一、基本原理 離子交換層析法 （ion exchange chromatography，簡稱IEC）是從復雜的混合物中，分離性質相似大分子的方法之一，依據的原理是物質的酸堿性、極性，也就是所帶陰陽離子的不同。電荷不同的物質，對管柱上的離子交換劑有不同的親和力，改變沖洗液的離子強度和pH值，物質就能依次從層析柱中分離出來。 離子交換層析法大致分為5個步驟： 1. 離子擴散到樹脂表面。 2. 離子通過樹脂擴散到交換位置。 3. 在交換位置進行離子交換；被交換的分子所帶電荷愈多，它與樹脂的結合愈緊密，也就愈不容易被其它離子取代。 4. 被交換的離子擴散到樹脂表面。 5. 沖洗液通過，被交換的離子擴散到外部溶液中。 離子交換樹脂的交換反應是可逆的，遵循化學平衡的規律，定量的混合物通過管柱時，離子不斷被交換，濃度逐漸降低，幾乎全部都能被吸附在樹脂上；在沖洗的過程中，由于連續添加新的交換溶液，所以會朝正反應方向移動，因而可以把樹脂上的離子沖洗下來。 如果被純化的物質是氨基酸類的分子，則分子上的凈電荷取決于氨基酸的等電點和溶液的pH值，所以當溶液的pH 值較低，氨基酸分子帶正電荷，它將結合到強酸性的陽離子交換樹脂上；隨著通過的緩沖液pH逐漸增加，氨基酸將逐漸失去正電荷，結合力減弱，最后被洗下來。由于不同的氨基酸等電點不同，這些氨基酸將依次被洗出，最先被洗出的是酸性氨基酸，如apartic acid和glutamic acid（在約pH3~4時），隨后是中性氨基酸，如glycine和alanine。堿性氨基酸如arginine和lysine在pH值很高的緩沖液中仍帶有正電荷，因此這些在約pH值高達10~11時才出現。 二、樹脂材質 最常見的離子交換樹脂材質是聚苯乙烯-苯二乙烯（polystyrenedivinylbenzene），它是由苯乙烯（styrene）和苯二乙烯（divinylbenzene）聚合產生的三維網狀結構，舉例來說，Dow化學公司所生產的樹脂Dowex 50×8，表示含8%苯二乙烯。 根據交換樹脂的性能，分為陽離子與陰離子交換樹脂。 1. 陽離子交換樹脂 分為強酸型、中強酸型和弱酸型三類，強酸型樹脂含有－R－SO3H，中強酸型樹脂含有－PO3H2、－PO2H2或－O－PO2H2，弱酸型樹脂含有－COOH或－OH。 陽離子交換樹脂進行的反應如下： 2. 陰離子交換樹脂 分為強堿型、中強堿型和弱堿型三類，含有銨鹽，四級銨鹽 [ －N+(CH3)3] 為強堿型樹脂，三級以下銨鹽 [－N(CH3)2]、[ －NHCH3]、[ －NH2] 都屬弱堿型樹脂；同時具有強堿和弱堿型基團的，為中強堿型的樹脂。陰離子交換樹脂進行的反應如下： 除了樹脂以外，纖維素（cellulose）、葡聚糖凝膠（Sephadex gel）和瓊脂糖凝膠（Sepharose）也是常用的離子交換材質，特性是具有親水性和較大的表面積，對生物活性物質而言，是一個較為溫和的環境，同時也是大分子所適用的分離純化材質 。常用的種類如下： 實驗證明，纖維材質對蛋白質和核酸的分離純化效果相當好，因為離子交換纖維的種類多，能依據不同分離目的使用，且功能團基主要在表面，對生物大分子的交換十分有利。 三、離子交換劑的選擇 離子交換劑的選擇，首重保持欲分離物質的生物活性，以及在不同pH值環境中，此物質所帶的電荷和電性強弱。 1. 陰陽離子交換劑的選擇 若被分離物質帶正電荷，例如polymyxin、 cytochrome C這些堿性蛋白質，它們在酸性溶液中較穩定，親和力強，故采用陽離子交換劑；其它像heparin、nucleic acid這類酸性物質，在堿性溶液中較穩定，則使用陰離子交換劑；如果欲分離的物質是兩性離子，一般考慮在它穩定的pH范圍帶有何種電荷，作為交換劑的選擇。以胰島素（insulin）為例，它的等電點為pH 5.3，因此在pH5.3的堿性溶液中，使用陰離子交換劑。 簡言之，已知等電點的物質，在高于等電點的pH條件下，因帶有負電荷，應采用陰離子交換，在低于等電點的pH下，則采用陽離子交換。未知等電點的物質，在一定pH條件下進行電泳，向陽極移動較快的物質，在同樣條件下可被陰離子交換劑吸附，向陰極移動較快的物質可被陽離子交換劑吸附。 2. 緩沖液的選擇 緩沖液酸堿度的選擇，決定于被分離物質的等電點、穩定性、溶解度和交換劑離子的pK值。使用陰離子交換纖維時要選用低于pK值的緩沖液，若欲分離的物質屬于酸性，則緩沖液的pH值要高于該物的等電點；用陽離子交換纖維時要選用高于 pK值的緩沖液，目的物屬于堿性物質的話，緩沖液要低于該物等電點的pH值。 緩沖液離子以不干擾分離物活性測定、不影響待測物溶解度、不發生沉淀為原則，如使用UV吸收法測樣品，那么pyridine或barbital這類會吸收UV的物質就不適用。 四、離子交換樹脂的前處理 離子交換樹脂使用前，先以蒸餾水除去其內之雜質 ，并以NaOH和HCl處理樹脂，使其上的官能基完全露出。陰離子交換樹脂先以15倍于樹脂量的0.5 N HCl 浸泡30~120分鐘，再以水清洗至pH 7.0，之后用0.5 N NaOH浸泡30~120分鐘，同樣以水清洗至pH 7.0，最后用欲使用的緩沖液浸泡。陽離子交換樹脂用15倍于樹脂量的0.5 N NaOH浸泡30~120分鐘，以水清洗至pH 7.0，之后用0.5 N HCl 浸泡30~120分鐘，再以水清洗至pH 7.0，最后用欲使用的緩沖液浸泡。

