吸附分離功能高分子

吸附分離功能高分子

吸附分離功能高分子是指與被吸附物質之間有物理或化學作用而發(fā)生暫時或永久性結合，實現(xiàn)物質選擇性分離的一類高分子材料。主要包括離子交換樹脂和吸附樹脂，還包括高分子分離膜材料。概述離子交換樹脂吸附樹脂高分子分離膜帶有可離子化基團的三維網(wǎng)狀高分子材料，一般為顆粒狀，不溶于水和一般酸堿一類多孔性的、高度交聯(lián)的高分子共聚物，具有較大的比表面積和適當?shù)目讖侥芤蕴囟ㄐ问较拗坪蛡鬟f流體物質的分隔兩相或兩部分的界面

發(fā)展簡史1935年英國Adams和Holmes，酚醛樹脂和苯胺甲醛樹脂的離子交換性能的工作報告1944年D’Alelio合成了磺化苯乙烯-二乙烯苯共聚物離子交換樹脂及交聯(lián)聚丙烯酸樹脂Rohm&Hass公司，強堿性苯乙烯系陰離子交換樹脂和弱酸性丙烯酸系陽離子交換樹脂隨著離子交換樹脂的不斷發(fā)展，吸附樹脂應運而生

離子交換樹脂定義和分類離子交換作用合成方法應用

離子交換樹脂是一種可以與接觸的介質進行離子交換的高分子，它本身不溶解于介質中，只有相關的離子與介質交換。定義和分類粒徑0.3～1.2mm

乳白、淡黃、棕褐色等不透明或半明球狀顆粒球形珠狀顆粒，顆粒直徑0.3-1.2mm樹脂的網(wǎng)絡骨架

弱酸性：

不同孔結構離子交換樹脂的模型

透明、均相，表面光滑，球粒內部沒有大的毛細孔。在水中會溶脹成凝膠狀，在干燥條件下或油類中將喪失離子交換功能。外觀不透明，表面粗糙，為非均相凝膠結構，內部存在大量的毛細孔，可在非水體系中起離子交換和吸附作用特殊用途樹脂，主要用作液相色譜的固定相，一般是將離子交換樹脂包覆在硅膠或玻璃珠等表面上制成。

按可交換離子的種類，離子交換樹脂分為陽離子型和陰離子型。能解離出陽離子、并能與外來陽離子進行交換的樹脂稱作陽離子交換樹脂

苯乙烯系強酸性陽離子交換樹脂苯乙烯和二乙烯苯的高聚物經磺化處理得到強酸性陽離子交換樹脂，其結構式可簡單表示為R—SO3H，式中R代表樹脂母體，其交換原理為：2R-SO3H＋Ca2+

(R-SO3)2Ca＋2H+硬水軟化的原理用于：硬水軟化、脫鹽水、純水制備、稀有元素分離、分離和提取氨基酸制糖、制藥可作為催化劑和脫水劑弱酸性酚醛系陽離子交換樹脂

用于：鏈霉素、土霉素、四環(huán)素等抗生素的脫色，氨基酸和糖類的脫色及提純，維生素B12蛋白酶的回收

D201大孔強堿性陰離子

大孔弱堿性丙烯酸系陰離子

弱堿性環(huán)氧系陰離

子樹脂用于純水及高純水制備、糖液脫色、生化制品，放射性元素的提煉主要用于藥物提取，苦咸水凈化處理，糖液除酸脫色，金屬提取等主要用于水處理中除去Cl-、SO4-等離子，檸檬酸等精制中除去無機酸，并可回收銅、銀離子

聚苯乙烯型陽離子交換樹脂的示意圖固定陰離子交換基SO3-二乙烯苯交聯(lián)橋水合水交換離子Na+聚苯乙烯鏈

離子交換樹脂的合成（1）強酸型陽離子交換樹脂的制備

強酸型陽離子交換樹脂絕大多數(shù)為聚苯乙烯系骨架?；腔^程可離子交換功能基團

例：苯乙烯與少量二乙烯基苯共聚，可得到交聯(lián)聚苯乙烯將交聯(lián)聚苯乙烯制成微孔狀小球，再在苯環(huán)上引入磺酸基、羧基、氨基等，可得到各種陽離子交換樹脂：陽離子交換樹脂能夠交換陽離子。例如：

（2）弱酸型陽離子交換樹脂的制備

弱酸型陽離子交換樹脂大多為聚丙烯酸系骨架，可用帶有功能基的

單體直接聚合而成?？呻x子交換功能基團可離子交換功能基團

（3）強堿型陰離子交換樹脂的制備強堿型陰離子交換樹脂主要以季胺基作為離子交換基團，以聚苯乙烯作骨架、將聚苯乙烯系白球進行氯甲基化，然后利用氯甲基的活潑氯，定量地與各種胺進行胺基化反應。第一步：氯甲基化第二步：胺基化

