Характеристика и способы получения ионитов

Содержание:

  1. Основы метода
  2. Типы ионитов
  3. Заключение
Предмет: Экономика
Тип работы: Реферат
Язык: Русский
Дата добавления: 04.04.2019

 

 

 

 

  • Данный тип работы не является научным трудом, не является готовой работой!
  • Данный тип работы представляет собой готовый результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебной работы.

Если вам тяжело разобраться в данной теме напишите мне в whatsapp разберём вашу тему, согласуем сроки и я вам помогу!

 

По этой ссылке вы сможете научиться как правильно написать реферат без ошибок:

 

Реферат: пример и образец оформления

 

Посмотрите похожие темы возможно они вам могут быть полезны:

 

 

Учение о государстве и праве в России в конце 18 - начале 20 века

 

Представление о правовом прогрессе в Российской юридической науке

 

Дебиторская задолженность и меры ее снижения

 

Развитие рынков интернета вещей

 

 

 

Введение:

Ионообменная хроматография, основанная на разнице в константе ионообменного равновесия между неподвижной фазой и компонентами отделяемой смеси, разделении веществ, анализе и физическом потенциале, в основном используется в неорганическом анализе. Этот широко используемый метод был изобретен в 1947 году Т.Б. Гапон, Е. Н. Гапон и Ф. М. Шемякин впервые провели хроматографическое разделение ионных смесей в растворе.

Ионообменная хроматография - это твердофазная ионизация чередующегося с фазой раствора жидкостной хроматографии.

Стационарной фазой в ионообменной хроматографии является ионообменник.

Основное хроматографическое разделение с помощью ионообменника проводят в водном растворе, смешанном растворителе (вода-метанол) или буферном растворе.

Он широко используется в ионообменной хроматографии для научного изучения многих биохимических проблем.

В практическом плане ионообменная хроматография является наиболее широко используемой для анализа аминокислот. Аминокислотная ионообменная хроматография - это детектор аминокислот, который позволяет автоматизировать практически все фазы анализа, кроме пробоподготовки.

Основы метода

В ионообменной хроматографии разделение смешанного компонента достигается обратимым взаимодействием ионной группы ионизуемого вещества и адсорбента. Сохранение электричества примеси сорбента обеспечиваются наличием ионозаменяемых противоионов, расположенных в непосредственной близости от поверхности. Ионы вводимого образца обмениваются со встречными ионами, взаимодействующими с фиксированным зарядом адсорбента. Вещества, имеющие различное сродство к фиксированному заряду, разделяются анионообменником или катионным камнем.

Анионит имеет положительно заряженную группу на поверхности и адсорбирует анионы из подвижной фазы. Катионообменные смолы, соответственно, содержат группу, имеющую отрицательный заряд, которая взаимодействует с катионом. Амфотерный (биполярный) ионит содержит в своей матрице как катионообменную группу, так и анионообменную группу. Эти ионообменники, контактируя с электролитом, могут диссоциировать и образовывать внутреннюю соль, которая связывает оба компонента. Бисексуальная ионообменная смола легко регенерируется водой.

Ионные растворы (водные растворы солей, кислот и оснований) используются в качестве ПФ в ионообменной хроматографии. Как правило, для поддержания определенного значения рН используется буферный раствор.

При хроматографическом разделении ионы анализируемого вещества содержатся в элюенте, который стремится взаимодействовать с противоположно заряженной группой сорбентов, при этом ионообменная хроматография позволяет ионизировать порфириновые соединения.

Ионообменная хроматография подходит для разделения высокополярных материалов,которые не могут быть проанализированы методом ГХ без превращения в производные. Эти соединения включают аминокислоты, пептиды, гетероциклические основания и углеводы. Ионообменная хроматография проводится в течение 20-40 минут с наибольшим разделением, которое обычно занимает несколько часов или дней, с использованием фармацевтического, биологического, биохимического, экологического контроля, анализа содержания лекарственных препаратов и их метаболитов в крови и моче, анализа пестицидов в пищевом сырье и биополимерах (белки, нуклеиновые кислоты и др.).

