分析化學中的分離與富集方法ppt課件

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第13章分析化學中的分離與富集方法,13.1 概述 13.2 氣態(tài)分離法 13.3 沉淀與過濾分離 13.4 萃取分離法 13.5 離子交換分離法 13.6 色譜分離 13.7 電分離法 13.8 氣浮分離法 13.9 膜分離,1,13.1 概述,,分離 富集,2,13.2 氣態(tài)分離法,1 揮發(fā)與升華,揮發(fā)：固體或液體全部或部分轉(zhuǎn)化為氣體的過程,氫氣還原砷酸鹽轉(zhuǎn)為AsH3 飛硅（SiF4） 飛鉻(CrO2Cl2),升華: 固體物質(zhì)不經(jīng)過液態(tài)就變成氣態(tài)的過程,,3,2 蒸餾,,a 常壓蒸餾,b 水蒸氣蒸餾 如果一溶液的組成在它的沸點分解，必須減壓蒸餾它或水蒸汽蒸餾它，水蒸氣蒸餾的那些化合物須不與水混溶,c 減壓和真空蒸餾 在大氣壓以下的蒸餾稱為減壓和真空蒸餾,4,例如無水乙醇的制備，水和乙醇形成共沸物(95％乙醇)，b.p.=78.15℃ 加入苯形成另一共沸物(苯74％，乙醇18.5％,水7.5%) b.p.=65℃ 在65℃蒸餾, 除去水, 在68℃苯和乙醇形成共沸物(苯67.6％,乙醇32.4％) 在68℃蒸餾直到溫度升高，在78.5℃能獲得純乙醇。,d 共沸蒸餾,e 萃取蒸餾(extractive distillation) 例由氫化苯(80.1℃)生成環(huán)己烷(80.8℃)時,一般的蒸餾不能分離，加入苯胺(184℃)與苯形成絡(luò)合物，在比苯高的溫度沸騰，從而分離環(huán)己烷,5,,13.3 沉淀分離,1 常量組分的沉淀分離,氫氧化物沉淀,NaOH法 可使兩性氫氧化物(Al,Ga,Zn,Be,CrO2,Mo,W,GeO32-, V, Nb,Ta ,Sn,Pb等)溶解而與其它氫氧化物(Cu, Hg, Fe, Co, Ni, Ti. Zr, Hf, Th, RE等)沉淀分離,氨水-銨鹽緩沖法 控制pH值8～10，使高價離子沉淀(Al, Sn等), 與一、二價離子(堿土金屬，一、二副族)分離,,ZnO懸濁液法 控制pH＝6, 定量沉淀pH6以下能沉淀完全的金屬離子,,有機堿法 六次甲基四胺，吡啶，苯胺等有機堿與其共軛酸組成溶液控制溶液的pH值,6,硫酸鹽沉淀,硫酸作沉淀劑，濃度不能太高，因易形成MHSO4鹽 加大溶解度, 沉淀堿土金屬和Pb2+, CaSO4溶解度大，加入乙醇降低溶解度。,鹵化物沉淀 氟化稀土和與Mg(II), Ca(II), Sr(II), Th(IV)氟化物沉淀， 冰晶石法沉淀鋁 在pH＝4.5 Al(III)與NaF生成（NaAlF6) 沉淀分離Al(III),與Fe(III),Cr(III),Ni(II),V(V)Mo(VI)等分離,7,硫化物沉淀 控制酸度，溶液中[S2-]不同，根據(jù)溶度積，在不同酸度析出硫化物沉淀, As2S3, 12M HCl; HgS,7.5M HCl; CuS, 7.0M HCl; CdS, 0.7M HCl; PbS, 0.35M HCl; ZnS, 0.02M HCl; FeS, 0.0001M HCl; MnS,0.00008 M HCl,磷酸鹽沉淀 稀酸中，鋯、鉿、釷、鉍；弱酸中, 鐵、鋁、鈾(IV)、鉻(III)等,8,有機沉淀劑 草酸: 沉淀Ca, Sr, Ba, RE, Th 銅鐵試劑(N-亞硝基苯基羥銨): 強酸中沉淀Cu,Fe,Zr,Ti,Ce.Th,V,Nb,Ta等，微酸中沉淀Al,Zn,Co,Mn,Be,Th,Ga,In,Tl等。