離子交換膜的電導率測定

『壹』 離子交換色譜法的原理、裝置及應用是什麼

原理：
離子交換色譜（ion
exchange
chromatography，IEC）以離子交換樹脂作為固定相，樹脂上具有固定離子基團及可交換的離子基團。當流動相帶著組分電離生成的離子通過固定相時，組分離子與樹脂上可交換的離子基團進行可逆變換。根據組分離子對樹脂親合力不同而得到分離。
裝置：
（1）分離柱
裝有離子交換樹脂，如陽離子交換樹脂、陰離子交換樹脂或螯合離子交換樹脂。為了減小擴散阻力，提高色譜分離效率，要使用均勻粒度的小球形樹脂。最常用的陽離子交換樹脂是在有機聚合物分子（如苯乙烯－二乙烯基苯共聚物）上連接磺酸基官能團（─SO3─）。最常用的陰離子交換劑是在有機聚合物分子上連接季銨官能團(─NH4)。這些都是常規高交換容量的離子交換樹脂，由於它們的傳質速度低，使柱效和分離速度都低。C.霍瓦特描述了一種薄膜陰離子交換樹脂，它是在苯乙烯－二乙烯基苯共聚物核心上沉澱一薄層陰離子交換樹脂，就象雞蛋有一薄層外皮那樣，離子交換反應只在外皮上進行,因此縮短了擴散的路徑,所以離子交換速度高，傳質快，提高了柱效。同樣，在小顆粒多孔硅膠上塗一薄層離子交換材料也可得到相同類型的樹脂。螯合離子交換樹脂具有絡合某些金屬離子而同時排斥另一些金屬離子的能力，因此這種樹脂具有很高的選擇性。除了離子交換柱外，其他高效液相色譜柱也可用於分離離子。
（2）抑制柱和柱後衍生作用
常用的檢測器不僅能檢測樣品離子，而且也對移動相中的離子有響應，所以必須消除移動相離子的干擾。在離子色譜中，消除(抑制)移動相離子干擾的常用方法有兩種。
①抑制反應，用抑制反應來改變移動相，使移動相離子不被檢測器測出。離子色譜通常使用電導檢測器。在抑制反應中??綞匝衾胱佣?裕?把高電導率移動相的氫氧化物轉變成水,而樣品離子則轉變成它們相應的酸：
NaOH+H+─→Na++H2O
NaX+H+─→HX+Na+
在裝有強酸性陽離子交換樹脂的柱中進行抑制反應，使用一段時間後，這種樹脂就需要再生，很不方便。改用連接有磺酸基(─SO3H)的離子交換膜(陽離子交換膜)或用連接有銨基(─NH4)的離子交換膜(陰離子交換膜)，就可以連續進行抑制反應。例如，陽離子交換膜可使陽離子通過它擴散過去，而陰離子則不能擴散過去。
1981年，T.S.史蒂文斯和斯莫爾等報道了中空纖維抑製法。這種纖維是由陽離子交換膜材料拉制而成。用這種方法不僅不需要再生抑制柱而且減小了峰的加寬，提高了柱效。一種比較新的膜技術是加一電場以加速離子的傳遞，該法與中空纖維法比較，其優點是反應時間短、交換能力高，並且可以用於陽離子和陰離子兩者。
②柱後衍生作用，將從柱子流出的洗出液與對被測物有特效作用的試劑相混合，在一反應器中生成帶色的絡合物（見配位化合物）。對衍生試劑最重要的要求是它們與被測物能生成絡合物，但不與移動相生成絡合物。柱後衍生法能用於測定重金屬離子，所用的衍生試劑有茜素紅S等。
（3）檢測器
分為通用型和專用型。通用型檢測器對存在於檢測池中的所有離子都有響應。離子色譜中最常用的電導檢測器就是通用型的一種。紫外－可見分光光度計是專用型的檢測器，對離子具有選擇性響應。可變波長紫外檢測器與電導檢測器聯用,能幫助鑒定未知峰,分辨重疊峰和提供電導檢測器不能測定的陰離子，如硫化物及亞砷酸中的陰離子的檢測。
在離子色譜中，電導檢測法總是和抑制反應配合使用。這種檢測器對分子不響應，如水、乙醇或者不離解的弱酸分子等。對於電導檢測器，一個重要的條件是溫度要穩定，所以檢測池要放在恆溫箱中，1982年H.薩托設計一種雙示差電導檢測器，消除了溫度變化對檢測的影響，可測定10-9摩爾的陰離子。
應用：
離子色譜主要用於測定各種離子的含量，特別適於測定水溶液中低濃度的陰離子，例如飲用水水質分析，高純水的離子分析，礦泉水、雨水、各種廢水和電廠水的分析，紙漿和漂白液的分析，食品分析，生物體液(尿和血等)中的離子測定，以及鋼鐵工業、環境保護等方面的應用。離子色譜能測定下列類型的離子：有機陰離子、鹼金屬、鹼土金屬、重金屬、稀土離子和有機酸,以及胺和銨鹽等。