Применение ионообменной хроматографии в биологии дает возможность наблюдать образец непосредственно в биологической среде, и интересно использовать этот метод для контроля изменений, происходящих в биологической жидкости при неправильной интерпретации конечного результата.

 

Использование пористого слабого анионообмена на основе силикагеля позволило провести разделение пептидов.

 

Механизм анионного обмена можно представить в виде выражения:

X - + R+Y - ↔ Y - + R+X -

Аналогично уравнение для катионного обмена:

Х+ + R -Y+ ↔ Y+ + R -X+

В первом случае ион образца X - конкурирует с ионом подвижной фазы Y - за ионные центры R+ ионообменника, а во втором в конкуренцию с ионами подвижной фазы Y+ за ионные центры R - вступают катионы образца Х+.

 

Конечно, Ион образца взаимодействует со слабым катионообменником, и эта конкуренция слабо сопротивляется в первой колонне, затем выщелачивается из нее, наоборот, помимо ионно-ионного взаимодействия на поверхности наиболее сильно удерживаемого адсорбента, неионные вторичные взаимодействия ограничиваются неионной частью Матрицы или ограниченным ионообменом трудно достичь условий, в которых он осуществляется.

Поэтому при прогнозировании удержания необходимо исходить не только из теоретических закономерностей ионообменной хроматографии, но и из эмпирических наблюдений. Разделение тех или иных веществ во многом зависит от выбора наиболее подходящего сорбента и подвижной фазы. В качестве стационарной фазы для ионообменной хроматографии использовали силикагель с ионообменной смолой и привитой ионогенерирующей группой.

Ионообменные смолы, используемые для ВЭЖХ, в основном представляют собой сополимеры стирола и дивинилбензола. Относительное содержание дивинилбензола, определяющее степень сшивки скелета ионита, выражается массовым процентом дивинилбензола в мономерной смеси. Обычно добавляют 8-12% последнего. Чем выше содержание дивинилбензола, тем больше жесткость и прочность полимера, тем больше емкость и, как правило,чем выше селективность, тем меньше набухание.

По хроматографии, материала, содержащего серную кислоту группы trialkylammonium сильными катионообменными, называемых сильных анионитов, как струйный принтер, саксофон. Слабые катионообменники и анионообменники получают соответственно на основе карбоксилатных COO-или аммониевых NH3+ионов. Существует также жидкий органический ионообменник, представляющий собой несмешивающуюся с водой жидкость, которая физически осаждается на пористый или поверхностно-пористый материал. Жидкий анионный обменник представляет собой высокомолекулярный Амин или соль, а катионообменник-сложный эфир фосфора или фосфорной кислоты.

В условиях разделения для улучшения ионообменной хроматографии полярность лигандного комплекса изменяется при получении ионов.

Fe3+ + 4Сl - ↔ FeCl4-

А анионообменная среда делится на тетрахлорид аниона. Так как селективность смолы зависит от свойств противоионов, то часто приходится менять форму смолы. Противоион связан кулоновской силой взаимного притяжения с ионообменной группой, и заряд экранируется. Это притяжение зависит от физических свойств противоионов, размера, формы и плотности электронной оболочки. Некоторые из противоионов эквивалентны по концентрации тем, которые были заменены ионами в теплообменнике. Ниже приведен ряд противоионов убывающего порядка и сродства активности к ионообменным смолам.

HSO4- > ClO3- > NO3- > Br - > CN - > НСО3- > СН3СОО - > OH - > F -

Ва2+ > Pb2+ > Са2+> Ni2+ > Cd2+ > Со2+ > Zn2+ > Mg2+ > Ag+ > Cs+ > Rb+ > K+ > NH42+ > Na+ > H+ > Li+

M4+ > M3+ > M2+ > M1+

 

Самый быстрый способ преобразовать анионит в более селективную форму, чем исходный солевой раствор, - это промыть тетраплоидным объемом 1 м соответствующего солевого раствора. Если для работы требуется более слабая форма, чем исходная, то ее сначала промывают 20 раз в количестве 1 м раствора NaOH, а катехинит, который преобразуется в гидроксильную форму, преобразуют в требуемую форму путем промывки 1 м раствором нитрата соответствующего металла.

