第四章色 层分 离法

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1、4.1概 述 色层分离法:凡利用组分的物理化学性质的微小差异，即它们在流动相与固定相之间分配系数的不同，在两相中作相对运动时，在两相之间进行连续多次分配，从而形成一个两组分的不等速迁移过程，最终完成彼此分离的方法统称为色层分离法。 按色谱动力学过程，色层法分为淋洗法、置换法、及前沿法。 淋洗法：事先将物料引入色层柱上端，再用适当溶剂连续通过色层柱。 置换法（排代法）：流动相是一种置换剂，它与固定相的吸附能力比待分离组分强，待分离样品引入柱中后，置换剂流经色层柱，各组份被依次顶替流出的方法。 前沿法：含被分离组分的溶液就是流动相，连续流经色谱柱时，在固定相上吸附能力弱的组分首先流出色层柱，尔后其

2、余组分按吸附能力弱强顺序依次流出。,第四章 色层分离法,4.2基本概念 4.2.1 分配平衡,分配容量,分配平衡常数,分配等温线, 4.2.2 色谱图,图41 不同类型的等温线及其对应的流出色谱峰,分配等温线,色谱图:由于不等速迁移，各组分随流动相流出色谱柱，同时所形成的连续色谱峰, 称为色谱图.,色谱图描述了组分在柱出口流动相中的浓度分布，它的基本特征为: （）每一组分有一对应的色谱峰 （）色谱峰宽度与组分洗出时间一般呈线性关系,术语: （1）峰高h （2）峰区域宽度 标准偏差 半峰高宽度 峰底宽 峰面积, 4.2.3 保留值 保留值反映了溶质与固定相作用力的大小，是色谱过程热力学特性的重要

3、参数。通常用保留时间和保留体积表示。 1.比移值 溶质谱带平均迁移速度UX小于流动相迁移速度U，定义UX与U之比值为比移值Rf. Rf代表了溶质在流动相中的停留时间分数。从统计学规律得知，溶质分子在流动相中停留时间分数等于溶质分子瞬间分布在流动相中的总分子分数。,2. 保留时间 （）死时间（tD） 溶剂不与固定相作用，故其流速比溶质大，开始从柱底流出的流动相为空白溶剂，故在色谱图上从进样到柱中溶剂流出柱的时间为死时间tD。实际应用中利用与流动相性质相近，在色谱柱上无保留的溶质通过色谱柱的时间来测定。 H：色谱柱固定相总高 U：溶剂（流动相）的移动速度,（）保留时间tR： tR为溶质通过色谱柱所

4、需时间，UX为溶质谱带平均移动速度。 （）调整保留时间 溶质通过色谱柱的保留时间包括它在流动相和固定相所消耗的时间。各组分在流动相消耗的时间基本相同，因而定义溶质在固定相上的滞留时间为调整保留时间，以tR，表示 tR，tRtD,（）分配容量k与保留时间的关系 tRUXtDU,3. 保留体积 保留体积保留时间流动相体积流速 因此同样有下述一系列关系： （）死体积VD VDtDQ Q流动相体积流速 （）保留体积VR VRtRQ （）调整保留体积VR， VR，（tRtD）QVRVD （）保留体积与分配容量关系 VRVD（1k）, 4.2.4 相对保留值与选择性系数 两组分调整保留值之比为相对保留值，

5、以表示 因为t,RtRtDtD（1k）tDktD 则 保留值之比称为选择性系数，以 表示： 因 ，且 与 总是大于1， 与 越大，柱子的选择性越高。,4.3 基本理论, 4.3.1 平衡塔板理论 （Martin塔板理论） 1.基本假设 实际情况:流动相在色层柱内不断向下移动时，组分在两相间发生分配，此时柱内的组分浓度在两相中的变化是连续的，分配是不平衡的。,图44 Martin塔板模型,Martin理论假设： （）色层柱内径及柱内填料填充均匀。想象将色层柱切割成无数等高小池，每一小池称为一个理论塔板，当小池高h足够小时，小池中两相浓度是均匀的，此时如图44（a）所示，小池内的平均浓度等于小池中

