交换容量
化学领域术语
交换容量是离子交换剂能够交换的离子量,反映其与溶液中离子交换的能力。总交换容量由离子交换剂自身性质决定,有效交换容量则受实验条件制约,实际操作中通常指后者。根据应用场景可分为总交换容量、工作交换容量和再生交换容量。
影响因素
影响交换容量的因素很多,主要可以分为两个方面,一方面是离子交换剂颗粒大小、颗粒内孔隙大小以及所分离的样品组分的大小等的影响。这些因素主要影响离子交换剂中能与样品组分进行作用的有效表面积。样品组分与离子交换剂作用的表面积越大当然交换容量越高。
一般离子交换剂的孔隙应尽量能够让样品组分进入,这样样品组分与离子交换剂作用面积大。分离小分子样品,可以选择较小孔隙的交换剂,因为小分子可以自由的进入孔隙,而小孔隙离子交换剂的表面积大于大孔隙的离子交换剂。对于较大分子样品,可以选择大颗粒交换剂,因为对于很大的分子,一般不能进入孔隙内部,交换只限于颗粒表面,而小颗粒的离子交换剂表面积大。本文来自:博研联盟论坛
另一些影响因素如实验中的离子强度、pH值等主要影响样品中组分和离子交换剂的带电性质。一般pH对弱酸弱碱型离子交换剂影响较大,如对于弱酸型离子交换剂在pH较高时,电荷基团充分解离,交换容量大,而在较低的pH时,电荷基团不易解离,交换容量小。同时pH也影响样品组分的带电性。尤其对于蛋白质等两性物质,在离子交换层析中要选择合适的pH以使样品组分能充分的与离子交换剂交换、结合。一般来说,离子强度增大,交换容量下降。实验中增大离子强度进行洗脱,就是要降低交换容量以将结合在离子交换剂上的样品组分洗脱下来。本文来自:博研联盟论坛
测定方法
离子交换剂的总交换容量通常以每毫克或每毫升交换剂含有可解离基团的毫克当量数(meq/mg或meq/ml)来表示,膨润土等粘土矿物常采用mmol/100克干粘土为单位(基于钡粘土法测定数据)。通常可以由滴定法测定。阳离子交换剂首先用HCl处理,使其平衡离子为H+。
再用水洗至中性,对于强酸型离子交换剂,用NaCl充分置换出H+,再用标准浓度的NaOH滴定生成的HCl;对于弱酸型离子交换剂,用一定量的碱将H+充分置换出来,再用酸滴定,计算出离子交换剂消耗的碱量。
阴离子交换剂的交换容量也可以用类似的方法测定,如COF-xQA膜的测试离子交换容量与通过化学结构计算的理论结果相近。
应用领域
超低离子交换容量膜(10^-2 meq/g级)通过卟啉基团自组装形成螺旋纳米通道,面密度达1011cm-1的离子通道实现高选择性和通量,应用于燃料电池和盐差电池领域。二茂铁氧化聚合膜通过控制部分氧化程度平衡导电性、机械强度及尺寸稳定性,其离子交换容量参数已在工业化应用中得到验证。COF-SDQA膜通过调控阳离子基团密度实现259 mS cm–1的氯离子传导率,氢氧根离子传导率达到文献最高值,应用于新型能源存储系统。
表示方法
对于一些常用于蛋白质分离的离子交换剂也通常用每毫克或每毫升交换剂能够吸附某种蛋白质的量来表示,一般这种表示方法对于分离蛋白质等生物大分子具有更大的参考价值。实验前可以参阅相应的产品介绍了解各种离子交换剂的交换容量。
性能平衡机制
离子交换容量与材料尺寸稳定性呈现反向关系。研究表明,当离子交换容量增加时(如COF-xQA膜中离子交换容量从2.05提升至3.09 mmol/g),材料溶胀程度显著加剧,导致机械强度下降。这一现象在氧化石墨阳离子交换过程中尤为明显。然而存在倒U型曲线现象,如COF-SDQA膜在中等离子交换容量值(2.73 mmol/g)时表现出259 mS/cm的氯离子传导率峰值,优于低离子交换容量和高离子交换容量材料。
活性基团亲水性引发双重效应:高离子交换容量材料(如常规2-3mmol/g膜)虽提升导电性,但过量亲水基团会增大溶胀度,导致膜结构疏松化(如蒙脱石在150 mmol/100g时强度骤降),进而削弱选择透过性。氢键网络可突破离子交换容量限制,如Z-S-20膜通过二苯并噻吩构建氢键,在仅~10-2meq/g的极低离子交换容量下仍实现高电导率;类似地,卟啉自组装螺旋通道通过超高通道密度(1011/cm)弥补基团含量不足。
参考资料
粘土阳离子交换容量的测定.东南大学.2020-11-24
离子交换树脂交换容量是什么?.罗门哈斯树脂.2019-11-09
第20章 离子交换法-1.m.renrendoc.com.2022-05-25
最新修订时间:2025-12-05 14:53
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