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1、分离分析方法,天津理工大学化学化工学院,2011年9月,李乃瑄,返回,分离分析方法,第一章 总论第二章 离子交换分离法第三章 平面色谱法第四章 气相色谱法第五章 高效液相色谱法第六章 超临界流体色谱简介第七章 高效毛细管电泳简介,分离分析在分析化学中的作用 分离分析方法的分类 分离方法的发展趋势 分离分析方法,第一章 总论,1. 沉淀分离 2. 溶剂萃取 3. 离子交换与吸附 4. 电化学分离 5. 选择性溶解 6. 泡沫浮选 7. 膜分离 8. 色谱法,分离分析方法是化学学科的重要研究内容之一，化学的发展离不开分离科学，例如： 1.元素周期表中各元素的发现，需借助化学分离和提纯方法。 2.原
2、子能的利用是在解决了作为核燃料的铀和钚的提取、铀同位素分离获得成功之后，才得以发展。 3.石油工业的每一个生产环节都离不开分离科学技术。 4.生命科学的许多重要成就都与分离科学有着紧密联系。 所以，在化学工业、选矿冶金、农业、医学等领域广泛应用分离方法，并已形成一门独立的新学科分离科学。 分析化学中的分离方法与工业生产规模的分离工艺的分离原理是一致的；分析化学中的分离方法是缩小了的化学工艺流程。,一、分离分析在分析化学中的作用,分离富集的目的：,1.消除干扰，提高分析方法的选择性。 2.对痕量待测组分，通过分离富集进行浓缩，以满足分析方法的灵敏度，达到检测限。,分析化学中的分析方法均建立在物质
3、的物理或化学性质差别的基础上。而被分析的试样通常是由多组分组成的复杂混合物。 一种分析测定方法不可能对试样每一个组分都具特效性。 被测组分在试样中的含量达到分析方法检测灵敏度时才能够被分析检测。 分析工作流程：“样品制备”“分解”“分离富集”“测定”“数据处理” 。,二、分离分析方法的分类,1根据分离方法的性质分为：,物理分离法：以被分离组分的物理性质为依据进行的分离。如：气体扩散法，离心分离法，电磁分离法，喷咀射流法等。,化学分离法：按被分离组分化学性质上的差异，通过化学过程进行分离。如：沉淀和共沉淀，溶剂萃取，离子交换，色谱法，电化学分离，泡沫浮选，选择性溶解等。,物理化学法：基于被分离组
4、分的物理化学性质的差异，比如：沸点，熔点，离子电荷和迁移率等性质。如：蒸馏与挥发，区域熔融，电泳，膜分离等，习惯上也归于化学分离法。,2根据相类型分类,分离过程是使样品中待测组分与其它组分分别处于两个互不相溶的两相之中。所以分离方法均涉及到第二相。,第二相为原始相中在分离过程中产生的，分离方法有：蒸发，沉淀，结晶，电解沉积，泡沫分离， 区域熔融等。,第二相为在原始相中加入的另一相，其分离方法有：色谱法，溶剂萃取，电泳，电渗析等。,3.按分离过程中初始相与第二相的状态进行分类,三分离方法的发展趋势,1.经典分离富集技术在理论和实践上不断完善发展。如：沉淀分离溶剂萃取离子交换分离等在研究合成新型分
5、离试剂、功能分离试剂方面有不断创新，扩展了经典分离方法的应用范围。 2.色谱当今研究最活跃，发展最快的分离技术 现代色谱分析将组分的浓缩分离连续定性定量测定结合起来，成为复杂体系中组分价态化学性质相近的元素或化合物分离分析的一种重要的分析技术。 自上世纪50年代开发的气相色谱，60年代发展的色谱-质谱联用技术，70年代崛起的高效液相色谱80年代初出现的超临界流体色谱和毛细管电泳毛细管电色谱等，使色谱领域成为分析化学中发展最快，应用最广的领域之一。,3.各种分离技术相互渗透，发展新的分离富集方法 如：将液液萃取中的萃取和反萃取技术相结合发展的液膜分离技术等，适于海水或环保试样中痕量元素的分离富集