6、心浓度。两相浓度达到平衡。 （）流动相以线速度U向下移动，假设一观察者以速度向下移动（图44（b）。实际结果相当于固相向上移动，流动相向下移动（图44（c），因而色层分离变成类似于精馏塔中液相向下运动，汽相向上运动的情况。 （）溶质在各塔板上的分配系数是一个常数，与溶质在每个塔板上的量无关，即呈线性分配等温线。,2.排代法界面公式 谱带达到稳定状态后的色谱过程就相当于全回流的精馏过程。,离开第零级的水相中A对B的摩尔份数比为P0；离开第N级水相中A对B的摩尔份数比为Pn.,1）色谱流出曲线方程:,C色层柱洗出溶质的浓度;N理论塔板数;VR保留体积;Vm流动相体积; M待分离溶质量 . 表示色层

7、柱洗出溶质的浓度随流动相体积变化的方程式，即洗出溶质的浓度变化曲线，或溶质的分布密度曲线。当VmVR时：,即洗出的溶质浓度最大.,3.淋洗色谱流出曲线方程,Cmax洗出的最大溶质浓度 由上式可得出如下结论： （）Cmax与M成正比，M越大Cmax越大 （）Cmax与N成正比，VR一定，N越多Cmax越大 （）Cmax与VR成反比，M与N一定，VR越小Cmax 越大。 即 VR小的组分色谱峰高且窄, VR大的组分色谱峰低且宽.,2）理论塔板数与理论塔板高度 色谱峰呈高斯曲线分布 高斯曲线峰的区域宽度可用标准偏差度量 W可以用时间、体积、距离表示。 色层柱高为H，故理论塔板高度hHN。,4、平衡塔

8、板理论的评价 成功之处在于: （）初步揭示了色层分离的真实过程，导出了色谱流出曲线方程，初步阐明了溶质分布随流经色谱柱流动相体积的变化规律。 （）证明了淋洗色谱流出曲线经过足够的塔板后接近高斯分布，对淋洗色谱图的各组分的色谱峰“前矮而宽，后高而窄”的特点作了合理解释。 （）证明了排代色谱的排代曲线接近双对数曲线。 （）导出了理论塔板数的计算公式，形象而定量描述色谱柱的柱效，为其它理论的产生与发展奠定了基础。 主要不足之处在于: 实际过程很难达到真正的平衡,与它的基本假设有出入，因而对影响色谱峰展开的一些因素如涡流扩散、分子扩散均未考虑，因而使理论与实际情况发生偏离。, 4.3.2 色层分离理论

9、 1、 分离度（分辨率） 物质对的分离好坏用分离度表示。分离度有不同的表示方法，即峰高分离度（Rh），峰半高分离度（R12），峰底宽分离度（RS） W窄则RS大，意味着相邻两峰代表的物质分离效果好；W宽则RS小，表示相邻两峰代表的物质分离效果差。,2、 分离度方程,分离度方程，它由三部分组成： （） 表柱分离效率，与柱长及流速有关。 （） 或 表分离选择性，与体系本身有关。 （）k与溶剂的强度有关。,或,3 分离效果影响因素 1）k影响,因为 若 k大则tR大，表示分离时间长。 对于多组分的分离，如先流出组分在1k 10 范围，后流出组分的k就无法落在这一范围。例如在稀土元素的色层分离时，适于

10、轻稀土的淋洗剂浓度对中重稀土络合能力又太弱（k太大），适于中重稀土的淋洗剂浓度对轻稀土的络合能力又太强（k太小），因此提出了用梯度淋洗的办法解决此矛盾。所谓梯度淋洗就是在分离过程中改变淋洗剂浓度，使各组分k均有最佳值。 2）影响 若1两组分不可能分离，略大于1就可能实现分离，2分离就相当容易实现。当1，式423中（1），可从0.001一直增加到1，变化范围达103，相比之下若k从1增加到50，k/(1+k)只从0.5变到接近于1，变化范围只有0.5，显然相对保留值是提高分离度更重要的因素。,的微小增加，将使N显著降低。对一个复杂混合物的分离条件选择，主要是提高最难分离物质对的值。,3、N的影响

11、 塔板数N大，在柱高一定的情况下，表明塔板高度h小，即柱效率高。因此提高柱效的关建是降低h.当然也可通过增加固定相总高H（即柱长L）来增加N。 影响塔板高度（HETP）的诸因素中，最重要的是液相操作流速u与固定相粒度d. 考虑u、d对HETP的影响，有下列关系式：HETPmdb1ub2,4.4离子交换色层 4.4.1 分配容量,以 表示色层柱内交换剂的质量，Vm表示流动相（淋洗剂）的体积,保留值是k的函数，因此影响待分离离子保留值的因素有： （） 大，表示固定相对溶质B亲和力大，而对淋洗剂离子亲和力小，故k大。 （）树脂交换容量越大，保留值越高。 （）树脂用量越大，保留值越高 （）溶质离子电荷

