新型離子交換纖維材料的應用研究進展

發布時間：2020-12-14所屬分類：科技論文瀏覽：1次

摘 要： 摘要：離子交換纖維是一類具有吸附分離作用的功能材料，纖維上的活性中心主要包括酸性、堿性、螯合等功能基團，可與帶化學電荷的目標離子進行交換[1]。離子交換纖維的表面積大，直徑小，具有明顯的動力學性能，如遷移距離短、吸附速率快、離子去除率高等。本

　　摘要：離子交換纖維是一類具有吸附分離作用的功能材料，纖維上的活性中心主要包括酸性、堿性、螯合等功能基團，可與帶化學電荷的目標離子進行交換[1]。離子交換纖維的表面積大，直徑小，具有明顯的動力學性能，如遷移距離短、吸附速率快、離子去除率高等。本文對新型離子交換纖維材料的應用研究進展進行分析，以供參考。

　　關鍵詞：離子交換纖維;材料應用;研究進展

　　引言

　　我國對離子交換纖維的研究開始于20世紀60年代，中山大學制備了各類性能很好的離子交換材料，如強弱酸性離子交換材料、中空離子交換材料、半碳化離子交換材料等，由于離子交換纖維具有吸附-解脫速度快、滲透壓穩定性高、外比表面積大、傳質距離短等優勢，而且在凈化廢水的同時還能實現金屬的資源化回收，近年來在重金屬廢水治理方面得到了很好的應用。

　　1PAN基弱堿性離子交換纖維的表征

　　1.1熱重分析

　　對PAN纖維和改性纖維進行熱穩定分析，相較于PAN纖維失重，改性纖維在100℃多了一個失重峰，這是由于纖維吸附水的熱脫附引起的。改性纖維從200到500℃有一個大的失重峰，這是由多胺基團的熱分解造成的。500℃之后是纖維骨架高溫碳化造成的緩慢失重。在800℃時，PAN纖維總失重率約為60%，改性纖維總失重率約為80%�？梢钥闯觯�相比于PAN纖維，接枝改性后的纖維，穩定性稍有下降，但是改性所接枝的官能團在溫度達到200℃以上才開始分解，纖維骨架在500℃才緩慢分解，這說明改性纖維具有很好的熱穩定性。

　　相關期刊推薦：《化工技術與開發》(月刊)創刊于1972年，由廣西化工研究院主辦。是面向石油化工行業科技、技術工作者的省級技術刊物。旨在推廣石油化工行業生產新技術、科技新理念，交流生產新經驗，為廣大科研工作者和一線生產人員提供技術交流平臺，推動石油化工行業技術進步。

　　1.2影響土壤中Pb吸收和吸附的因素

　　食物是否被吸收到同一個重金屬中主要取決于土壤和植物種類的合理特性[15]。當重金屬進入土壤時，會產生一系列影響金屬有效性和分散性的合理化反應，只有可溶、可交換等離子體細胞才能直接被植物吸收。Ph值、有機組織、碳酸含量、氧氣供應等的變化可能會影響土壤中重金屬的有效濃度。重金屬降低了土壤中微生物的大小。土壤微生物只能在6.5-7.5 ph的環境中移動。Ph值越高，土壤越鈍于重金屬顆粒，使更多金屬附著于土壤，降低土壤重金屬的生物性質，從而減少重金屬對植物的不利影響。土壤在小麥營養中的價值雖然略有變化，但始終保持在8.3-8.7的范圍內，部分降低了土壤中重金屬的生物性質，進而影響土壤酶的營養轉化和動態，從而降低土壤質量。等離子體交換纖維通過其豐富的器官連接生物上有效的重金屬分子。本研究通過吸收一定數量的Pb離子交換纖維提高了小麥成熟程度，從而減少了Pb對小麥的流量，進一步減少了Pb在顆粒中的積累。也就是說離子交換纖維對土壤中的石油燈有一定的吸引力，土壤中的石油化學比土壤中的纖維更好地結合了土壤中的三層纖維。

　　2新型離子交換纖維材料的應用研究

　　2.1空氣凈化防護

　　工業生產過程中，不可避免地會產生二氧化硫、氟化氫、氨和氮氧化物等氣體污染物。近年來，離子交換纖維材料在空氣凈化和保護方面也發揮了重要作用。合成設計了一種對二氧化碳具有良好吸附效果的聚丙烯基多胺纖維材料，室溫條件下，胺基官能團的利用率為88.2%，最高吸附容量為5.64mmol·g-1。分別將3種弱酸性、強酸性、強堿性離子交換纖維用于汽車尾氣中顆粒粉塵的去除，3種材料對PM2.5均有明顯的捕集能力，其中弱酸性離子交換纖維的捕集率最高為87.5%。針對空氣中的HF、SO2、HCl等酸性污染物的去除做了大量的工作，研究發現，FFA-1型離子交換纖維對酸性氣體具有良好的耐酸、抗氧化性能，在不同濕度環境中均發揮了優異的去除性能。以FibanAK-22弱堿性纖維為吸附劑，設計了一套凈化空氣中的酸性介質的設備，研究了空氣流速、酸性介質HCl的濃度等因素對該設備吸附HCl尾氣的影響，結果表明，吸附過程中存在著強鍵和弱鍵兩種作用方式。