『貳』 離子交換膜怎麼判斷

離子交換膜的實質是陰陽離子的電荷守恆。離子膜的一邊反應消耗陰離子就會從另一邊吸收陰離子使電荷守恆,陽離子也是一樣的道理。陰陽離子交換膜的判斷通過兩極反應式判斷你可以先把兩極反應式寫出來，再判斷。

離子交換膜的性能是多方面的,必須根據膜的電化學性能、化學性能和物理力學性能對膜進行綜合評價分析。

一般商品膜常提供以下性能指標:

1、交換容量交換容量是離子交換膜的關鍵參數,其單位為mmol/g。一般交換容量高的膜，選擇透過性好，導電能力也強。但是由於活性基團一般具有親水性，因此當活性基團含量高時，膜內水分與溶脹度會隨之增大，從而影響膜的強度。有時也會因膜體結構過於疏鬆，而使膜的選擇性下降。一般膜的交換容量約為2－3mmol/g。

2、含水量指膜內與活性基團結合的內在水，經每克干膜所含水的克數表示（%）。含水量與其交換容量和交聯度有關。

3、導電性（膜電阻）一般用電導率（ω-1.cm-1）或電阻率（ω.cm）表示，也常用膜面電阻即單位膜面積的電阻（ω.cm2）表示。

4、選擇透過性反映膜對不同離子的選擇透過能力，用離子遷移數（t）和膜的透過度（p）來表示。膜內離子遷移數即某一種離子在膜內的遷移量與全部離子在膜內的遷移量的比值。或者也可用離子遷移所帶電量之比來表示。對於理想的離子交換膜，反離子的遷移數為1，同名離子的遷移數為0.實際上由於各種因素的影響，反離子在膜內的實際遷移可能達到1。

『叄』 《自然·通訊》高氫氧根離子交換能力、高鹼性穩定性聚咪唑離子交換膜

《自然·通訊》高氫氧根離子交換能力、高鹼性穩定性聚咪唑離子交換膜

在高鹼性環境條件下，固態聚合物電解質電化學儲能與轉換裝置相比於酸性環境具有顯著優勢，能夠保證更快的化學反應動力學和採用成本較低的電化學催化劑。氫氧根離子交換聚合物作為鹼性環境下固態聚合物電解質器件的關鍵組成，其性能至關重要。然而，能夠在高腐蝕性介質中長久穩定且可導通氫氧根離子的聚合物電解質材料極為稀缺，原因在於帶有陽離子基團的這類聚合物在高腐蝕性條件下往往表現出弱鍵特性，本質上缺乏穩定性。

針對這一挑戰，以色列理工大學的Dario R. Dekel教授和Charles E. Diesendruck教授聯合加拿大西蒙弗雷澤大學的Barbara J. Frisken教授，在《自然·通訊》上發表了題為「Poly(bis-arylimidazoliums) possessing high hydroxide ion exchange capacity and high alkaline stability」的研究論文。該研究報道了關於新型芳香基咪唑和雙芳香基咪唑化合物的系統性研究，旨在探索在強腐蝕性條件下維持高效離子交換能力（IEC）的同時，使脫烷基降解反應最小化的方法。

研究重點：

• 合成與表徵：研究者通過對不同烷基側鏈的咪唑進行烷基化反應，合成了多種咪唑和雙咪唑陽離子，並詳細考評了它們在腐蝕性介質中的穩定性。
• 降解路徑研究：新合成了六種咪唑模型化合物（9-14），這些化合物在C2位置具有空間保護基團，並在N1/N3咪唑位上有不同的烷基側鏈。研究揭示了側鏈長鏈烷基有利於抑制咪唑的脫烷基化，從而提高了聚合物的穩定性。
• DFT分析：對模型化合物進行了密度泛函理論（DFT）分析，從化合物靜電勢（ESP）分布和分子能級軌道（HOMO和LUMO）來預測與驗證材料的相關性能，為設計高性能的聚咪唑氫氧根離子交換膜提供了理論依據。

主要發現：

• 高穩定性：研究結果顯示，通過優化陽離子官能團，可以得到具有高交換能力和高穩定性的聚咪唑氫氧根離子交換膜。這些膜在強鹼性條件下表現出優異的穩定性，能夠長時間維持其性能。
• 離子電導率：所合成的聚咪唑離子交換膜表現出良好的離子電導率，這得益於其高效的離子交換能力和優化的分子結構。
• 電化學性能：作為原理證明，這些聚合物在相關電化學器件（如燃料電池和電解水裝置）中表現出良好的熱穩定性和電化學穩定性，驗證了其在實際應用中的潛力。