（4）弱堿型陰離子交換樹脂的制備利用羧酸類基團與胺類化合物進行酰胺化反應，可制得含酰胺基團的弱堿型陰離子交換樹脂。將交聯(lián)的聚丙烯酸甲酯在二乙烯基苯或苯乙酮中溶脹，然后在130～150℃下與多乙烯多胺反應，形成多胺樹脂。再用甲醛或甲酸進行甲基化反應，可獲得性能良好的叔胺樹脂。

離子交換樹脂的應用（1）水處理

水的軟化

去除Ca2+、Mg2+、Al3+聚苯乙烯磺酸型陽離子交換樹脂

水的脫鹽

去除SO42-、Cl-、NO3-弱堿性陰離子交換樹脂

Ca2+、Mg2+、Na+強酸性陽離子交換樹脂

廢水處理去除重金屬離子、有機酸或堿、某些無機陰離子

（2）食品工業(yè)

制糖、釀酒、煙草、乳品、飲料、調味品等食品加工中都有廣泛的應用。改進水質、進行酒的脫色，去銅、錳、鐵等離子。（3）制藥業(yè)在藥物生產中用于藥劑的脫鹽、吸附分離、提純、脫色、中和及中草藥有效成分的提取等。

（4）海洋資源利用可從許多海洋生物（例如海帶）中提取碘、溴、鎂等重要化工原料。（5）催化劑離子交換樹脂相當于多元酸和多元堿，可以代替無極強酸、強堿作為催化劑使用。如對酯的水解、醇解、酸解等。

吸附樹脂定義和分類影響因素合成方法應用

吸附樹脂（adsorptionresin）又稱樹脂吸附劑，是一種不含離子交換基團的高交聯(lián)度體型高分子珠粒，其內部擁有許多分子水平的孔道，提供擴散通道和吸附場所。

概述各種型號的大孔吸附樹脂樹脂內部像一堆葡萄微球，葡萄珠的大小約在0.06～0.5μm范圍內，葡萄珠之間存在許多空隙，這實際上就是樹脂的孔。

依靠它和被吸附的分子（吸附質）之間的范德華力和氫鍵作用

按樹脂極性不同，吸附樹脂可分為：非極性樹脂中極性樹脂極性樹脂強極性樹脂烴類有機物，如聚苯乙烯等帶酯基的聚合物，如聚丙烯酸酯帶有酰胺基等的聚合物，如聚丙烯酰胺等含有氧化氮、吡啶基等的聚合物

影響吸附性能的因素吸附樹脂的物理結構和化學結構對吸附性能的影響表現(xiàn)在以下幾個方面：孔徑比表面積孔容孔徑分布形成氫鍵或電子轉移絡合物極性相近原則影響因素

例：懸浮交聯(lián)共聚制備聚苯乙烯-二乙烯苯（PS-DVB）交聯(lián)樹脂苯乙烯二乙烯苯過氧化苯甲酰（引發(fā)劑）液體石蠟，甲苯（致孔劑）去離子水聚乙烯醇氯化鈉（單體）（分散劑）（降低表面張力）攪拌使油相形成液滴懸浮于水相硬化，過濾，石油醚提取，甲醇浸泡，過濾，洗滌交聯(lián)樹脂大孔型凝膠型（未加致孔劑）

例：Mannich法制備大孔樹脂

吸附樹脂的應用（1）在環(huán)境保護中的應用—廢水處理（2）在生物物質的分離純化中的應用（3）在食品工業(yè)中的應用—糖的脫色，香料的提取，酒精的精制（4）在化學工業(yè)中的應用—有機物的聚集，聚合物固定相（5）在醫(yī)藥領域中的應用—藥物的分離提取，人體血液凈化—提純分離

高分子分離膜材料PolymericSeparationMembrane概述機理機械過濾作用（尺寸）溶解-擴散作用物質交換作用天然分類按材料分：天然高分子類，合成高分子類按分離原理和推動力：微孔（濾）膜（0.1-10mm)、超（過）濾膜(1-100nm)、反滲透膜（超細濾膜,0.1-10nm)、納濾膜(0.1-1nm)、滲析膜、電滲析膜、滲透蒸發(fā)膜等分離膜是指能以特定形式限制和傳遞流體物質的分隔兩相或兩部分的界面，可以是固態(tài)，也可以是液態(tài)。

多孔膜分離原理

1.努森擴散努森數(shù)>>1尤其當≥10氣體分子平均自由程遠于膜孔徑，呈努森擴散孔內分子流動受分子與孔壁間的碰撞作用支配2.黏性流擴散努森數(shù)≤0.01孔徑遠大于操作條件氣體分子的平均運動自由程，孔內分子流動受分子之間碰撞作用支配1.努森擴散努森數(shù)>>1尤其當≥10氣體分子平均自由程遠于膜孔徑，呈努森擴散孔內分子流動受分子與孔壁間的碰撞作用支配

