新型離子交換纖維材料的應(yīng)用研究進展

代立波，馮 韌，趙宏亮

（1.福建工程學(xué)院生態(tài)環(huán)境與城市建設(shè)學(xué)院，福建 福州 350118；2.福建工程學(xué)院化工安全研究所，福建 福州 350118）

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(xué)電荷的目標(biāo)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(xué)性能，如遷移距離短、吸附速率快、離子去除率高等。此外，離子交換纖維材料可以根據(jù)工業(yè)用途設(shè)計成口罩、單絲、網(wǎng)狀等形式。近年來，離子交換纖維已廣泛應(yīng)用于有害物質(zhì)的深度凈化、微量元素的分離、有害氣體的凈化保護等領(lǐng)域。本文對近年來離子交換纖維功能材料在各個領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀進行了分析和總結(jié)，以期為新型功能纖維材料的性能評價提供參考。

1 工業(yè)廢水和微量金屬處理

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，水污染對生態(tài)環(huán)境和人類健康構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，其中重金屬污染是一個不可忽視的問題。近年來，政府有關(guān)部門越發(fā)重視環(huán)境保護，并提出了有效的法律法規(guī)和排放標(biāo)準(zhǔn)。離子交換纖維材料能有效去除水中的鉻、汞、鎂、鈣等重金屬離子，并具有良好的吸附動力學(xué)和吸附能力。Bouchoum 等[2]利用一種新型的聚丙烯腈基偕胺肟螯合纖維，對溶液中的六價鉻進行處理，通過靜態(tài)吸附實驗研究，發(fā)現(xiàn)六價鉻的吸附量最高可達32.57mg·g-1，吸附過程符合Langmuir 動力學(xué)模型，并且屬于物理吸附。Nam 等[3]通過柱吸附實驗，考察了聚丙烯腈基多胺離子交換纖維對溶液中六價鉻的吸附性能，最高吸附容量可達242.8mg·g-1，并且纖維再生5 次后性能仍保持良好。實驗中還發(fā)現(xiàn)，纖維中的部分伯胺基被六價鉻氧化為亞胺。Xu 等[4]以一種胺基磷酸螯合纖維為吸附劑，考察其對溶液中汞離子的靜態(tài)吸附性能。研究結(jié)果表明，在其他各種共存離子中，該材料在pH=3～11 范圍內(nèi)對汞離子具有良好的吸附效果，吸附量最高為434mg·g-1。Cui 等[5]評價了一種聚乙烯醇多胺離子交換纖維對溶液中鎳離子的吸附性能，當(dāng)溶液pH 為7.0 時，吸附量為91.03mg·g-1，吸附過程符合準(zhǔn)二級動力學(xué)模型。Deng 等[6]采用一種多胺螯合纖維去除水溶液中的鎘離子和鉛離子，當(dāng)溶液pH=6.4 時，靜態(tài)吸附容量分別為1.47 mmol·g-1、1.01 mmol·g-1，吸附是自發(fā)進行的放熱過程。As(Ⅴ)是一種劇毒的微量金屬離子，姚化杰等[7]利用一種氮甲基咪唑螯合纖維，對溶液中的As(Ⅴ)進行去除，吸附15min 即可達到平衡，砷的殘留濃度低于國家飲用水標(biāo)準(zhǔn)。

近年來，離子交換纖維在工業(yè)廢水處理中的研究也進行得比較多。代立波等[8]設(shè)計了一種多柱串聯(lián)離子交換纖維柱工藝，對電鍍含鉻廢水進行資源化治理。廢水經(jīng)處理后可達標(biāo)排放，纖維經(jīng)80 次循環(huán)再生后，仍保持良好的吸附性能。羅友元等[9]采用一種自制的伯胺基離子交換纖維，對印染廠的活性染料廢水進行治理，脫色率可達90%以上。宋艷陽等[10]考察了一種羧酸基弱酸性離子交換纖維對電鍍含鎳廢水的治理性能，濃度為100～300mg·L-1的含鎳電鍍廢水經(jīng)柱吸附處理后，可達到國家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)。纖維經(jīng)100 次循環(huán)使用后，吸附性能基本保持不變。