圖片展示：

綜上所述，該研究通過系統的分子設計、合成與表徵，成功制備了具有高氫氧根離子交換能力和高鹼性穩定性的聚咪唑離子交換膜。這些膜在電化學儲能與轉換裝置中具有廣闊的應用前景，為固態聚合物電解質器件的發展提供了新的材料選擇和技術支持。

『肆』 超級干貨！一文解讀離子色譜的基本原理

離子色譜的基本原理

離子色譜儀是高效液相色譜的一種，又稱高效離子色譜(HPIC)或現代離子色譜。其基本原理主要基於離子交換色譜柱色譜技術，通過特定的淋洗液系統、檢測系統、色譜泵系統、進樣系統、流路系統、分離系統、化學抑制系統以及數據處理系統等組成，實現對樣品中離子的高效分離和檢測。

一、離子色譜的基本構成

離子色譜儀的基本構成主要包括以下部分：

• 淋洗液系統：提供分析所需的淋洗液，常用陰離子分析淋洗液有OH根體系和碳酸鹽體系等，常用陽離子分析淋洗液有甲烷磺酸體系和草酸體系等。淋洗液的一致性是保證分析重現性的基本條件。
• 檢測系統：最常用的檢測器是電導檢測器，其次是安培檢測器。電導檢測器主要用於檢測無機陰陽離子、有機酸和有機胺等；安培檢測器則主要用於檢測具有氧化還原特性的物質。
• 色譜泵系統：用於輸送淋洗液，通常採用全PEEK材質以避免化學腐蝕。
• 流路系統：採用色譜專用管路、接頭等連接部件，保證全塑無污染溶出。
• 分離系統：包括預柱、保護柱和分析柱，用於有效分離樣品組分。
• 化學抑制系統：降低背景電導，提高檢測靈敏度，是離子色譜的核心部件之一。
• 進樣系統：將常壓狀態的樣品切換到高壓狀態下的部件，保證每次工作狀態的重現性。
• 數據處理系統：完成數據處理，聯通儀器。

二、離子色譜的工作原理

離子色譜的工作原理主要基於離子交換和電化學檢測。在高壓輸液泵的作用下，淋洗液以穩定的流速輸送至分析體系。樣品通過進樣器導入後，被淋洗液帶入色譜柱。在色譜柱中，各組分根據其在固定相和流動相之間的分配系數不同而被分離。分離後的組分依次隨流動相流至檢測器。

對於抑制型離子色譜，在電導檢測器之前增加一個抑制系統。抑制器利用離子交換膜或電解自再生膜等原理，降低流動相背景電導，從而提高檢測靈敏度。然後將流動出物導入電導池，檢測到的信號送至數據處理系統記錄、處理或保存。

三、離子色譜的檢測技術

• 電導檢測：基於極限摩爾電導率應用的檢測器，主要用於檢測無機陰陽離子、有機酸和有機胺等。電導檢測器有多種類型，如雙極脈沖檢測器、四極電導檢測器和五極電導檢測器等，以提高測量穩定性和降低雜訊。
• 安培檢測：基於測量電解電流大小為基礎的檢測器，主要用於檢測具有氧化還原特性的物質。安培檢測器有多種檢測模式，如直流安培檢測模式、脈沖安培檢測模式和積分脈沖安培檢測模式等，以適應不同物質的檢測需求。

四、離子色譜的工作流程

離子色譜的工作流程包括開機前的准備、開機、樣品分析、數據處理和關機等步驟。在開機前，需要配置所需淋洗液和再生液，並檢查儀器各部件的連接情況。開機後，依次打開各部件電源，並啟動儀器進行基線穩定。待基線穩定後，可進行樣品分析。樣品分析包括建立程序文件、方法文件和樣品表文件，然後加樣品到自動進樣器或手動進樣。分析完成後，進行數據處理，包括建立標准曲線和列印分析報告等。最後關閉儀器和電源。

五、離子色譜的應用

離子色譜具有高效、靈敏、准確等優點，在環境監測、水質分析、食品檢測、醫葯分析等領域有廣泛應用。例如，在水質分析中，離子色譜可用於檢測水中的陰陽離子、有機物和無機物等；在食品檢測中，可用於檢測食品中的添加劑、營養成分和有害物質等；在醫葯分析中，可用於檢測葯物中的離子成分和雜質等。

綜上所述，離子色譜是一種高效、靈敏、准確的離子分析技術，其基本原理基於離子交換和電化學檢測。通過特定的儀器系統和操作流程，離子色譜可實現對樣品中離子的高效分離和檢測，在多個領域有廣泛應用。