6、，废水处理工程等领域。 4.发展化学形态分析的分离富集方法 自然界中,各种物料中存在的元素常以不同物理化学形态出现。在生命科学环境科学或材料科学中组分的状态是极其重要的因素，因此元素状态分析是分析化学的一个重要发展方向。,四 分离分析方法,返回,（一）、沉淀分离分级沉淀共沉淀： 当沉淀从溶液中析出时，某些本来不应沉淀的组分同时也被沉淀下来的现象，叫做共沉淀。例如，用H2S气体通入含Zn2+水溶液时，在0.25mol/L HCl溶液中ZnS不沉淀。但是，当Zn2+与Cu2+共存时，极微量的ZnS则会和CuS一起沉淀出来。均相沉淀,（二）溶剂萃取 利用物质在互不混溶的两相中的不同分配特性进行分离的
7、方法。,（三）离子交换与吸附,（四）电化学分离 电解分离法 借助外电源的作用使化学反应向着非自发方向进行的过程。 电解法应用广泛，如氯碱工业中电解食盐水以制取烧碱、氯气和氢气；冶金工业中用电解法制取纯金属铜、铅及铝等；在分析化学中，用电解法分离和沉淀各种物质等。 电泳分离法 在电场作用下，电解质溶液中带电粒子向两极作定向移动的电迁移现象。,（五）选择性溶解 指在特定条件下使多组分的固态样品中一种（类）组分选择性地溶解于适当溶剂中，而其它组分几乎不溶，从而达到分离的目的。,（六）泡沫浮选 向试液中鼓入气泡，使欲分离富集的微量或痕量组分随气泡浮到液面，收集、分析测定。 适用范围：从海水、河水、饮用
8、水中分离富集痕量元素；用于岩石、矿石、金属和环境样品中微量元素的分离富集。 特点：使用简单的装置能迅速处理大量试液，进行富集分离，并可实现自动化和连续化。,（ 七）、膜分离 自1748年人类首次发现水能自然地扩散到装有酒精溶液的猪膀胱内这一膜分离现象以来，人们做了大量的研究工作。发展到二十世纪80年，不断出现新的膜材料和新的膜分离方法，使膜分离技术备受各界青睐。 膜分离法是用天然或人工合成的高分子薄膜，以外界能量或化学位差为推动力，对双组分或多组分的溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和富集的方法。 膜分离法可用于液相和气相分离。对于液相分离，可用于水溶液体系、非水溶液体系、水溶胶体系以及含有其他微
9、粒的水溶液体系。,膜分离方法应用：反渗透法淡化海水。,淡化水的方法主要有：蒸馏法、电渗析法、冷冻结晶法、液膜法及反渗透法，最有前途的是反渗透法。 最常用的反渗透膜材质：醋酸纤维。 世界上最大的反渗透海水淡化厂在沙特阿拉伯的捷达市，生产规模在5,6800m3/d，水源取自红海。1989年开工，取代1970年投产的多级内蒸装置（1,9000 m3/d）。 世界上最大的苦咸水反渗透淡化装置在日本鹿岛，日产量3,2000t。 我国最大海水淡化项目天津滨海新区国投北疆发电厂海水淡化一期工程，2011年7月投产，日产10万吨淡化海水。,（八）、色谱法,第一节 离子交换分离法一般原理第二节 离子交换动力学第