主要用于1:9的硫酸介質(zhì)中沉淀Fe(III),Ti(IV),V(V)等與Al,Cr,Co,Ni分離 銅試劑 (二乙胺基二硫代甲酸鈉，DDTC) 沉淀Cu,Cd,Ag,Co,Ni,Hg.Pb.Bi,Zn等重金屬離子，與稀土、堿土金屬離子及鋁等分開,9,2 痕量組分的富集和共沉淀分離,無機共沉淀劑進行共沉淀,有機共沉淀劑進行共沉淀,利用表面吸附進行痕量組分的共沉淀富集, 選擇性不高。共沉淀劑為Fe(OH)3, Al(OH)3等膠狀沉淀, 微溶性的硫化物，如Al(OH)3作載體共沉淀Fe3 +,TiO2+; HgS共沉淀Pb2+ 利用生成混晶進行共沉淀，選擇性較好，如硫酸鉛-硫酸鋇，磷酸銨鎂-砷酸銨鎂等,利用膠體的凝聚作用進行共沉淀, 如動物膠、丹寧 離子締合共沉淀，如甲基紫與InI4-。 利用“固體萃取劑”進行共沉淀，例 1-萘酚的乙醇溶液中，1-萘酚沉淀，并將U(VI)與1-亞硝基-2-萘酚的螯合物共沉淀下來。,,10,1.萃取分離機理,,13.4萃取分離法,相似溶解相似 帶電荷的物質(zhì)親水，不易被有機溶劑萃取 可溶的呈電中性的物質(zhì)疏水易為有機溶劑萃取,萃取劑,鎳(II) ＋丁二酮肟 ?丁二酮肟-鎳(II) ‖? CHCl3,帶電荷,親水,電中性,疏水,,,萃取溶劑,,,11,分配系數(shù): 有機溶劑從水相中萃取溶質(zhì)A，若A在兩相中的存在形態(tài)相同，平衡時，在有機相的濃度為[A]o, 水相的濃度為[A]w 之比，用KD表示。,分配定律,分配比: 物質(zhì)A在兩相中可能存在多種形態(tài)，在兩相中的各形態(tài)濃度總和(c)之比，用D表示。,,2 分配定律、分配系數(shù)和分配比,12,如果用Vo (mL) 溶劑萃取含有mo (g) 溶質(zhì)A的Vw (mL)試液，一次萃取后，水相中剩余m1(g)的溶質(zhì)A，進入有機相的溶質(zhì)A為(mo-m1) (g), 此時分配比為：,m1=mo[Vw/(DVo + Vw)] 萃取兩次后，水相中剩余物質(zhì)A為m2(g) m2=mo[Vw/(DVo + Vw)]2 … 萃取n次后，水相中剩余物質(zhì)A為mn(g) mn=mo[Vw/(DVo + Vw)]n,13,3 萃取率,式中，Vw/Vo稱相 當Vw/Vo＝1時, E=D/(D+1)×100％ 在D＞10時，E＞90%, D＞100, E＞99%,,萃取率用于衡量萃取得總效果，用E表示,＝ ×100％,,14,4 萃取體系和萃取平衡,萃取平衡 萃取劑多為有機弱酸堿, 中性形式易疏水而溶于有機溶劑，一元弱酸（HL）在兩相中平衡有：,,HL(o) ? HL(w),pH＝pKa時，D=1/2·KD; pH≤ pKa-1時，水相中萃取劑幾乎全部以HL形式存在，D≈KD ;在pH＞pKa時，D變得很小。,15,萃取體系,螯合物萃取體系 離子締合物萃取體系 溶劑化合物萃取體系 共價化合物(簡單分子)萃取體系,16,a 螯合萃取體系 螯合物萃取是金屬離子萃取的主要方式，萃取劑是螯合劑，形成的螯合物為中性，溶于有機溶劑被萃取。 