При изменении ионной формы смолы или в присутствии органических растворителей, таких как ацетонитрил, ТГФ, объем смолы также может изменяться. Когда объем смолы уменьшается, упаковка в колонне оседает, и на вершине колонны образуется мертвый объем. Такое проседание сопровождается снижением эффективности работы. Когда смола набухает и наполнение в колонне увеличивается, сопротивление в колонне увеличивается, а расход значительно уменьшается, что может даже привести к разрушению адсорбента. Низкая стабильность ионогенных материалов недостатки ионообменной хроматографии, анионообменники менее стабильны, чем катионообменники. Для продления срока службы колонны используется предварительная колонна, осуществляется регенерация колонны сильным растворителем. Катионные регенераты, например, обрабатывают 1 м азотной кислотой и непрерывно промывают в используемой подвижной фазе.

Ионообменники характеризуются определенной степенью набухания и объема. Степень расширения называется объемом обменника, который становится 1 г в сухом виде и заполняется в колонку (мл) с размером мл/г. для ионов или амфолитов, таких как ионы белков, которые набухают 1 г или 1 мл сухого обменника (ммоль экв/г), заполненного в колонки (ммоль экв/мл) со значением рН, соответствующим его полной ионизации, размер молекул усилителя, расстояние между ионообразующими группами, а также эффективное количество этих молекул и объем понятия емкости могут не совпадать. В некоторых случаях при увеличении эффективной емкости необходимо уменьшить полезную емкость сорбента путем изменения рН. Катионообменная смола имеет емкость около 4,4 ммоль эквивалента / г, анионообменная смола имеет 3,5-4 ммоль эквивалента/г для гелеобразной структуры, емкость обменной емкости 2,5 ммоль эквивалента / г для пористой структуры изменяется с изменением рН. При низком рН катионные камни нейтрализуются добавлением протонов:

R - + Н+ ↔ R -H+,

а при высоких рН подобным образом при действии щелочи нейтрализуются аниониты:

R+ + OН - ↔ R+OH -.

Ионообменная емкость сильных катионов почти постоянна в диапазоне рН=2-11, но при низком рН она будет равна нулю, поэтому ее нельзя использовать при рН<1. Сильные аниониты следует использовать в слабых катионитах с рН<11, рН>6 и слабых анионитах с рН<8.Сильные ионообменники могут использоваться в более широком диапазоне рН, чем слабые. Это объясняет широкое применение сильного ионита, который может быть разделен на несколько различных классов веществ одновременно, особенно когда при градиентном изменении рН используется неустойчивое сильно удерживаемое вещество, при экстремальном значении рН его следует выделять в слабый ионит. В отличие от сильных ионов, которые полностью ионизируются при рН=2-11, слабые ионы полностью ионизируются в ограниченном диапазоне рН и изменяют рН элюента в пределах значения рН.

Подвижная фаза в ионообменной хроматографии должна гарантировать растворимость различных солей, обладать характеристиками буфера, необходимыми для ионного обмена, контролировать удержание компонентов пробы и получать достаточную селективность разделения.

Характеристика и способы получения ионитов

 

Способ контроля состава шихты в ионных фильтрах смешанного действия и регенераторах ионитов

Иногда в подвижную фазу (водный буферный раствор) добавляют небольшие количества органических растворителей, таких как метанол, этанол, ацетонитрил и ТГФ. Сила и селективность растворителя зависят от типа и концентрации буферного Иона и других солей, величины рН, а также от типа и концентрации добавляемой органической среды.

Удержание в ионообменной хроматографии ограничено распределением компонентов образца и образованием ионных пар (т. е. анионного или катионного обмена) между водной и органической стационарными фазами.

Распределение вещества между фазами зависит от интенсивности электростатического взаимодействия заряженной ионизирующей группы вещества с заряженной группой ионообменника. Некоторые гидрофобные соединения или вещества, способные образовывать водородные связи, могут взаимодействовать с материалом матрицы неспецифическим образом.

