Tiểu luận môn PHÂN TÍCH SẮC KÝ. Chủ đề 7A: Tìm hiểu nguyên tắc, ứng dụng sắc ký trao đổi ion

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH
KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
Tiểu luận môn
PHÂN TÍCH SẮC KÝ
Chủ đề 7A:
Tìm hiểu nguyên tắc, ứng dụng sắc ký trao đổi ion
GVGD: TS. Trần Nguyễn An Sa
Lớp: DHPT6
Nhóm thực hiện:
Phạm Băng Thủy 10244211
Trần Nguyên Thái 10048021
Nguyễn Văn Trí 10075391
1
Nội dung ểu luận
Nội dung ểu luận
1.Định nghĩa sắc ký trao đổi ion
2.Nhựa trao đổi ion
3.Nguyên tắc sắc ký trao đổi ion
4.Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình trao đổi ion
5.Kỹ thuật tách sắc ký trao đổi ion
6.Các ứng dụng sắc ký trao đổi ion
6.1.Ứng dụng tách các ion
Ví dụ ứng dụng trong xử lý làm mềm nước
6.2.Ứng dụng chế tạo màng trao đổi ion.
Ví dụ công nghệ sản xuất muối ăn bằng phương pháp điện thẩm
6.3. Ứng dụng tách protein
2
SẮC KÝ TRAO ĐỔI ION
SẮC KÝ TRAO ĐỔI ION
Là một quá trình cho phép phân tách các ion hay các phân tử phân cực dựa trên tính chất của chúng, do các
ion được phân tách trong dung dịch có ái lực khác nhau với các trung tâm trao đổi ion trên chất rắn là pha cố định.

Các chất đó gọi là các chất trao đổi ion mà thông thường nhất là các nhựa trao đổi ion.
Dựa vào pha tĩnh là chất lỏng thì sắc ký trao đổi ion là một phần của sắc ký lỏng. Nhưng dựa vào bản chất thì
không phải là một phần của sắc ký lỏng
3
Hình ảnh minh họa sắc ký trao đổi ion
4
Nhựa trao đổi ion
Nhựa trao đổi ion
Nhựa trao đổi ion được cấu tạo từ polymer (nền, đóng vai trò chất mang) gắn với nhóm chất trao đổi ion.
Tùy thuộc dấu các nhóm chức mà có các ionit khác nhau:

Cationit là những ionit có khả năng trao đổi cation như Na
+
,Ca
2+

Anionit là những ionit có khả năng trao đổi anion như Cl
-
,SO
4
-
5
ĐẶC TÍNH NHỰA TRAO ĐỔI ION
ĐẶC TÍNH NHỰA TRAO ĐỔI ION
6
DUNG LƯỢNG TRAO ĐỔI ION
DUNG LƯỢNG TRAO ĐỔI ION
7
TÍNH TRƯƠNG CỦA NHỰA
TÍNH TRƯƠNG CỦA NHỰA

8
TÍNH CHỌN LỌC
TÍNH CHỌN LỌC
Tính chọn lọc của nhựa trao đổi ion biểu hiện ở ái lực của nhựa với các ion nhựa có thể trao đổi với ion này dễ hơn ion kia.
9
Đặc %nh của một số loại nhựa trao đổi ion
Đặc %nh của một số loại nhựa trao đổi ion
Loại nhựa Nhóm chức Đặc tính
Loại nhựa trao đổi cation
axit mạnh
-SO
3
-
Có khả năng trao đổi cation trong khoảng pH rộng. Phục hồi dạng H+ bằng
axit mạnh nồng độ cao
Loại nhựa trao đổi cation
axit yếu
-COO
-
Phản ứng trao đổi cation không xảy ra trong môi trường axit. Dễ phục hồi
lượng H+ bằng lượng axit tương đương.
Nhựa trao đổi anion bazo
mạnh
-H
2
C-NH
+
-CH
3
Có khả năng trao đổi anion trong khoảng pH rộng. Phục hồi dạng OH-bằng

xút nồng độ cao
Nhựa trao đổi anion bazo
yếu
-H
2
C-NH
3
+
Phản ứng trao đổi anion không xảy ra trong môi trường kiềm. Có thể dùng
dung dịch bazo yếu như Na2CO3, NH3 để rửa giải các ion âm đã hấp phụ.
Nhựa trao đổi ion chelate -H
2
C-N(CH
2
COOH)
2
-H
2
C-NH(C
2
H
4
NH)
n
H
Độ chọn lọc các ion kim loại cao hơn nhiều so với nhựa trao đổi cation
thường.được dùng để phân tách ion kim loại kiềm thổ và kim loại chuyển tiếp
10
CH
3