如雙硫腙與Hg2+的絡(luò)合物，8-羥基喹啉與La3+的絡(luò)合物等屬螯合物萃取體系。,17,總的萃取平衡方程式為：M(w)+nHL(o) =MLn(o)+nH+(w) 萃取平衡常數(shù)Kex,Kex決定于螯合物的分配系數(shù)KD(MLn)和累積穩(wěn)定常數(shù)βn以及螯合劑的分配系數(shù)KD(HL)和它的離解常數(shù)（Ka）,螯合物萃取體系存在的幾個平衡關(guān)系如下圖：,18,如果水溶液中僅是游離的金屬離子，有機相中僅是螯合物一種MLn形態(tài)，則：,萃取時有機相中萃取劑的量遠遠大于水溶液中金屬離子的量，進入水相和絡(luò)合物消耗的萃取劑可以忽略不計。即是[HL]o≈c(HL)o, 上式變?yōu)?該式邊取對數(shù): lgD=lgKex+nlgc(HL)o+npH,19,實際萃取過程涉及副反應(yīng)，采用條件萃取常數(shù)Kex ? 描述萃取平衡：,lgD=lgKex-lgaM-nlgaHL+nlgc(HL)o+npHw,水溶液的pH值是影響螯合物萃取的一個很重要因素 分配比決定于萃取平衡常數(shù)、萃取劑濃度和水溶液的酸度,20,b 離子締合物萃取體系,陽離子和陰離子通過靜電引力相結(jié)合而形成電中性的化合物稱為離子締合物。該物具有疏水性，能被有機溶劑萃取。,堿性陽離子染料與絡(luò)陰離子形成的締合物，如次甲基藍與[BF4]-、羅丹明B與[AuCl4] -,四苯胂[(C6H5)4As]+與WO42-; 金屬大絡(luò)陽離子(Cu+-新亞銅靈絡(luò)陽離子與Cl-)及季銨鹽與陰離子或金屬絡(luò)陰離子形成的締合物。,,21,中性有機溶劑分子通過配位原子與金屬離子鍵合，而溶于該有機溶劑中，從而實現(xiàn)萃取。 如，磷酸三丁酯(TPB) 在鹽酸介質(zhì)中萃取Fe3+, FeCl33TPB 雜多酸萃取體系,c 溶劑化合物萃取體系,22,在HCl溶液中乙醚萃取FeCl4-,乙醚與H＋形成[(CH3CH2)2OH]+,它與FeCl4-形成締合物[(CH3CH2)2OH]+·[FeCl4]-。在這里乙醚既是萃取劑又是萃取溶劑。如此的還有甲基異丁基酮，乙酸乙酯等。含氧有機溶劑化合物成鹽的能力大小為： R2O＞ROH＞RCOOH＞RCOOR＇＞RCOR＇＞RCHO 也有把該體系列入離子締合萃取體系。,d 共價化合物萃取體系 也叫簡單分子萃取體系，如I2,Br2,GeCl4,OsO4等不帶電荷，在水溶液中以分子形式存在，可為CCl4,C6H6等萃取,23,a 萃取劑的選擇 螯合物穩(wěn)定，疏水性強，萃取率高,b 溶液的酸度 酸度影響萃取劑的離解，絡(luò)合物的穩(wěn)定性，金屬離子的水解,,5 萃取條件的選擇,c 萃取溶劑的選擇,金屬絡(luò)合物在溶劑中有較大的溶解度，盡量采用結(jié)構(gòu)與絡(luò)合物結(jié)構(gòu)相似的溶劑， 萃取溶劑的密度與水溶液的密度差別要大,粘度要小，易分層， 毒性小，最好無毒，并且揮發(fā)性小。