12、越高，保留值越高 （）淋洗离子浓度越小，保留值越高 （）淋洗离子电荷越高，洗脱能力越强，保留值越低。, 4.4.2 流动相 流动相的组成，离子强度和pH 值是影响溶质保留和分离选择性的重要因素。 控制离子强度的办法主要靠控制流动相中淋洗离子的浓度。增加淋洗离子浓度无疑将降低kB值,从而影响分离选择性。 不同淋洗离子对树脂的亲和力的大小不同，显然亲和力强的离子或者说选择性系数大的离子洗脱能力强，即k小，保留值小。 采用络合剂作流动相的组分，利用络合物稳定常数的差别，加大待分离离子之间k值的差别。 pH值是达到良好分离的关键条件。, 4.4.3 前沿色层法制取纯(NH4)2WO4溶液 钨的保留值最

13、大。由于钨酸根与氯根及硅、磷、砷杂质离子之间的保留值差别有限，故控制适当的流速及稀释后溶液中的Cl-与OH-浓度至关重要 。 柱底的交换带中，保留有较多的杂质离子，此时从柱顶部通入洗水，将树脂空隙中的钨酸钠溶液顶出，流经柱底时，进一步发生WO42顶替杂质离子的过程，有一定的净化分离作用。 为了进一步提高钨酸铵溶液的纯度，根据色层分离原理，可以在解吸前增加一道淋洗除杂作业。, 4.4.4 排代色层法分离稀土元素 1、 分离过程及原理,方法采用的固定相为强酸性阳离子交换树脂，而流动相，冶金工艺学中又称展开剂或淋洗剂为柠檬酸或EDTA、HEDTA、ATA等氨羧络合剂的铵盐溶液。 色层系统由一根吸附柱

14、及若干根分离柱串联而成，具体实施方法如下： 吸附柱树脂转成铵型，当镨、钕的氯化物溶液流经该柱时，Pr3及Nd3离子与铵离子发生置换反应而被吸附于树脂上。尽管Pr3的选择性系数大于Nd3，但这种差别甚小，故在吸附柱上可以认为基本无什么分离效果。,将吸附柱洗净后与分离柱串联。分离柱的树脂预先转成CuH型。流动相从吸附柱顶进入色层系统。将吸附柱上之Pr、Nd以络盐（NH4）REY形式洗下来，因为络合物稳定性遵循正序规律，即Pr的络合物稳定性小于Nd的络合物的稳定性，故使kPr大于kNd，即Pr的保留值大于Nd的保留值。含Pr、Nd的络盐往柱的下部移动，又被分离柱上的Cu2+置换出来，重新吸附于树脂上

15、，由于它们的吸附能力大小呈倒序规律，即Pr对树脂的吸附能力大于Nd对树脂的吸附能力，这同样意味着kPr大于kNd。由于在流动相流过色层系统的过程中，在分离柱上PrNd 元素对要发生无数次这样的吸附与解吸过程，这两个过程都是使kPr大于kNd，即Pr的保留值大于Nd。因此当串联的分离柱总长度足够时，Pr、Nd的移动速度差别将越来越大，即发生不等速迁移，含Nd的流动相将先从柱底流出，得到呈双对数曲线形式分布的Pr、Nd流出曲线，如图413所示。,过程中Cu2+的作用是将REY络阴离子中的Pr、Nd阳离子置换出来，重新吸附于树脂层上，故相当于增加色层柱的理论塔板数N，降低理论塔板高度h。故Cu2+离子被称为延缓离子，但分离柱树脂实际为Cu-H型，此H离子相当于缓冲剂，以控制pH值及Cu的适当浓度。,2、 过程的影响因素 流速 温度 树脂交联度 淋洗剂浓度,4.5 萃取色层, 4.5.1萃取色层与溶剂萃取的关系 两者都使用萃取剂，或同一萃取剂可用于溶剂萃取，也可用于萃取色层。 按马丁理论，萃取色层类似于逆流萃取过程。 它们可以互为研究手段 就分离精度而言，萃取色层有更高之精度，故对影响因素更为敏感，放大的难度大。, 4.5.2 萃取色层技术 1、固定相与流动相 萃取色层的固定相实质为萃取溶剂，所以这种色层技