Удержание образца уменьшалось с увеличением ионной силы подвижной фазы и увеличивалось с увеличением ионообменной емкости адсорбента. Ионная сила подвижной фазы возрастает при увеличении концентрации буфера и отсутствии изменения рН или при добавлении соли. Концентрация буферного раствора также важна, поскольку существует конфликт между образцом и буферными ионами в растворе. Уменьшение концентрации буферного раствора повышает сродство смолы к образцу и увеличивает время удержания. Концентрация буферного раствора находится в диапазоне от 0,001 до 6моль / л, верхний предел определяется растворимостью соли, используемой в качестве буфера, а нижний предел заключается в контроле уровня рН со слабым буферным раствором, которого следует избегать из-за возможности осаждения и засорения колонки. Прочность растворителя зависит от типа противовеса, а степень удержания образца противоположна ионной активности Рио-тропического ряда, показанной выше.

При анализе рН раствора молекулу сорбата подбирают таким образом, чтобы она полностью ионизировалась. Изменение рН подвижной фазы влияет на удержание ионизированного сорбата-по мере увеличения рН время удержания увеличивается при анионообменном разделении, прочность растворителя уменьшается при катионообмене и увеличивается при катионообмене. Наиболее выраженный эффект градиента рН раствора близок к значению pKa хроматографического образца.

Чаще всего в ионообменной хроматографии используются такие буферы, как ацетат, фосфат, цитрат, формиат, аммиак и Борат. Селективность разделения в ионообменной хроматографии зависит от концентрации и типа буферного Иона и органической среды, а также от рН среды. Разделение ионного обмена может осуществляться при высоких температурах (40-60°С). Чем выше температура, тем вязкость подвижной фазы уменьшается. Более высокие температуры, с другой стороны, снижают стабильность колонны. Биохимические пробы для сохранения естественной структуры и биологической активности обычно разделяют при низких температурах (4-20 ° с).

Добавление в подвижную фазу смешиваемых с водой органических растворителей (метанола, этанола, ацетонитрила, диоксана) действует так же, как и добавление этих растворителей в ОФК. Этот эффект более выражен для растворителей с низкой полярностью. Добавление органического медиатора также может изменить селективность хроматографической системы.

Таким образом, следующие факторы могут уменьшить время удерживания в ионообменной хроматографии:

1)повышение температуры;

2)Увеличение концентрации буферного раствора;

3) изменение рН.

В хроматографии биохимических смесей используют модифицированную целлюлозу-карбоксиметилцеллюлозу (слабокислотные свойства), диэтиламиноэтилцеллюлозу (среда, в которой они содержат карбоксиметил, диэтиламининоэтил, сульфоэтил, сульфопропил) и четыре основные группы (CM, DEAE, SE и SE). КАЭ-сефадекс) используется для получения ионита. Декстран-ионит похож на макропористую ионообменную смолу. Подобно ионам целлюлозы, они характеризуются высокой гидрофильностью, что немаловажно при работе с биополимерами. Они производятся так же, как и ионообменные смолы в виде шариков. Однако, поскольку поры декстрагеля имеют большой диаметр и макромолекулы могут проникать через них, такие иониты в основном основаны на производных гель-хроматофорозы, и ионит имеет аналогичное применение. Например, Агарозная Матрица, связанная с аминокислотой, позволяет получить биполярную обменную смолу, которая избирательно реагирует с биополимером.

Ионообменная хроматография для абсорбентов также позволяет получить ковалентный привой ионогенной группы силикагеля. Ионообменные силикагели не набухают и не сжимаются, как смолы, а имеют большие размеры и внутренние вакансии как для ионов образца, так и для противоионов, что ускоряет массообмен без повышения температуры и значительно повышает эффективность адсорбента. Они характеризуются высокой термостойкостью и выдерживают различные виды стерилизации. Однако применение сорбентов на основе кремнезема в ионообменной хроматографии ограничено рабочим диапазоном рН, и в большинстве случаев их верхний предел равен 6-7.

Ионообменная хроматография основана на обратимой Стехиометрии ионов в растворах ионов, входящих в состав ионообменника.

Синтетические ионообменники обладают многими важными преимуществами: они устойчивы к воздействию кислот и щелочей, обладают высокой обменной емкостью и воспроизводимыми ионообменными и другими свойствами.