,24,6 萃取方法及分析化學中的應(yīng)用,萃取方法,,單級萃取 連續(xù)萃取 多級萃取,萃取劑比水重,萃取劑比水輕,索氏萃取器,25,7 固相萃取和固相微萃取,固相萃取：液-固分離 分離載體一般為硅氧基甲烷，顆粒直徑40-80 mm,,選適宜SPE管,加入樣品溶液到載體,洗滌除去共存物,洗脫待分離物質(zhì),潤濕載體,一般程序為：,,,,,26,固相微萃取技術(shù) 始于1992年，(加拿大的Janusz Pawliszyn),27,原理： 超臨界流體萃取:氣-固萃取 萃取劑: 超臨界條件下的氣體 粘度低，接近零的表面張力，比很多液體容易滲透固體顆粒，易于除去。,,8 超臨界流體萃取,超臨界萃取分離設(shè)備組成及流程：,28,超臨界流體: 1822年, Baron C.Cagnaird 發(fā)現(xiàn)，如果加熱某氣體在一定的溫度以上時，無論施加多大的壓力都不能迫使該氣體成為液體，那個溫度叫臨界溫度。在這個溫度使氣體變?yōu)橐后w的最低壓力，叫臨界壓力。在這個條件以上的任意氣體知道處于超臨界。,29,離子交換分離法：利用離子交換劑與溶液中的離子之間發(fā)生的交換反應(yīng)進行分離的方法。,,13.5 離子交換分離法,30,無機離子交換劑 有機離子交換劑 (離子交換樹脂),,1.離子交換劑的種類,,,特種樹脂,螯合樹脂 大孔樹脂 萃淋樹脂 纖維素交換劑 負載螯合劑樹脂,,陽離子交換樹脂,陰離子交換樹脂,,強酸性陽離子交換樹脂,弱酸性陽離子交換樹脂,,強堿性陰離子交換樹脂,弱堿性陰離子交換樹脂,R-SO3H樹脂, 如國產(chǎn)732,R-COOH, R-OH 樹脂,R4 N+Cl- 樹脂,-NH2, -NHR, -NR2 樹脂,31,2 離子交換樹脂的結(jié)構(gòu)與性質(zhì),,高分子聚合物，具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性好。在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的骨架上連接有活性基團，如-SO3H, -COOH,-N(CH3)3Cl等，它們可以與溶液中的離子進行交換。,離子交換的過程： R-SO3H + Na+ → R-SO3Na + H+ R-N(CH3)3Cl + OH- → R-N(CH3)3OH + Cl-,32,交聯(lián)度: 樹脂合成中，二乙烯苯為交聯(lián)劑，樹脂中含有二乙烯苯的百分率就是該樹脂的交聯(lián)度。 交聯(lián)度小，溶漲性能好，交換速度快，選擇性差，機械強度也差； 交聯(lián)度大的樹脂優(yōu)缺點正相反。 一般4~14％適宜。 交換容量: 每克干樹脂所能交換的物質(zhì)的量(mmol)。一般樹脂的交換容量3~6mmol/g。,33,離子在離子交換樹脂上的交換能力，與離子的水合離子半徑、電荷與離子的極化程度有關(guān)。,,3 離子交換樹脂的親合力,強酸性陽離子交換樹脂 Li+ ＜H+ ＜Na+ ＜NH4+ ＜K+ ＜Rb+ ＜Cs+ ＜Ag+ ＜Tl+ U(VI)＜Mg2+＜Zn2+＜Co2+＜Cu2+＜Cd2+＜Ni2+＜Ca2+＜Sr2+＜Pb2+＜Ba2+ Na+＜Ca2+＜Al3+＜Th4+ 對于弱酸性陽離子交換樹脂，H＋的親合力大于陽離子,水合離子半徑↓,電荷↑,離子的極化程度↑ ,親和力↑,a 陽離子交換樹脂,34,b.陰離子交換樹脂,強堿型陰離子交換樹脂 F-＜OH-＜CH3COO-＜HCOO-＜Cl-＜NO2-＜CN-＜Br-＜C2O42- ＜NO3- ＜HSO4- ＜I- ＜CrO42- ＜SO42- ＜Cit. 