Cơ chế trao đổi ion
Cơ chế trao đổi ion
Giai đoạn đầu: cân bằng. Các nhóm trao đổi được kết hợp tại thời điểm này với trung tâm trao đổi ion(thường là anion hay
cation đơn giản).
Giai đoạn thứ hai:các phân tử chất tan mang điện tích tương thích thay trung tâm trao đổi ion và liên kết thuận
nghịch.Chất chưa liên kết có thể được rửa ra.
Giai đoạn thứ ba, các chất được loại bỏ từ cột bằng cách thay đổi để rửa giải điều kiện bất lợi cho liên kết ion của các
phân tử chất tan.Điều này thường liên quan đến việc tăng cường độ ion của bộ đệm tách rửa hoặc thay đổi pH của nó
Giai đoạn thứ tư và thứ năm :việc loại bỏ từ cột các chất không tách rửa theo các điều kiện thí nghiệm trước đó và tái cân
bằng điều kiện để bắt đầu thanh lọc tiếp theo.
11
Nguyên tắc
Nguyên tắc

Là hiện tượng hấp thụ dựa trên tương tác tĩnh điện ion-ion.

Cơ sở của IEC là sự cạnh tranh các nhóm tích điện trái dấu trên chất trao đổi giữa các ion của chất cần tách với các
ion khác.

Tương tác giữa các phân tử nhỏ và các chất trao đổi phụ thuộc vào điện tích thực và lực ion của môi trường

Khi nồng độ ion cạnh tranh thấp, các ion cần tách sẽ liên kết với chất trao đổi,khi nồng độ ion cạnh tranh cao, các
ion cần tách sẽ rời ra.
12
Bản chất
Bản chất
Dựa trên hiện tượng trao đổi thuận nghịch giữa các ion linh động của phân tử tĩnh rắn với các ion trong dung
dịch phân tích, khi cho dung dịch này đi qua cột được nặp đầy pha tĩnh. Bản chất của các quá trình phân tách là do
ái lực khác nhau của các ion trong dung dịch đối với các trung tâm trao đổi ion ( nhóm chứa ion) của ionit.
Dựa trên một phản ứng hóa học stoichiometric giữa các ion trong một mạng lưới và một chất rắn thông thường

mang theo các nhóm chức năng mà có thể sửa chữa các ion như là một kết quả của điện cực.
13
Sự phân bố điện tích trên bề mặt
Các chất được thêm như dung môi hữu cơ
Bản chất các ion trong dung dịch
PH của pha động
Đặc tính của chất trao đổi ion
Các yếu tố ảnh hưởng đến sắc ký trao đổi ion
Các yếu tố ảnh hưởng đến sắc ký trao đổi ion
14
15
Kỹ thuật tách sắc ký trao đổi ion
Kỹ thuật tách sắc ký trao đổi ion
Để tách triệt để các ion
thường dùng phương pháp
rửa giải
Kỹ thuật tách sắc ký trao đổi ion
Kỹ thuật tách sắc ký trao đổi ion
Trong phòng thí nghiệm:
Cột sắc ký trao đổi ion thường là các cột thủy tinh hình trụ có đường kính trong và chiều dài thích hợp. Thường
tỷ lệ chiều dài và đường kính phải lớn hơn 10.
Ở đáy ống thường có lóp bông thủy tinh hay bi thủy tinh để ngăn không cho các hạt lọt vào làm tắt khóa.
Trong cột thường nhồi các ionit ở dạng xác định. Các cationit thường là R-H hay R-Na, các anionit thường
chuẩn bị ở dạng R-OH hay R-Cl
16
Các ứng dụng của sắc ký trao đổi ion
Các ứng dụng của sắc ký trao đổi ion
17
Ứng dụng để tách các ion
Ứng dụng để tách các ion

Phương pháp đơn giản nhất để tách các ion là hấp thụ các cấu tử của hỗn hợp bằng axit sau đó tiến hành rửa
giải các cấu tử bằng các dung dịch thích hợp.
Ví dụ:

Tách các kim loại kiềm trong hỗn hợp

Tách các lantanit bằng cột cationit dạng R-H ứng dụng trong công nghiệp chế biến các nguyên tố đất
hiếm.

Tách các đồng vị như tách 14N và 15N trên nhựa cationit dạng sunfonic dưới dạng cation NH4
+

Làm sạch các ion vô cơ trong nước thiên nhiên hay trong dung dịch muối để thu được nước tinh khiết

Xử lý làm mềm nước cứng.