В зависимости от признаков разряда функциональной группы ионообменная смола представляет собой катион или анионид. Катион содержит функциональную кислотную группу [- SO3 -; - COO -; - PO3 -; - N (CH2CO2) 2]. Функциональными группами анионного скелета являются четвертичные-NR3+, третичные-NR2H+ или первичные-NH3+аммониевые, пиридиновые или другие основания.

Методы ионообменной хроматографии используются в основном для выделения ионов. Количественное измерение компонентов после разделения может быть проведено любым подходящим методом.

Самый простой способ ионообменного разделения заключается в поглощении компонентов смеси ионитом и последовательном элюировании каждого компонента подходящим растворителем.

Метод ионообменной хроматографии, в продукте технической обработки в пищевой, фармацевтической и других отраслях промышленности, определение многих анионных ионообменных хроматографических методов в напитке и промышленной воде в основном аммонийная соль замещена щелочными и щелочноземельными металлами, такими как органические ионы.

Типы ионитов

Органический иониты

Органический ионит - это в основном синтетическая ионообменная смола. Органическая матрица образуется путем поликонденсации мономерных органических молекул, таких как стирол, дивинилбензол и акриламид. В эту матрицу химически вводится кислотный или основной тип ионообразующей группы (фиксированный Ион). Традиционно вводимая группа кислотных типов-COOP; - SO3H; - RO4H2 и др.И основные типы: √N;=NH; - NH2; - NR3+и так далее. Современные ионообменные смолы, как правило, обладают высокой обменной способностью и эксплуатационной стабильностью.

Ионит может набухать в воде из-за наличия гидратированных гидрофильных неподвижных групп. Однако бесконечное набухание, то есть растворение, предотвращается сшивкой. Определена степень поперечной когерентности в синтезе ионообменника с использованием количества введенного сшивающего агента дивинилбензола (ДВБ). Стандартная смола для умягчения содержит 8%ДВБ. В настоящее время доступные смолы могут содержать 2-20%. В общем случае степень ионизационного набухания обычно определяется количеством сшитых ДВБ, концентрацией гидрофильных ионообразующих групп в объеме ионизированных частиц и количеством контрионов в ионизирующих ионах.

В настоящее время существуют две модификации геля и макропоры в ионообменной смоле.

Гелевая смола представляет собой однородный сшитый полимер. Фиксированные ионы равномерно распределяются по всему объему полимера. При малом содержании сшитых включений они обладают высокой обменной способностью, но характеризуются низкой прочностью. С увеличением содержания сшивающего агента прочность увеличивается,но набухание уменьшается, а обменный курс замедляется.

Макропористые смолы характеризуются фиксированной системой пор и каналов, которые устанавливаются в процессе синтеза, и это снижает емкость обмена, так как для замещения доступны только ионы, закрепленные на стенках пор, в то время как введение массы ДВБ без замедления скорости обмена - это 10-30% от общего объема полимера.

В отличие от стандартных полидисперсных смол, унитарная монодисперсия, характеризующаяся постоянным диаметром гранул с отклонением 50 мкм и менее (полидисперсность стандартной смолы составляет 0,3-1,2 мм), обеспечивает увеличение скорости ионного обмена и увеличение обменной емкости работы, так как время диффузии ионов во всех гранулах одинаково. Кроме того, специальный метод синтеза монодисперсных смол приводит к увеличению механической прочности.

Неорганические иониты

Неорганические ионообменники - это ионообменные смолы, преимущественно природного происхождения, содержащие силикаты, гидроксиды и соли поливалентных металлов. Наиболее распространенным и используемым неорганическим природным ионитом для очистки воды является цеолит.

 

Цеолит - это минерал из группы щелочноземельных элементов и водный алюмосиликат щелочноземельных элементов, общий объем системы полости и каналов цеолита, где расположены катионы щелочноземельных элементов и молекулы воды, составляет до 50% объема каркаса цеолита.

 

Катионы и молекулы воды слабо связаны с каркасом и могут быть частично или полностью заменены ионным обменом и дегидратацией. Ионообменные свойства цеолитов определяются химическим сродством ионов и особенностями кристаллической структуры цеолитов. В этом случае необходимо подобрать размер входного отверстия между цеолитовым каркасом и замещенными ионами, так как цеолитовый каркас имеет жесткую тонкую структуру, трудно использовать органическую смолу.