強堿型陰離子交換樹脂 F-＜Cl-＜Br＜I-＜CH3COO-＜MoO42-＜PO43-＜AsO43-＜NO3-＜Tart.＜CrO42- ＜SO42- ＜OH-,35,操作,,4 離子交換分離操作與應(yīng)用,應(yīng)用,制備去離子水 微量組分富集分離（Au,Pt,RE） 陰陽離子分離,36,,13.6 色譜分離,色譜是一種多級分離技術(shù)基于被分離物質(zhì)分子在兩相（一為固定相，一為流動相）中分配系數(shù)的微小差別進行分離。,固定相 流動相 色譜柱 被分離組分,37,色譜法,液相色譜法,氣相色譜法,平板色譜法,柱色譜法,薄 層 色 譜 法,紙 色 譜 法,氣 液 色 譜 法,氣 固 色 譜 法,分 配 色 譜 法,吸 附 色 譜 法,離 子 交 換 色 譜 法,排 阻 色 譜 法,超臨界流體色譜法,親 和 色 譜 法,38,1 萃取色譜,溶劑萃取原理與色譜分離技術(shù)相結(jié)合的液相分配色譜， 又稱反相分配色譜。多用于無機離子的分離。,,以涂漬或吸留于多孔、疏水的惰性支持體的有機萃取劑為固定相，以無機化合物水溶液為流動相 支持體材料有：硅藻土、硅膠、聚四氟乙烯及聚乙烯-乙酸乙烯酯共聚物，活性碳纖維。 惰性多孔且孔徑分布均勻，比表面大，在流動相中不膨脹，不吸附水溶液中的離子。 如正辛胺-纖維素分離Th,Zr,U(10M HCl,6M HCl, 0.05 M HCl 洗脫。,39,2 薄層色譜和紙色譜,平面色譜 薄層色譜固定相有硅膠，活性氧化鋁及纖維素并鋪在玻璃板上。紙色譜固定相多為濾紙。 * 流動相或展開劑： 正相薄層色譜中為含有少許酸或堿的有機溶劑；反相色譜多采用無機酸水溶液。正丁醇－乙醇－氨水（9：1：0.5）分離顯色劑AClP-pF 紙色譜用無機酸水溶液或其與有機溶劑的混合物為流動相。乙醇－2MHCl(9:1)分離La,Ce,Pm,Eu,Dy等；丁酮－HF（6：1）單寧顯色分離Nb和Ta。,,40,2 薄層色譜和紙色譜,平面色譜,,比移值: 樣品點中心到原點距離(a)與溶劑前沿到原點距離(b)的比值。 Rf = a/b = h/c,41,13.7 電泳和毛細管電泳分離,電泳: 在電場作用下，電解質(zhì)中帶電粒子以不同的速度向電荷相反的方向遷移的現(xiàn)象。,,利用這一現(xiàn)象對化學或生物物質(zhì)進行分離分析的技術(shù)常常稱為電泳技術(shù)。 紙電泳 ； 薄層電泳 ； 聚丙稀酰胺電泳； 瓊脂糖電泳等 等電聚焦電泳；等速電泳 柱狀電泳； U形電泳；高效毛細管電泳,42,高效毛細管電泳分離 在充有電解質(zhì)溶液的毛細管兩端施加高電壓，溶解在電解質(zhì)中的物質(zhì)組分根據(jù)電位梯度及離子淌度的差別，得以電泳分離。,HV.高壓電源；C.毛細管；E.電極槽；Pt.鉑電極；D.檢測器；S.試樣；DA.數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng),43,淌度與Zeta電勢,帶電離子移動速度＝淌度×電場強度 淌度=(介電常數(shù)×Zeta電勢)/(4×π×介質(zhì)粘度),淌度: 溶質(zhì)在給定緩沖溶液中單位時間間隔和單位電場強度下移動的距離。,帶電粒子和毛細管內(nèi)壁表面電荷形成雙電層的Zeta電勢的大小與粒子表面的電荷密度有關(guān)，質(zhì)量一定的離子電荷越大，Zeta電勢越大；電荷一定質(zhì)量越大，Zeta電勢越小。