg2+≈Zn2+ ＜ Cu2+≈Ni2+ ＜ Ca2+ ＜ Pb2+＜ Ba2+
?对 1价阴离子：
F-＜ HCO3- ＜ Cl- ＜ HSO3- ＜ Br- ＜ NO3-＜ ClO4-
? 离子的化合价
– 在常温的稀溶液中，离子交换呈现明显的规律性, 离子
的化合价越高，就越容易交换。
– 例如, Ti4+ ＞ Al3+ ＞ Cu2+ ＞ Na+
? 溶液的 pH值（酸碱度）
功能基团强弱
– 离子交换剂的离解度
离子的形式
酸性物质
– 离子交换物质的离解度 碱性物质
两性物质
? 交联度、膨胀度、分子筛
– 交联度大、结构紧密、膨胀度小、筛分能力大、交换
容量大；
– 交联度小、结构松驰、膨胀度大、筛分能力小、交换
容量小。
? 树脂和离子交换之间的辅助力
– 氢键
– 范德华力（分子间作用力）
? 有机溶剂的影响
– 降低水化程度的能力，无机离子＞有机离子
– 减弱解离能力，有机离子＞无机离子
5.亲水性离子交换剂
1) 特点
? 亲水性骨架
? 孔度大
? 电荷密度小
2) 分类
多糖凝胶类（ 葡聚糖、琼脂糖、纤维素）
? 骨架组成 （ Sephadex,Sepharose,Sephacel等）
有机聚合物 （聚乙烯醇、聚丙烯酰胺等 ）
(Toyopearl,Biogel-P)
酸性基团 —阳离子 （ 强, 弱 ）
? 功能基团 （ 磺丙基 SP,羧甲基 CM）
碱性基团 —阴离子 （ 强, 弱 ）
（ 季胺乙基 QAE,二乙胺基乙基 DEAE）
3) 命名
? 没有统一的命名规则
? 通用格式：
功能基团 + 骨架组成
如 DEAE- Sepharose,SP-Sephacel
DEAE – Sephadex A – 50,CM– Sephadex C – 75、
DE – 52,CM –Bio-Gel A
4) 离子交换的平衡公式
? 离子交换机理
? 平衡公式
m P CA Z
?K = —— ——
C P m A
m∞ b c
? m = ————1 + b c
6,离子交换剂与操作条的选择
1) 离子交换剂的选择
疏水性树脂类
? 种类
亲水性凝胶类
小分子：无机离子, 生物小分子
离子交换物
大分子：蛋白、酶、核酸、多糖
酸性（阳） ——强、弱
? 功能基团性质
碱性（阴） ——强、弱
? 交联度及离子交换容量
? 稳定性
2）操作条件的选择
? 介质的 pH值 （ 离子交换剂的离解度, 离子交换物质
的离解度及其稳定性 ）
? 离子交换剂的离子形式
– 阳离子 （ H+,Na+,K+, NH4+ ）
– 阴离子 （ OH -,Cl -,SO4 2-,CO3 2-）
? 淋洗剂 ——水, 低离子强度缓冲液
改变 pH值
? 洗脱剂 增加离子强度 或 + 缓冲液
有机溶剂
? 再生 （ 转型 ）,
– 疏水性树脂类,1.0—2.0 M 酸, 碱 （ HCl,NaOH）
– 亲水性凝胶类, 0.1—0.5 M 酸, 碱 （ HCl,NaOH）
※, 中毒, 树脂类常采用的处理方法
40—50℃ 的 2.0 M 强酸, 强碱
10 % NaCl + 1-2 % NaOH混合剂
有机溶剂混合液
7,离子交换法的应用
1) 软水和去离子水的制备
? 水的软化机理
R—Na+ + Ca2+,Mg 2+ = R—Ca2 +, Mg2 + + Na +
? 水的软化工艺过程
原水 （ 自来水, 井水, 山水等 ） → Na型酸性阳离子交换树脂 → 软水
? 去离子水的制备原理
R—H+ + R—OH- + MeX = R—Me + + R—X - + H2O
? 去离子水制备工艺过程
原水 → 强酸性阳离子交换树脂 → 强碱性阴离子交换树脂 → 混合床 →
去离子水
2）链霉素
? 链霉素为强碱性抗生素,在 pH4—8时稳定。
? 种类
? 功能基团性质
? 交联度及其离子交换容量和稳定性
? 介质的 pH值
? 离子交换剂的离子形式
? 淋洗剂
? 洗脱剂
3）胰蛋白酶
? 胰蛋白酶的等电点 pI为 10.1，在酸性条件下
较稳定,分子量为 22400。
? 种类
? 功能基团性质
? 交联度及其离子交换容量和稳定性
? 介质的 pH值
? 离子交换剂的离子形式
? 淋洗剂
? 洗脱剂
思考题
1,何谓离子交换法?一般可分为那几种?