При ионном обмене на цеолитах можно выделить ионы, извлечение которых часто бывает очень затруднено другим методом. Эффект ионного узла позволяет адсорбировать азот, H2, CO2, SO2, NHS, Cl2, а также газы и пары из жидкой системы, где цеолиты установили способность адсорбировать радиоактивные ионы цезия из раствора, удалять NH4+, извлекать cu, Pb, Zn, Cd, Ba, Co, Ag и другие металлы, а также очищать природный газ. Кроме того, цеолит можно использовать для удаления растворенного железа, марганца и твердости.

В отличие от органических смол, у цеолита есть много особенностей. Таким образом, общее обызвествление очищенной воды увеличивает вероятность разрушения кристаллической решетки, если очищенная вода имеет рН менее 80 мг/л, так как алюмосиликатный скелет цеолита растворяется с меньшим содержанием солей.

Динамическая обменная способность цеолита ниже, чем у органической смолы в тех же условиях, и связана с медленной кинетикой обмена цеолита. Остаточная жесткость воды после цеолита составляет около 0,3 мг-экв/л, после органической смолы-менее или равна 0,1 мг-экв /л.

Ионообменная адсорбция

Ионообменная адсорбция - широко распространенный вид сильной адсорбции электролитов. Ионообменная адсорбция - это процесс обмена адсорбентов и растворов в равных количествах с аналогично заряженными ионами:

RM, + MJ -» RM2 + М+ или RA, + AJ -> RA2 + Af

Здесь RM, RA - это адсорбент, содержащий M положительных или A отрицательных ионов, которые могут быть заменены M2 положительными и A2 отрицательными ионами в растворе соответственно. Они называются ионообменниками. Это твердые природные или синтетические вещества, практически нерастворимые в воде и органических растворителях.

Ионит имеет решетчатую структуру (каркас, Матрица).

Сетка содержит группу атомов R1, которые несут положительный или отрицательный заряд (фиксированные ионы). Этот заряд компенсируется так называемым противоионом (M'or A"). Стационарные ионы (R~-M* или R * A") вместе с подвижными противоионами называются ионогенными или функциональными группами ионитов.

Согласно типу ионообразующей группы, ионизированной является катионная R-M*(кислотный Ион для обмена катионами) и анионизированная R*A*(основание для обмена анионами).

Ионит, помещенный в воду или водный раствор, поглощает значительное количество воды(иногда до 50%) и увеличивается в объеме. Поглощенная вода гидратирует ионогенную группу и вызывает ионизацию. В зависимости от степени ионизации ионообразующей группы ионит делится на сильные и слабые кислотные катионы и сильные и слабые основные анионы.

Сильнокислотная катионообменная смола в качестве ионной группы содержит серу, фосфор и другие кислотные остатки. Слабокислые-карбоксильные, меркапто-и другие группы. Ионогенная группа сильного Анионного конца губ обычно представляет собой группу аммониевых или сульфониевых оснований, а слабое основание - аминогруппу различной степени замещения, пиридиновое основание.

Катионизированные зерна считаются гигантским поливалентным анионом, отделенным физическим интерфейсом от окружающей среды. Внутренняя часть такого поливалентного аниона пропитывается раствором, содержащим большое количество ионов водорода (или других катионов). Частицы анионита имеют большой поливалентный катион, называемый , противоионом которого является гидроксильный ион (или другой анион), который может быть обменен с анионами.

Ионный обмен - это обратимый процесс, позволяющий регенерировать использованный ионит. Регенерация катионообменных смол обычно осуществляется путем промывки раствором любой кислоты, анионных смол-щелочным раствором.

Заключение

Обменная емкость измеряется количеством материала ионов, поглощенных 1 г сухого ионита из раствора в равновесных условиях.

Ионит широко используется в качестве катализатора для реакции этерификации, гидратации и обезвоживания; для опреснения воды;для очистки сточных вод; для ионообменной хроматографии.