,44,電滲流的淌度與管壁的Zeta電勢有關(guān)，電滲流在毛細管分離中起重要作用，多數(shù)情況下電滲流流速是電泳速度的5~7倍，在CE條件下，電滲流從陽極流向陰極，利用它可將正、負和中性離子一起朝一個方向產(chǎn)生速差遷移，進行分離。,影響電滲流的因素有: 電場強度、毛細管材料、溶液pH值、電解質(zhì)成分及濃度、溫度、添加劑等。,電滲流,電滲流: 毛細管中液體在外加電場作用下相對于帶電的管壁整體向一個方向移動。,45,首先用于選礦 80年代，中國開始研究，用于微量元素的富集分離 離子浮選、沉淀浮選、溶劑浮選 原理: 液體里的一和幾個組分轉(zhuǎn)移到氣泡表面，載有被分離組分的氣泡進而聚集成泡沫到達液體上部，分離和破裂泡沫，收集組分。,,13.8 氣浮分離法,46,1．進氣口；2．浮選池；3．聚乙烯過濾器；4．泡沫；5．法藍盤；6．試樣、試劑導入口；7．硅橡膠；8．排出口；9．接收器。,47,離子溶液中，加入適當絡(luò)合劑，調(diào)至適當酸度，生成絡(luò)合物離子，再加入與絡(luò)離子帶相反電荷的表面活性劑，形成離子締合物，通入氣體，鼓泡，吸附在氣泡表面上浮至溶液表面。 影響因素有： 酸度；表面活性劑；離子強度；絡(luò)合劑；氣泡大小 HCl中，十六烷基吡啶，分離富集Zn2+ (1.2mol/LHCl), Sb3+(0.75 mol/LHCl)、Bi3+(0.4 mol/LHCl).,,1 離子氣浮分離法,48,溶液中被分離的痕量金屬離子與某些無機或有機沉淀劑形成共沉淀或膠體，加入與沉淀或膠體帶相反電荷的表面活性劑，通氣沉淀粘附在氣泡表面浮升至液體表面，與母液分離。 如在pH 5.5～9，在捕集劑（Fe(OH)3）存在下，油酸鈉為起泡劑，富集水中Tl3＋,,2 沉淀氣浮分離法,49,在含有被分離組分的水溶液上部覆蓋一層與水不混溶的有機溶劑，當附著有被分離組分的表面活性劑氣泡升至水溶液上部，氣泡就會溶入有機相或懸浮在兩相界面成為第三相，從而分離。 溶劑氣浮吸光光度法就是把溶劑氣浮分離法與吸光光度法相結(jié)合，達到高靈敏選擇性的測定痕量組分，如Au(III)-I-次甲基藍離子締合體系的溶劑氣浮吸光光度法。,,3 溶劑氣浮分離法,50,膜分離技術(shù)是一種高效、經(jīng)濟、簡便的新分離技術(shù)。 膜可以是固態(tài)也可以是液態(tài)或氣態(tài)，膜本身為一相，有兩個界面，與所隔開的物質(zhì)接觸，但不互溶。 膜可以是全透性或半透性。 膜分離根據(jù)濃度差，壓力差和電位差進行。,,13.9 膜分離法,51,,液膜萃取分離涉及到三個液相：試樣液，萃取液和這兩者之間的薄膜。分離原理類似液－液萃取和反萃取。被分離組分從試樣液進入液膜相當于萃取，再從液膜進入接受液（反萃液）相當于反萃取，可以說液膜萃取分離是液－液萃取分離中萃取與反萃取的結(jié)合,液膜萃取原理見示意圖 1.試樣液池；2.液膜；3.反萃液池,液膜萃取分離,52,液膜是一層很薄的膜，與被隔開的液體不互溶，有油型，水型 液膜由膜溶劑，表面活性劑，流動載體和膜增強劑組成。 如用P507、單丁二酰亞胺為表面活性劑，加入液體石蠟和煤油可以制成液膜，用于富集10-9g的鈰組稀土。 聚砜-P204制成液膜分離EU3+,53,