复杂物质的分离与富集.ppt

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1、2023/10/11,复杂物质的分离与富集,1,第十一章复杂物质的分离与富集,Separation and Preconcentration of the Complex Sample,2023/10/11,复杂物质的分离与富集,2,11.1 沉淀分离法11.2 液-液萃取分离法11.3 离子交换分离法11.4 层析分离法 11.5 新的分离和富集方法简介,2023/10/11,复杂物质的分离与富集,3,学习要求,1.了解复杂物质的分离与富集的目的 和意义。2.掌握各种常用的分离与富集方法的 基本原理。,2023/10/11,复杂物质的分离与富集,4,11.1 沉淀分离法 利用沉淀反应进行分离

2、的方法。11.1.1 无机沉淀剂沉淀分离法 1.氢氧化物沉淀分离 常用沉淀剂：氢氧化钠、氨和氨缓冲液 2.硫化物沉淀分离 主要沉淀剂：硫化氢,2023/10/11,复杂物质的分离与富集,5,11.1.2 有机沉淀剂沉淀分离法 几种常见的有机沉淀剂1.草酸：用于Ca2、Sr2+、Ba2+、Th(IV)、稀土金属离子与Fe3+、Al3+、Zr(IV)、Nb(V)、Ta(V)等离子的分离，前者形成草酸盐沉淀，后者生成可溶性配合物。2.铜铁试剂(N亚硝基苯胲铵盐)：用于在1:9 H2SO4介质中沉淀Fe3+、Ti(IV)、V(V)而与Al3+、Cr3+、Co2+、Ni2+等离子间的分离。3.铜试剂(二

3、乙基胺二硫代甲酸钠)：用于沉淀除去重金属，使其与Al3+、稀土和碱金属离子分离。,2023/10/11,复杂物质的分离与富集,6,11.1.3 共沉淀分离和富集 在试样中加入某种其他离子，与沉淀剂形成沉淀，利用该沉淀作为载体，将痕量组分定量地共沉淀下来，然后将沉淀溶解在少量溶剂中，以达到分离和富集的目的，这种方法称为共沉淀分离法。常用的共沉淀剂有无机共沉淀剂和有机共沉淀剂两类。11.1.4 常用的生化沉淀分离法 盐析法 等电点沉淀法,2023/10/11,复杂物质的分离与富集,7,11.2 液-液萃取分离法11.2.1 萃取分离的基本原理1.萃取过程的本质 相似相溶原则：极性化合物易溶于极性的

4、溶剂中，而非极性化合物易溶于非极性的溶剂中。例如I2是一种非极性化合物、CCl4是非极性溶剂，水是极性溶剂，所以I2易溶于CCl4而难溶于水。当用等体积的CCl4从I2的水溶液中提取I2时，萃取百分率可达98.8。常用的非极性溶剂：酮类、醚类、苯、CCl4和CHCl3,2023/10/11,复杂物质的分离与富集,8,2.分配系数和分配比 用有机溶剂从水相中萃取溶质A时，溶质A就会在两相间进行分配，如果溶质A在两相中存在的型体相同，达到分配平衡时在有机相中的平衡浓度c(A)o和在水相中的平衡浓度c(A)w之比在一定温度下是一常数，即(11-1)式(11-1)称为分配定律，KD为分配系数。分配比是

5、指溶质在有机相中的各种存在形体的总浓度co和在水相中的各种存在形体的总浓度cw之比，用D表示为(11-2),2023/10/11,复杂物质的分离与富集,9,3.萃取效率 在分析工作中，常用萃取率E表示萃取的完全程度。萃取率是物质被萃取到有机相中的百分率。式中Vw/Vo又称相比。该式表明萃取率由分配比和相比决定。一方面，当相比一定时，萃取率仅取决于分配比D，D越大，萃取效率越高。,2023/10/11,复杂物质的分离与富集,10,11.2.2 重要的萃取体系1螯合物萃取体系 螯合物萃取中使用的萃取剂(即螯合剂)一般是有机弱酸或弱碱，它们能与待萃取的金属离子形成电中性的螯合物，同时萃取剂本身应含有

6、较多的疏水基团，有利于有机溶剂的萃取。2.离子缔合物萃取体系 阴离子和阳离子通过静电引力结合形成的电中性化合物称为离子缔合物。该缔合物具有疏水性，能被有机溶剂萃取。,2023/10/11,复杂物质的分离与富集,11,11.3 离子交换分离法,11.3.1 离子交换树脂的种类和性质,1.离子交换书脂的种类,阳离子交换树脂,强酸型 活性基团SO3H，在酸性、碱性和中性溶液中都能使用。弱酸型 活性基团COOH和OH,在碱性和中性溶液中使用。,阴离子交换树脂,强碱型 活性基团季氨基N(CH3)3Cl，在酸性、碱性和中性溶液中都能使用。弱碱型 活性基团伯氨基NH2、仲氨基=NH或叔氨基N，在酸性和中性溶

