3.3. Ионообменная хроматография как классический и высокоэффективный метод

В основе ионообменной хроматографии лежит динамический процесс замещения ионов, связанных с неподвижной фазой, на ионы элюента, попадающие в колонку. Основная цель этого вида хроматографии – разделение неорганических и органических ионов с зарядом одного и того же знака.

3.3.1. Классическая ионообменная хроматография Неподвижные фазы

В качестве неподвижных фаз в ионообменной хроматографии используются различные ионообменники.

Ионообменниками (ионитами) называют электролиты, у которых один ион является полимерным макроионом, а ионы противоположного знака могут обмениваться на ионы, находящиеся в растворе.

По химическому строению ионообменник представляет собой полимер (полимерную матрицу), в составе которого имеются ионогенные функциональные группы. Полимерная матрица может быть неорганической или органической. Наибольшее практическое применение имеют ионообменники органической природы, главным образом, сополимеры стирола с дивинилбензолом.

В зависимости от характера ионогенных групп, ионообменники подразделяются на катионообменники, анионообменники и амфотерные ионообменники:

Катионообменники содержат в своей структуре ионогенные группы кислотного характера, анионообменники – основного. В состав амфотерных ионообменников входят и кислотные, и основные группы. Ионообменники, имеющие только один тип функциональных групп (например, только –SO₃H), называются монофункциональными. Ионообменники, в состав которых входит более одного типа ионогенных функциональных групп (например, -SO₃H и –OH), называются полифункциональными.

В зависимости от силы кислотных групп, входящих в состав катионообменников, различают сильнокислотные, среднекислотные и слабокислотные катионообменники.

Уравнение ионного обмена с участием сильнокислотного катионообменника имеет следующий вид:

или в упрощенной форме:

В рассматриваемом случае катионит состоит из матрицы R (полимерной смолы) и ионогенной группы –SO₃^-H⁺. Отрицательно заряженные группы –SO₃^- прочно связаны ковалентной связью с матрицей, и в условиях ионного обмена отщепляться не могут. Напротив, противоионы – положительно заряженные катионы водорода Н⁺, могут отщепляться от исходной ионогенной группы и обмениваться на катионы металла М⁺, которые переходят в фазу сорбента и удерживаются в ионогеной группе –SO₃^-М⁺. В целом осуществляется катионный обмен, при котором катионы металла М⁺, ранее входившие в состав подвижной фазы, остаются на катионите, а катионы водорода Н⁺ переходят в раствор и уносятся подвижной фазой.

Аналогично катионообменникам, анионообменники также подразделяют на сильноосновные, среднеосновные и слабоосновные:

Ионообменное равновесие с участием сильноосновного анионообменника записывается следующим образом:

или

Торговые названия наиболее часто применяемых ионообменников приведены в таблице 5.

Таблица 5	Основные типы ионообменников и их торговые названия
Тип ионообменника		Ионообменная группа	Торговая марка
Катионообменники
Сильнокислотные		Сульфогруппа	КУ–1, КУ–2, Dowex 50; Amberlite IR 120; Ionac CGC-240; Rexyn 101; Permutit Q
Слабокислотные		Карбоксильная группа	КБ–2, КБ–4, Amberlite IRC 50; Ionac CGC-270; Rexyn 102; Permutit H-70
Анионообменники
Сильноосновные		Четвертичное азотистое основание	АВ–17, АВ–18, Dowex 1; Amberlite IRA 400; Ionac AGA-542; Rexyn 201; Permutit S-1
Слабоосновные		Аминогруппа	АН–23, Dowex 3; Amberlite IR 45; Ionac AGA-316; Rexyn 203; Permutit W

КУ – катионит универсальный, КБ – катионит буферный, АВ – анионит высокоосновный, АН – анионит низкоосновный.

Каждый ионообменник характеризуется ионообменной емкостью, которая представляет собой число функциональных групп, способных к ионному обмену в единице массы сухого или в единице объема набухшего ионообменника. На практике ионообменную емкость выражают количеством моль эквивалентов обменивающихся ионов на 1 г сухого или 1 мл набухшего ионообменника в Н- или ОН-форме при определённых условиях. Ионообменная емкость для большинства ионообменников находится в пределах 3 – 7 ммоль/г.

Важной характеристикой ионообменника является степень поперечной сшивки, которую обычно выражают в виде процентного содержания дивинилбензола (ДВБ) в полимерной матрице. Содержание дивинилбензола может варьировать в пределах 2 – 24%, однако чаще всего применяют ионообменники с содержанием ДВБ 4 – 10%. Варьируя степень поперечной сшивки, можно получать ионообменники с различной селективностью. Так материалы низкой и средней пористости используют для разделения низкомолекулярных ионов, в то время как высокопористые – для ионов с большими молекулярными массами. Увеличение содержания ДВБ увеличивает механическую прочность, но при этом уменьшает пористость и способность к набуханию, а также растворимость ионообменных смол.