2,离子交换树脂的结构, 组成？ 按活性基团不同可分为
那几大类？
3,离子交换树脂的命名法则是什么？
4,离子交换树脂有那些理化性能指标？
5,大孔径离子交换树脂有那些特点？
6,pH值是如何影响离子交换分离的？
7,各类离子交换树脂的洗涤, 再生条件是什么？
8,软水, 去离子水的制备工艺路线？
9,对生物大分子物质, 离子交换剂是如何选择的？
（ Ion Exchange）
1,概 述
1）定义 ——利用固体表面库仑力从液体中吸附目标物，再
用适当的洗脱剂将其解吸下来，达到分离纯化的过程
2）特点 ——选择性好；可不用有机溶剂；周期长；投资成
本较大等
3）应用 ——制药、食品、化工、环保、电子等
2,离子交换法的基本概念
1） 离子交换剂的结构组成
? 是一种含有多元酸或多元碱为功能基团的多孔
网状立体结构的固相物
? 单元结构：多孔网状立体结构的骨架
不可移动部分
功能基团
可移动部分
2）离子交换过程
? 离子交换,R—A+ + B+ = R—B+ + A+
? 洗脱,R—B+ + C+ = R—C+ + B+
? 再生,R —C+ + A+ = R—A+ + C+
3,离子交换剂的分类
无机物 ——沸石, 磷酸钙凝胶
1) 骨架组成 疏水性骨架 ——树脂类
有机物 多糖类
亲水性骨架
有机聚合物
? 树脂类 （ 苯乙烯类, 酚醛类等 ）
? 多糖类 （ 葡聚糖, 琼脂糖, 纤维素等 ）
? 有机聚合物 （ 聚乙烯醇, 聚丙烯酰胺等 ）
微孔型 （ 普通型, 凝胶型 ）
2) 骨架结构 大孔型
均孔型
酸性基团 —阳离子 （ 强, 弱 ）
3) 功能基团 碱性基团 —阴离子 （ 强, 弱 ）
两性
4,离子交换树脂类
1) 离子交换树脂的分类及其特性
a,弱酸性阳离子交换树脂
? 功 能 基 团, —COOH ； OCH2COOH ； C6H5OH ；
COCH2COCH3
? 交换容量与介质的 pH值有关 （ pH＞ 7.0）
? 转为 H+型容易
? 转为 Na+型，水洗不可至 pH中性（ pH9.0-9.5）
b,强酸性阳离子交换树脂
? 功能基团,—SO3H； —CH2SO3H
? 交换容量与介质的 pH值无关
? 转为 H+型困难
? 转为 Na+型, 水洗可至 pH中性
c,弱碱性阴离子交换树脂
? 功能基团,—NH2； NHR； N(R)2； C6H5N
? 交换容量与介质的 pH值有关 （ pH＜ 7.0）
? 转为 OH-型容易
? 转为 Cl-型，水洗不可至 pH中性（ pH6.0-6.5）
d,强碱性阴离子交换树脂
? 功能基团,— 季 胺 基 团 （ —N+(CH3)3OH- ； —
N+(CH3)2(C2H4OH)OH-）
? 交换容量与介质的 pH值无关
? 转为 OH-型困难
? 转为 Cl-型, 水洗可至 pH中性
e,其它类型：大孔离子交换树脂；两性离子交换树脂；
螯合离子交换树脂等
2）离子交换树脂的命名
– 微孔 （ 普通 ） 型离子交换树脂
ABC× M
– 大孔离子交换树脂
DABC
其中, A——分类代号
B——骨架代号
C——产品顺序号
M——交联度
离子交换树脂 命名法代号表
代号 分类名称 骨架名称
0 强酸性 苯乙烯系
1 弱酸性 丙烯酸系
2 弱碱性 酚醛系
3 强碱性 环氧系
4 螯合性 乙烯吡啶系
5 两性 脲醛系
6 氧化还原性 氯乙烯系
? 国内外离子交换树脂相应牌号对照
704 = 311× 2
717 = 201× 7
732 = 001× 7
711 = 201× 4
703 = D311
HD42 = 001
Amberlite IR系列
Zerolit 系列
神胶系列