7、液中使用。,2023/10/11,复杂物质的分离与富集,12,螯合树脂 含有特殊的活性基团，可与某些金属离子形 成螯合物，在交换过程中能选择性地交换某些金属离子。,大孔树脂 如国产D202钠型大孔阳离子交换树脂，D301氯型大孔阴离子交换树脂。,氧化还原树脂 含有可逆的氧化还原基团，可与溶液中离子发生电子转移，主要用于氧化还原而不引入杂质，提高产品纯度，除去溶液中溶解的氧气。,萃淋树脂 以苯乙烯二乙烯苯为骨架的大孔结构和有机萃取剂的共聚物，兼有离子交换法和萃取法的优点，如TBP、P507、PMBP等萃淋树脂。,纤维交换剂 天然纤维素上的羟基进行酯化、磷酸化、羧基化后，可制成阳离子交换剂；经过胺

8、化后制成阴离子交换剂。,2023/10/11,复杂物质的分离与富集,13,离子交换树脂的结构,具有网状结构的高聚物。,交联度和交换容量,交联度 树脂中所含交联剂的质量百分率，是离子交换树脂的重要性质之一。,交换容量 指每克干树脂所能交换的物质的量，它决定 于树脂网状结构内所含活性基团的数目。,树脂的交联度一般以414为宜。,一般树脂的交换容量为36 mmolg-1。,2023/10/11,复杂物质的分离与富集,14,11.3.2 离子交换亲和力,1.强酸型阳离子交换树脂,不同价态的离子，电荷越高，亲和力越大。,如：Na+Ca2+Al3+Th4+,当离子价态相同时，亲和力随着水合离子半径减小而增

9、大。,如：Li+H+Na+NH4+K+Rb+Cs+Ag+Tl+,2.强碱性型阴离子交换树脂,FOHCH3COOHCOO ClNO2CNBrC2O42NO3HSO4ICrO42SO42-柠檬酸根离子,2023/10/11,复杂物质的分离与富集,15,11.4 层析分离法,层析法又称色谱法，是一种物理化学分离方法。利用各组分的物理活性性质的差异，使各组分不同程度地分配在两相中，一相为固定相，另一相为流动相。由于各组分受固定相所产生的阻力（吸附）和受流动相所产生的推动力（溶解能力）不同，从而使各组分以不同的速度移动，达到分离的目的。,按其操作可分：,柱色谱（固定相固定在柱上）纸色谱（固定相固定在纸上

10、）薄层色谱（固定相固定在板上）,2023/10/11,复杂物质的分离与富集,16,11.4.1 柱层析法,固液吸附柱色谱,固定相：吸附剂如Al2O3或硅胶流动相：有机溶剂原 理：吸附溶解平衡,液液分配柱色谱,载 体：硅胶、纤维素固定相：水（水被粒状硅胶吸附，硅胶含本身质 量70的水）流动相：有机溶剂,2023/10/11,复杂物质的分离与富集,17,11.4.2 纸层析法,载 体：滤纸固 定 相：水（纸上吸着的水分）流 动 相：有机溶剂（展开剂）原 理：液液分配操 作：点样、展开、干燥、显色得到色 谱图、测定（定性和定量）,2023/10/11,复杂物质的分离与富集,18,11.4.3 薄层层

11、析法,原 理：将固定相吸附剂均匀地涂在玻璃上制成薄层板，试样中的各组分在固定相和作为展开剂的流动相之间不断地发生溶解、吸附、再溶解、再吸附的分配过程。不同物质上升的距离不一样而形成相互分开的斑点从而达到分离。操 作 方 法：同纸层析法固 定 相：吸附剂（硅胶、活性氧化铝、纤维素等）流 动 相：有机溶剂展 开 方 法：展开缸和展开槽展开应 用：用硅胶G(含煅石膏作黏合剂)薄层和适当展 开剂分离各种有机磷农药。,2023/10/11,复杂物质的分离与富集,19,超临界萃取分离法,11.5 新的分离和富集方法简介,1.基本原理 超临界流体萃取分离法是利用超临界流体做萃取剂在两相之间进行的一种萃取方法

12、。超临界流体是介于气液之间的一种物态，它只能在物质的温度和压力超过临界点时才能存在。超临界流体的密度大，与液体相仿，所以它与溶质分子的作用力很强，很容易溶解其他物质。另一方面，它的黏度较小，接近气体，传质速率很高；加上表面张力小，容易渗透固体颗粒，保持较大的流速，使萃取过程在高效、快速、经济的条件下完成。,2023/10/11,复杂物质的分离与富集,20,2超临界流体的选择,超临界流体萃取中萃取剂的选择随萃取对象的不同而改变；通常用二氧化碳作超临界流体萃取剂分离萃取低极性和非极性的化合物；用氨或氧化亚氮作超临界流体萃取剂分离萃取极性较大的化合物。,2023/10/11,复杂物质的分离与富集,2