3.表面擴散氣體分子吸附在膜孔壁上，在濃度差的作用下，分子沿膜孔表面移動，產生表面擴散流4.分子篩分膜孔介于不同氣體分子直徑之間，直徑小的分子就能通過膜孔，而大分子就被擋住，達到分離效果5.毛細管凝聚操作溫度較低，當氣體通過微孔介質時，易冷凝組分達到毛細管冷凝壓力時，孔道被冷凝組分堵塞，阻止非冷凝組分滲透，從而出現(xiàn)毛細管冷凝分離。

分離膜制備工藝類型

相轉化制膜工藝（L-S法）聚合物溶劑添加劑均質制膜液流涎法制成平板型、圓管型；紡絲法制成中空纖維蒸出部分溶劑凝固液浸漬水洗非對稱膜多孔支持膜涂覆交聯(lián)加熱形成超薄膜親水性高分子溶液的涂覆復合膜形成超薄膜的溶液交聯(lián)劑復合制模工藝例：一種殼聚糖膜的制備殼聚糖溶于2%的醋酸溶液于玻璃板上刮膜自然晾干2%氫氧化鈉溶液浸泡洗滌自然晾干減壓脫泡

a和b為無孔膜和多孔膜樣品樣品的表面形貌圖a'和b'為無孔膜和多孔膜樣品的斷面形貌圖

（1）微粒和細菌的過濾、檢測（2）氣體、溶液和水的凈化（3）離子交換膜（4）燃料電池質子交換膜應用發(fā)展趨勢（1）仿生高分子分離膜（2）對膜的表面進行改性（3）高分子合金膜（4）加強“超薄”和“活化”

制膜工藝

參考文獻[1]N.Unlu,M.Ersoz,Adsorptioncharacteristicsofheavymetalionsontoalowcostbiopolymericsorbentsfromaqueoussolution[J].J.HazardousMater.2010,13(6):272-280.[2]MingHua,ShujuanZhang,BingcaiPan.Heavymetalremovalfromwater/wastewaterbynanosizedmetaloxides:Areview[J].JournalofHazardousMaterials.2011,12(9):317-331.[3]陳世朋，張景來．污水處理中的污泥脫水技術研究進展[J].污染防治技術，

2011,11(01):23-26.[4]夏秀妹,裘志琴,涂孟波.污水處理廠絮凝劑最佳濃度的小試實踐[J].環(huán)?？萍?2014,20(1):39-41.[5]Ruiz-HernandoM,Martinez,ElorzaG.,LabandaJ.etal.Dewaterabilityofsewagesludgebyultrasonic，thermalandchemicalTreatments[J].ChemicalEngineeringJournal,2013,230(67):102-110.[6]JensenP.D.,AstalsS.,LuY.,etal.Anaerobiccodigestionofsewagesludgeandglycerol,focusingonprocesskinetics,microbialdynamicsandsludgedewaterability[J].waterresearch,2014,67:355-366.[7]高健磊,閆怡新,吳建平,等.城市污水處理廠污泥脫水性能研究[J].環(huán)境科學

與技術,2008,31(2):108-111.

[8]鹿雯.

陽離子表面活性劑對污泥脫水性能的改善和作用機理研究

[D].

昆明,昆明理工大學,2007.[9]孫昆.工業(yè)廢水廢氣的治理方法探討[J].資源節(jié)約與環(huán)保,2013,19(12):54.[10]王鵬,謝麗文.污染治理投資.企業(yè)技術創(chuàng)新與污染治理效率[J].中國人口.資源與環(huán)境,2014,9(15):51-58.[11]趙賀.石油化工廢水處理技術應用研究進展[J].化工管理,2014,20(13):251.[12]趙嬋.氣體分離復合膜涂層材料[D].大連:大連理工大學,2007.[13]LiuXiaoli，TongWeifang，WuZhaoqiang，etal.Poly（N-Vinylpyrrolidone)-GraftedPoly（Dimethylsiloxane）SurfaceswithTunableMicrotopographyandAnti-BiofoulingProperties[J].RSCAdv,2013,3(14):4716-4722.[14]NieFei，HeGaohong，ZhaoWei，etal.ModelingandComputerSimulationofGasSolubilityinPolysiloxaneMaterial[J].InternetTechnol,2013,14（5）:777-786.[15]ZhangLingling，HeGaohong，ZhaoWei，etal.StudiesontheCoatingLayerinaPTFPMS/PEICompositeMembraneforGaseousSeparation[J].JMembrSci,2011,371（1）:141-147.

[16]NieFei,HeGaohong,ZhaoWei,etal.ImprovingCO2SeparationPerformanceofthePolyethyleneGlycol（PEG）/Polytrifluoropropylsiloxane（PTFPMS）BlendCompositeMembrane[J].JPolymRes,2014,21（1）:1-9.[17]大連理工大學.含氟聚硅氧烷橡膠態(tài)復合氣體分離膜、制備方法及其應用:中

國,201110218649.7[P].2011-01-25.[18]KatohT,TokumuraM,YoshikawaH,etal.DynamicSimulationofMulticomponentGasSeparation