3）离子交换树脂的理化性能
? 外观与粒度 ——球型, 直径为 0.2-1.2mm（ 约 16-70目 ）
? 交换容量 （ meq/g干树脂； meq/ml湿树脂 ）
总交换容量 Q总, 工作交换容量 Q工 =0.3-0.9 Q再, 再生交
换容量 Q再 =0.5-1.0 Q总
树脂利用率 = Q工 / Q再
? 膨胀度 （ 率 ）
影响因素：
– 交联度、
– 功能基团性质和数量、
– 活性离子性质、
– 介质性质和浓度、
– 骨架结构性质等
视密度 —湿视密度
? 密度
真密度 —湿真密度
? 含水量
? 孔度, 孔径, 比表面
? 稳定性
? 滴定曲线
4）离子交换树脂的制备
? 一般制备过程
– 骨架的合成：加聚法 或 缩聚法 + 交联
– 功能基团的引入：化学反应偶联引入功能基团；单体本身含
有功能基团
? 几种常用的离子交换树脂的制备
骨架的合成（苯乙烯为单体、二乙
1）苯乙烯类 烯苯为交联剂）
功能基团的引入 ——化学反应偶
联功能基团 （ 阴, 阳 ）
骨架的合成（丙烯酸为单体、二乙
2）丙烯酸类 烯苯为交联剂）
功能基团的引入 ——单体本身含有功
能基团；化学反应偶联功能基团
骨架的合成（水杨酸为单体、苯酚
3）酚醛类 为交联剂）
功能基团的引入 ——单体本身含
有功能基团
4）其它类型（环氧系、乙烯吡啶系）
5）离子交换平衡方程式
a) 离子交换方程式：
1/Z1R—A+Z1 + 1/Z2B+Z2 = 1/Z2 R—B+Z2 +1/Z1 A+Z1
b) 离子交换平衡式：
mA1/z1 CA1/Z1
= K
mB1/z2 CB1/Z2
6）离子交换速度方程式
a) 离子交换途径
① A+离子自主体溶液扩散到树脂表面；
② A+离子自树脂表面扩散到树脂内部的活性中心
③ A+离子与 B+离子进行交换； A+
④ B+离子自树脂内部的活性中心扩散到树脂表面
⑤ B+离子自树脂表面扩散到主体溶液；
B+
b) 交换速度方程式
? 外部扩散控制：
Ln（ 1—F） = - K t
3 Di
其中, K =
r0 Δr0 Γ
F 为某时刻树脂的饱和度
? 内部扩散控制：
6 ∞ 1 F = 1— — ∑ — e -B t n2
π n=1 n2
Di π2其中 B = ———
r02
c)影响交换速度的因素
? 颗粒大小
? 交联度
? 温度
? 离子的化合价
? 离子的大小
? 搅拌速度
? 溶液浓度
7)离子交换过程的选择性
? 离子的水化半径
– 按水化半径次序,各种离子对树脂亲和力的大小有以下序列：
?对 1价阳离子,
Li+≤Na+, K+ ≈NH+ ＜ Cs+ ＜ Ag+ ＜ Ti+
?对 2价阳离子：
Mg2+≈Zn2+ ＜ Cu2+≈Ni2+ ＜ Ca2+ ＜ Pb2+＜ Ba2+
?对 1价阴离子：
F-＜ HCO3- ＜ Cl- ＜ HSO3- ＜ Br- ＜ NO3-＜ ClO4-
? 离子的化合价
– 在常温的稀溶液中，离子交换呈现明显的规律性, 离子
的化合价越高，就越容易交换。
– 例如, Ti4+ ＞ Al3+ ＞ Cu2+ ＞ Na+
? 溶液的 pH值（酸碱度）
功能基团强弱
– 离子交换剂的离解度
离子的形式
酸性物质
– 离子交换物质的离解度 碱性物质
两性物质
? 交联度、膨胀度、分子筛
– 交联度大、结构紧密、膨胀度小、筛分能力大、交换
容量大；
– 交联度小、结构松驰、膨胀度大、筛分能力小、交换
容量小。
? 树脂和离子交换之间的辅助力
– 氢键
– 范德华力（分子间作用力）
? 有机溶剂的影响
– 降低水化程度的能力，无机离子＞有机离子
– 减弱解离能力，有机离子＞无机离子
5.亲水性离子交换剂
1) 特点