13、1,超临界萃取装置,2023/10/11,复杂物质的分离与富集,22,超临界萃取流程示意图,2023/10/11,复杂物质的分离与富集,23,3.影响超临界萃取的因素,压力的影响 压力的改变会使超临界流体对物质的溶解能力发生很大的改变。利用这种特性，只需改变萃取剂流体的压力，就可把试样中的不同组分按它们在流体中溶解度的大小的不同萃取分离出来。在低压下溶解度大的物质先被萃取，随着压力的增加，难溶物质也逐渐与基体分离。,2023/10/11,复杂物质的分离与富集,24,温度的影响,萃取温度:在低温区（仍在临界温度以上），温度升高，降低流体密度，而溶质蒸汽压增加不多，因此萃取剂的溶解能力降低，升温可

14、以使溶剂从流体萃取剂中析出。高温区，虽然萃取剂密度进一步降低，但溶质的蒸气压迅速增加起了主要作用，因而挥发度提高，萃取率反而增大。降低吸收管和收集器的温度有利于提高回收率。,2023/10/11,复杂物质的分离与富集,25,4.应 用,超临界萃取分离法具有高效、快速、后处理简单等特点，它特别适合于处理烃类及非极性酯溶化合物，如醚、酯、酮等。即有从原料中提取和纯化少量有效成分的功能，又能从粗制品中除去少量杂质，达到深度纯化的效果。超临界流体萃取的另一个特点是它能与其他仪器分析方法联用，从而避免了试样转移时的损失，减少了各种人为的偶然误差，提高了方法的精密度。,2023/10/11,复杂物质的分离

15、与富集,26,11.5.2 膜分离,膜分离过程是以选择性透过膜为分离介质。当膜两侧存在某中推动力(如浓度差、压力差、电势差等)时，原料侧组分选择性地透过膜，从而达到分离、提纯的目的。,1膜的类型 微孔膜:高分子膜中最简单的一种膜，具有很多孔径分布均匀的微孔，孔径为1nm0.03m。其分离作用相当于过滤。孔隙率约为40%。致密膜:其结构比较致密，空隙率小于19%，孔径为0.51nm。,2023/10/11,复杂物质的分离与富集,27,非对称膜:是各向异性的，沿膜厚度方向的内部结构不同，它是由上层极薄的致密的活化层(0.12m)和下层大孔的支持层(100 200m)所组成。其中，支持层起增强膜机械

16、强度的支撑作用。复合膜:由高选择性的活性超薄层和化学性质稳定、机械性能好的多孔的支撑膜复合而成的一类膜。离子交换膜:即离子交换树脂膜，是一种膜状的离子交换树脂，微观结构与离子交换树脂相同，带有活性基团。,2023/10/11,复杂物质的分离与富集,28,2常见的膜分离过程及基本原理,微滤和超滤 微滤和超滤都是在压力差推动作用下进行的筛孔分离过程。在一定的压力推动作用下，当含有高分子溶质A和低分子溶质B的混合溶液流过膜表面时，溶剂和低分子溶质(如无机盐)透过膜，进入膜下游，而分子大小大于膜孔的高分子(如蛋白质)被膜截留，仍在膜上游，从而达到小分子、离子与大分子化合物的分离。通常，截留分子量大小为

17、500106的膜分离过程称为超滤，只能截留粒子更大分子的膜分离过程称为微滤。微滤和超滤被广泛用于医药工业的过滤除菌、食品工业中牛奶脱脂、果汁的澄清等、也可用于高纯水的制备、废水处理等。,2023/10/11,复杂物质的分离与富集,29,渗析 渗析也称透析，是最早被发现和研究的膜分离现象。其分离的基础是离子或小分子从半透膜的一侧液相(料液)转入另一侧液相(渗析液)的迁移率之差。起到区分作用的是选择性薄膜，相转移的推动力是膜两侧中组分的浓度梯度。主要是用于诸如蛋白质、激素以及酶这一类物质的浓缩、脱盐和纯化。由于它在人工肾开发中的应用，渗析技术近年来重新引起人们的重视。通过渗析将肾衰竭病人血液中的新陈代谢废物排出体外，同时对血液进行水、电解质和酸碱平衡的调节，即为血液渗析。,2023/10/11,复杂物质的分离与富集,30,电渗析 是利用离子交换膜和直流电场的作用，从水溶液和其他不带电组分中分离荷电离子组分的一种电化学分离过程。阴、阳离子膜被交替排列在两电极之间，接上直流电后，阳离子如Na+向阴极移动；相反，阴离子如Cl向阳极移动，易通过阴膜却被阳膜阻挡。结果，流出的水成为淡水。因此，电渗析法被广泛用于咸水脱盐。我国西沙永兴岛上的海水淡化站即采用这种方法，日产淡水20吨。,