18
Ứng dụng trong xử lý làm mềm nước cứng
Ứng dụng trong xử lý làm mềm nước cứng
Sử dụng một loại nhựa có chứa ion Na
+
liên kết với một cation (ion âm) khác, cation đó có khả năng liên kết với
Ca
2+
và Mg
2+
mạnh hơn Na
+
. Khi cho nhựa vào cột trao đổi ion và cho nước cần xử lý chảy qua cột, cation có
trong nhựa sẽ liên kết với các ion Ca

2+
và Mg
2+
và giữ chúng lại trong cột, đồng thời sẽ giải phóng Na
+
vào nước,
nhằm loại bỏ ion Ca
2+
và Mg
2+
có trong nước uống, giúp nước “mềm” hơn.
Tiếp tục xử lý bằng cách cho nước chảy qua cột trao đổi ion với nhựa chứa H
+
(sẽ loại bỏ được cation) và sau
đó qua cột có nhựa chứa ion OH
-
(loại bỏ các anion). H
+
và OH
-
sau đó sẽ kết hợp với nhau tạo thành nước (H
2
O).
19
Ứng dụng trong xử lý làm mềm nước
20
Hình ảnh minh họa quá trình làm mềm nước
Ứng dụng chế tạo màng trao đổi ion
Ứng dụng chế tạo màng trao đổi ion
Ứng dụng quan trọng khác là việc chế tạo màng mỏng có tính chất trao đổi ion vừa là một màng bán thấm.

Màng trao đổi ion có tính chọn lọc:
Màng cationit chỉ để cho thấm cation
Màng anionit chỉ để thấm anion
Các màng trao đổi ion có chiều dày từ 0.1mm và 0.2mm và có lỗ phút (với đường kính từ 1 đến 2 phần triệu
của một milimet). Những màng này có đặc tính hữu dụng cho phép sự di chuyển của các ion như Na
+
, Cl
-
, Ca
2 +
và
Mg
2 +.
Màng trao đổi ion được rộng rãi được sử dụng trong sản xuất dược phẩm và thực phẩm.

.
21
Nguyên tắc : dựa trên việc tách điện ion tích cực như các ion natri, magiê, canxi và
điện ion tiêu cực như các ion clorua
Ưu điểm: làm giàu hàm lượng muối trong nước biển, giá thành sản xuất thấp.
Công nghệ sản xuất muối ăn bằng phương pháp điện thẩm
22
Quy trình sản xuất muối nhờ phương pháp điện thẩm
Quy trình sản xuất muối nhờ phương pháp điện thẩm
Bể muối có các màng trao đổi anion và cation lắp xen kẽ.
Khi áp điện thế lên vào bể, natri tích cực, magiê và các ion canxi di
chuyển đến các điện cực âm; ngược lại, các ion âm, như các ion clorua, di
chuyển đến điện cực dương .
Chuyển ion dương như các ion natri bị ngăn chặn bởi các màng trao
đổi cation và ion âm như ion clorua được đẩy lùi bởi các màng trao đổi

anion. Kết quả được nước muối mặn cao (C%=15% đến 20%) và nước
muối mặn thấp (với C%=2%) đang bị mắc kẹt giữa các cặp xen kẽ của
màng.
Muối được chuyển giao cho một hệ thống bốc hơi,nước muối mặn thấp
được trả về với biển.
23
Ứng dụng tách protein
Ứng dụng tách protein
Các phân tử protein được phân lập dựa trên điện tích ion hóa bề mặt của chúng bằng việc sử dụng pha tĩnh là
các hạt mang các nhóm chức tích điện âm hoặc dương. Các phân tử protein tương tác với các hạt sẽ được hồi lưu
khi sử dụng một dung dịch mẫu loãng chảy qua cột sau đó.
Các phân tử tương tác với pha động càng mạnh, càng cần dung dịch muối cao để hồi lưu mẫu (muối làm trung
hòa các điện tích), vì vậy cho phép các protein được giải phóng ra khỏi cột.
24
Tài liệu tham khảo
[1]. Amersham,10
[2].Makoto Takagi, Các phương pháp phân tích trong hóa học,65-69,2010.
[3]. GS.TSKH.Từ Văn Mạc, Phân Tích Hóa Lý Phương Pháp Phổ Nghiệm Nghiên Cứu Cấu Trúc Phân Tử, NXB Khoa Học
Và Kỹ Thuật, 150-159
25