? 亲水性骨架
? 孔度大
? 电荷密度小
2) 分类
多糖凝胶类（ 葡聚糖、琼脂糖、纤维素）
? 骨架组成 （ Sephadex,Sepharose,Sephacel等）
有机聚合物 （聚乙烯醇、聚丙烯酰胺等 ）
(Toyopearl,Biogel-P)
酸性基团 —阳离子 （ 强, 弱 ）
? 功能基团 （ 磺丙基 SP,羧甲基 CM）
碱性基团 —阴离子 （ 强, 弱 ）
（ 季胺乙基 QAE,二乙胺基乙基 DEAE）
3) 命名
? 没有统一的命名规则
? 通用格式：
功能基团 + 骨架组成
如 DEAE- Sepharose,SP-Sephacel
DEAE – Sephadex A – 50,CM– Sephadex C – 75、
DE – 52,CM –Bio-Gel A
4) 离子交换的平衡公式
? 离子交换机理
? 平衡公式
m P CA Z
?K = —— ——
C P m A
m∞ b c
? m = ————1 + b c
6,离子交换剂与操作条的选择
1) 离子交换剂的选择
疏水性树脂类
? 种类
亲水性凝胶类
小分子：无机离子, 生物小分子
离子交换物
大分子：蛋白、酶、核酸、多糖
酸性（阳） ——强、弱
? 功能基团性质
碱性（阴） ——强、弱
? 交联度及离子交换容量
? 稳定性
2）操作条件的选择
? 介质的 pH值 （ 离子交换剂的离解度, 离子交换物质
的离解度及其稳定性 ）
? 离子交换剂的离子形式
– 阳离子 （ H+,Na+,K+, NH4+ ）
– 阴离子 （ OH -,Cl -,SO4 2-,CO3 2-）
? 淋洗剂 ——水, 低离子强度缓冲液
改变 pH值
? 洗脱剂 增加离子强度 或 + 缓冲液
有机溶剂
? 再生 （ 转型 ）,
– 疏水性树脂类,1.0—2.0 M 酸, 碱 （ HCl,NaOH）
– 亲水性凝胶类, 0.1—0.5 M 酸, 碱 （ HCl,NaOH）
※, 中毒, 树脂类常采用的处理方法
40—50℃ 的 2.0 M 强酸, 强碱
10 % NaCl + 1-2 % NaOH混合剂
有机溶剂混合液
7,离子交换法的应用
1) 软水和去离子水的制备
? 水的软化机理
R—Na+ + Ca2+,Mg 2+ = R—Ca2 +, Mg2 + + Na +
? 水的软化工艺过程
原水 （ 自来水, 井水, 山水等 ） → Na型酸性阳离子交换树脂 → 软水
? 去离子水的制备原理
R—H+ + R—OH- + MeX = R—Me + + R—X - + H2O
? 去离子水制备工艺过程
原水 → 强酸性阳离子交换树脂 → 强碱性阴离子交换树脂 → 混合床 →
去离子水
2）链霉素
? 链霉素为强碱性抗生素,在 pH4—8时稳定。
? 种类
? 功能基团性质
? 交联度及其离子交换容量和稳定性
? 介质的 pH值
? 离子交换剂的离子形式
? 淋洗剂
? 洗脱剂
3）胰蛋白酶
? 胰蛋白酶的等电点 pI为 10.1，在酸性条件下
较稳定,分子量为 22400。
? 种类
? 功能基团性质
? 交联度及其离子交换容量和稳定性
? 介质的 pH值
? 离子交换剂的离子形式
? 淋洗剂
? 洗脱剂
思考题
1,何谓离子交换法?一般可分为那几种?
2,离子交换树脂的结构, 组成？ 按活性基团不同可分为
那几大类？
3,离子交换树脂的命名法则是什么？
4,离子交换树脂有那些理化性能指标？
5,大孔径离子交换树脂有那些特点？
6,pH值是如何影响离子交换分离的？
7,各类离子交换树脂的洗涤, 再生条件是什么？
8,软水, 去离子水的制备工艺路线？
9,对生物大分子物质, 离子交换剂是如何选择的？