離子交換法是一種借助于離子交換劑上的離子和廢水中的離子進行交換反應而除去廢水中有害離子的方法。離子交換是一種特殊吸附過程，通常是可逆性化學吸附；其特點是吸附水中離子化物質，并進行等電荷的離子交換。

離子交換劑分無機的離子交換劑如天然沸石，人工合成沸石，及有機的離子交換劑如磺化煤和各種離子交換樹脂。

在應用離子交換法進行水處理時，需要根據離子交換樹脂的性能設計離子交換設備，決定交換設備的運行周期和再生處理。通過本實驗希望達到下述目的：

1) 加深對離子交換基本理論的理解；學會離子交換樹脂的鑒別；

2) 學會離子交換設備操作方法；

3) 學會使用手持式鹽度計，掌握pH計、電導率儀的校正及測量方法。

二、實驗內容和原理

由于離子交換樹脂具有交換基因，其中的可游離交換離子能與水中的同性離子進行等當量交換。 用酸性陽離子交換樹脂除去水中陽離子，反應式如下：

nRH + M+n → RnM + nH+

M――陽離子 n――離子價數

R――交換樹脂

用堿性陰離子交換樹脂除去水中的陰離子，反應式如下：

nROH + Y?n → RnY + nOH-

Y――陰離子

離子交換法是固體吸附的一種特殊形式，因此也可以用解吸法來解吸，進行樹脂再生。

本實驗采用自來水為進水，進行離子交換處理。因為自來水中含有較多量的陰、陽離

子，如Clˉ， NH4+，Ca，Mg，Fe，Al，K，Na等。在某些工農業生產、科研、醫療衛生等工作中所用的水，以及某些廢水深度處理過程中，都需要除去水中的這些離子。而采用離子交換樹脂來達到目的是可行的方法。