10、三节 离子交换色谱理论第四节 离子交换分离法的应用,返回,第二章 离子交换分离法,返回,19世纪，人们注意到泥土和矿石具有离子交换的能力，当时人们最感兴趣的是泡沸石的交换作用。泡沸石是一种硅铝酸盐。1905年人工合成了硅铝酸钠，并用以软化水，软化过程如下： Ca2+ + 4Na+Z 4Na+ + Ca2+Z2 或 Mg2+ + 4Na+Z 4Na+ + Mg2+Z2,离子交换分离法（separation by ion exchange),离子交换剂和含有离子的溶液接触时，溶液中离子与交换剂上带相同电荷离子交换，达到分离的目的。,离子交换剂的再生,当离子交换剂上的离子被溶液中离子全部代替后，交换
11、剂就失去离子交换能力。选其对应的盐进行洗涤，可再生出交换剂。,主要离子交换剂种类,无机离子交换剂和有机离子交换剂,无机离子交换剂：,天然无机离子交换剂：在化学和物理机械性能上不够稳定，交换容量小，颗粒易碎不便于作柱上色层分离使用，因此在应用上受到限制。如泡沸石，只能在较窄的PH范围内交换，如酸性较强则交换剂本身溶解；若碱性较强则发生胶溶作用。,合成无机离子交换剂：在选择性、交换容量、物理性能等方面得到很大改进，新型合成无机离子交换剂的研究不断获得进展。如：合成沸石、分子筛、水合金属氧化物、多价金属酸性盐类、杂多酸盐等。,有机离子交换剂：,1944年，D.Alelio首次用聚苯乙烯制成有机离子交
12、换树脂（ion exchange resin) ，克服了无机离子交换剂的不足。从此有机离子交换剂得到广泛应用。,1944年，D.Alelio首次用聚苯乙烯制成有机离子交换树脂（ion exchange resin) ，克服了无机离子交换剂的不足。从此有机离子交换剂得到广泛应用。,本章重点讨论用离子交换树脂进行的分离。,一、离子交换树脂的化学结构和类型,离子交换树脂的化学结构,结构为：骨架交换官能团,(1).骨架。具有立体网状结构的高分子聚合物。 (2).交换官能团。连接在骨架上可被交换的活性基团（交换基），可与溶液中的离子进行离子交换反应。结构示意图中以波形线条代表树脂的骨架，-SO3H为离子
13、交换基。,第一节 离子交换分离法一般原理,例如：RSO3H 其中，-SO3H 磺酸基。 -SO3 固定离子 -H 可交换离子（平衡离子）。,离子交换树脂的类型,根据离子交换树脂骨架的不同分为：,苯乙烯二乙烯苯的共聚物,乙烯吡啶系 环氧系 脲醛系 氯乙烯系,返回,酚醛树脂,根据交换功能团分类：,阳离子交换树脂其功能团是酸性基团,活性基团：-SO3H（磺酸基） -CH2SO3H（次甲基磺酸基） -PO3H2（磷酸基） -COOH（羧基） -OH（酚基） 特点：在水中浸泡溶胀后，电离产生H+ 。,返回,根据活泼基团酸性强弱的不同，阳离子交换树脂分为：,：强酸性阳离子交换树脂：含-SO3H活泼基团。,
14、a、聚苯乙烯型-SO3H：可反复用2000余次，可在酸、碱和中性溶液中使用。 b、酚醛型-SO3H：性能比上述的差、不常用，当pH9.5时，酚基上的H也发生交换。,：弱酸性阳离子交换树脂：含-COOH、-OH活泼基团。 -COOH在PH4时，才有交换能力，可交换Cu、Co、Ni； -OH在PH9.5时，才有交换能力，可交换Cu、Co、Ni。 主要用于弱碱存在下，选择性交换强碱性物质，应用很少。,：中等酸度阳离子交换树脂：含-PO3H活泼基团，应用不多。,阴离子交换树脂其功能团为碱性基团， 骨架均为苯乙烯二乙烯苯的共聚物，聚苯乙烯。,：强碱性阴离子交换树脂：含季胺基R-N(CH3)3 Cl，其中Cl可被其它阴离子所交换，在酸、碱和中和溶液中均能使用。,：弱碱性阴离子交换树脂：含伯胺基R-NH2、仲胺基R-NH(CH3)及叔胺基R-N(CH3)2活性基团，在水中溶涨后以OH 阴离子的形式存在：,