此外，離子交換纖維材料也可用于貴金屬和痕量金屬的富集與檢測。Zhang 等[11]通過靜態(tài)吸附實驗，分析氨基咪唑功能纖維對溶液中Au(Ⅲ) 的富集能力，在研究范圍內(nèi)，吸附量最高為130.58mg·g-1，材料用4mol·L-1的鹽酸再生5 次后，性能仍能保持穩(wěn)定。Li 等[12]利用聚苯乙烯弱堿性纖維，從氰化物溶液中浸取Au(Ⅰ)，實驗考察了溶液溫度、濃度等因素對吸附性能的影響，吸附能力為2.8～3.5mmol·g-1。Xing 等[13]設(shè)計了一種對溶液中的Ag+具有高識別能力的變色纖維，銀離子的檢測限為5.53×10-12mol·L-1。

2 空氣凈化防護

工業(yè)生產(chǎn)過程中，不可避免地會產(chǎn)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(fā)揮了重要作用。He 等[14]合成設(shè)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。甄誠等[15]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PM 2.5 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%。原思國等[16]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(fā)現(xiàn)，F(xiàn)FA-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(huán)境中均發(fā)揮了優(yōu)異的去除性能。凌達仁等[17]以Fiban AK-22 弱堿性纖維為吸附劑，設(shè)計了一套凈化空氣中的酸性介質(zhì)的設(shè)備，研究了空氣流速、酸性介質(zhì)HCl 的濃度等因素對該設(shè)備吸附HCl 尾氣的影響，結(jié)果表明，吸附過程中存在著強鍵和弱鍵兩種作用方式。

3 食品脫色及醫(yī)藥分離

離子交換纖維還可用于食品脫色以及中藥有效成分的提取，相關(guān)研究呈熱門的趨勢。脫色是食品工業(yè)中非常重要的環(huán)節(jié)，李明愉等[18]將聚苯乙烯離子交換纖維用于蔗糖青汁的色素脫除，考察了陰陽離子交換纖維的裝填比例對色素脫除率的影響。裝填陰離子交換纖維的脫色效果最好，脫色率為89.15%。徐勇虎等[19]研究了離子交換纖維對菊芋汁的脫色能力，強酸型離子交換纖維與強堿型離子交換纖維按6∶4 體積比混合處理時，脫色性能最佳，比單一強堿型離子交換纖維的色值降低41%。

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。劉廷岳等[20]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(tài)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(fù)合物起到了改善難溶性藥物溶出度的作用。車鑫[21]通過研究聚乙烯醇陽離子交換纖維的載藥釋藥機制，發(fā)現(xiàn)離子交換纖維由于其獨特的表面結(jié)構(gòu)，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(yè)生產(chǎn)中的發(fā)酵液需要進行脫色處理，以保證產(chǎn)品質(zhì)量和純度。陳濤等[22]采用一種聚丙烯基強堿性陰離子交換纖維對紅霉素發(fā)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(chǎn)品質(zhì)量。

4 結(jié)語

近年來，離子交換纖維在廢水處理、空氣凈化等環(huán)保領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，未來可以從以下幾個方面開展研究：1）合理選擇離子交換纖維材料的種類，盡量對目標(biāo)組分具有良好的選擇性吸附性能，以提高其純度；2）進一步優(yōu)化廢水、廢氣等治理工藝，降低處理成本，提高工業(yè)化應(yīng)用的可能性；3）擴大離子交換纖維材料的應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是考慮在附加值高的生物醫(yī)藥方面的應(yīng)用。隨著纖維功能基團及種類的擴展，相信離子交換纖維將會在多個領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。