　　2.2食品脫色及醫藥分離

　　離子交換纖維在中藥有效成分的提取、純化等方面也有較多的文獻報道。將強堿性離子交換纖維用于溶液中葛根素的提取，通過靜態吸附和柱吸附實驗，確定了最佳的工藝方案，難溶性藥物與離子交換纖維的復合物起到了改善難溶性藥物溶出度的作用。通過研究聚乙烯醇陽離子交換纖維的載藥釋藥機制，發現離子交換纖維由于其獨特的表面結構，可有效提高載藥和釋藥的速度，改善難溶性藥物的溶出度，是一種比較理想的藥物輔料。紅霉素工業生產中的發酵液需要進行脫色處理，以保證產品質量和純度。采用一種聚丙烯基強堿性陰離子交換纖維對紅霉素發酵液進行脫色，考察了脫色時間、pH值等因素對脫色性能的影響，在適宜的操作條件下，脫色率可達80%以上，并且紅霉素的損耗率不高于1.5%，有效保證了產品質量。

　　3離子交換纖維制備進展

　　3.1纖維素基纖維

　　纖維素是一種大分子多糖,廣泛存在于天然植物當中。纖維素纖維主要是以木材、甘蔗渣等天然植物為原料,經溶解后紡成纖維。纖維素纖維是最早用于離子交換纖維開發的纖維基質。采用棉纖維基質與甲基咪唑類離子液體加熱反應,制得弱咪唑基功能纖維,纖維對六價鉻的吸附容量可達196.1mg/g。利用纖維素纖維在堿性條件下與環氧氯丙烷反應,得到環氧纖維素纖維。在此基礎上,進一步與環糊精反應制備了螯合纖維,纖維對Cu2+的最大吸附量為6.24mg/g。利用粘膠纖維經化學引發接枝丙烯酰胺,在三乙烯四胺溶液中最終反應制得多胺功能纖維,對二氧化碳有良好的富集性能,吸附量為4.08mmol/g。

　　3.2聚丙烯腈基纖維

　　聚丙烯腈纖維是一種傳統的化學合成纖維,常用于家紡行業。其價格低廉,并具有良好的親水性能。聚丙烯腈纖維富含腈基官能團,該結構可以與多種化學試劑發生反應。在4wt%氫氧化鈉乙醇混合溶液中浸泡聚丙烯腈纖維,通過水解反應得到富含羧基的功能纖維,在研究過程中發現部分腈基可以水解成酰胺基,最終形成多嵌段共聚物。用工業腈綸與聚乙烯多胺在反應器中反應,制備了多種結構相似的多胺離子交換纖維,纖維全交換容量最高為10.0mmol/g,對二氧化硫氣體具有良好的富集性能。在酸性條件下水解腈綸后,與氯化亞砜反應形成酰氯,然后在室溫下與亞氨基二乙酸反應制得亞氨基二乙酸螯合纖維,對Nd3+具有良好的吸附性能。

　　3.3新型纖維材料

　　近年來,隨著紡織技術的快速發展,一些新型工程纖維開始用于離子交換功能纖維開發。聚四氟乙烯纖維是一種性能優良的工程材料,常用于高溫、強腐蝕等特殊領域。在聚四氟乙烯纖維基質上輻照接枝甲基丙烯酸縮水甘油酯,然后與聚乙烯亞胺反應制得弱堿性離子交換纖維,其對膽紅素具有良好的吸附能力。聚苯硫醚(PPS)纖維是一種新型特種塑料纖維。分子主鏈由苯環和硫原子交替組成。聚苯硫醚纖維含有豐富的苯環單元,可以直接功能化得到各種離子交換纖維。以聚苯硫醚纖維為基體,經氯甲基化反應后,與N-甲基咪唑加熱制得含有咪唑基的弱堿性功能纖維。玻璃纖維是一種無機非金屬材料,主要由玻璃球經高溫熔融紡絲而成。具有耐腐蝕性好、耐熱性強、機械強度高等優點。在玻璃纖維材料的表面噴涂聚乙烯亞胺,制得亞胺型功能纖維,該材料對蒸汽中的CO2氣體具有較好的凈化能力。

　　結束語

　　綜上所述，離子交換纖維是一種新型的吸附材料，具有較大的比表面積和豐富的表面官能團、傳質距離短、吸附與解吸速度快等特點，近年來被廣泛用于水體等物質中金屬離子、有機酸、氣體的吸附，但目前尚未見有將其用來吸附土壤重金屬的研究報道。——論文作者：繆永成 李朋