缪永成 李朋
中国建筑第二工程局有限公司 北京 100000
摘要：离子交换纤维是一类具有吸附分离作用的功能材料，纤维上的活性中心主要包括酸性、碱性、螯合等功能基团，可与带化学电荷的目标离子进行交换[1]。离子交换纤维的表面积大，直径小，具有明显的动力学性能，如迁移距离短、吸附速率快、离子去除率高等。本文对新型离子交换纤维材料的应用研究进展进行分析，以供参考。
关键词：离子交换纤维；材料应用；研究进展
引言
我国对离子交换纤维的研究开始于20世纪60年代，中山大学制备了各类性能很好的离子交换材料，如强弱酸性离子交换材料、中空离子交换材料、半碳化离子交换材料等，由于离子交换纤维具有吸附-解脱速度快、渗透压稳定性高、外比表面积大、传质距离短等优势，而且在净化废水的同时还能实现金属的资源化回收，近年来在重金属废水治理方面得到了很好的应用。
1PAN基弱碱性离子交换纤维的表征
1.1热重分析
对PAN纤维和改性纤维进行热稳定分析，相较于PAN纤维失重，改性纤维在100℃多了一个失重峰，这是由于纤维吸附水的热脱附引起的。改性纤维从200到500℃有一个大的失重峰，这是由多胺基团的热分解造成的。500℃之后是纤维骨架高温碳化造成的缓慢失重。在800℃时，PAN纤维总失重率约为60%，改性纤维总失重率约为80%。可以看出，相比于PAN纤维，接枝改性后的纤维，稳定性稍有下降，但是改性所接枝的官能团在温度达到200℃以上才开始分解，纤维骨架在500℃才缓慢分解，这说明改性纤维具有很好的热稳定性。
1.2影响土壤中Ｐｂ吸收和吸附的因素
食物是否被吸收到同一个重金属中主要取决于土壤和植物种类的合理特性[15]。当重金属进入土壤时，会产生一系列影响金属有效性和分散性的合理化反应，只有可溶、可交换等离子体细胞才能直接被植物吸收。Ph值、有机组织、碳酸含量、氧气供应等的变化可能会影响土壤中重金属的有效浓度。重金属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的环境中移动。Ph值越高，土壤越钝于重金属颗粒，使更多金属附着于土壤，降低土壤重金属的生物性质，从而减少重金属对植物的不利影响。土壤在小麦营养中的价值虽然略有变化，但始终保持在8.3-8.7的范围内，部分降低了土壤中重金属的生物性质，进而影响土壤酶的营养转化和动态，从而降低土壤质量。等离子体交换纤维通过其丰富的器官连接生物上有效的重金属分子。本研究通过吸收一定数量的Pb离子交换纤维提高了小麦成熟程度，从而减少了Pb对小麦的流量，进一步减少了Pb在颗粒中的积累。也就是说离子交换纤维对土壤中的石油灯有一定的吸引力，土壤中的石油化学比土壤中的纤维更好地结合了土壤中的三层纤维。
2新型离子交换纤维材料的应用研究
2.1空气净化防护
工业生产过程中，不可避免地会产生二氧化硫、氟化氢、氨和氮氧化物等气体污染物。近年来，离子交换纤维材料在空气净化和保护方面也发挥了重要作用。合成设计了一种对二氧化碳具有良好吸附效果的聚丙烯基多胺纤维材料，室温条件下，胺基官能团的利用率为88.2%，最高吸附容量为5.64mmol·g-1。分别将3种弱酸性、强酸性、强碱性离子交换纤维用于汽车尾气中颗粒粉尘的去除，3种材料对PM2.5均有明显的捕集能力，其中弱酸性离子交换纤维的捕集率最高为87.5%。针对空气中的HF、SO2、HCl等酸性污染物的去除做了大量的工作，研究发现，FFA-1型离子交换纤维对酸性气体具有良好的耐酸、抗氧化性能，在不同湿度环境中均发挥了优异的去除性能。以FibanAK-22弱碱性纤维为吸附剂，设计了一套净化空气中的酸性介质的设备，研究了空气流速、酸性介质HCl的浓度等因素对该设备吸附HCl尾气的影响，结果表明，吸附过程中存在着强键和弱键两种作用方式。
2.2食品脱色及医药分离
离子交换纤维在中药有效成分的提取、纯化等方面也有较多的文献报道。将强碱性离子交换纤维用于溶液中葛根素的提取，通过静态吸附和柱吸附实验，确定了最佳的工艺方案，难溶性药物与离子交换纤维的复合物起到了改善难溶性药物溶出度的作用。通过研究聚乙烯醇阳离子交换纤维的载药释药机制，发现离子交换纤维由于其独特的表面结构，可有效提高载药和释药的速度，改善难溶性药物的溶出度，是一种比较理想的药物辅料。红霉素工业生产中的发酵液需要进行脱色处理，以保证产品质量和纯度。采用一种聚丙烯基强碱性阴离子交换纤维对红霉素发酵液进行脱色，考察了脱色时间、pH值等因素对脱色性能的影响，在适宜的操作条件下，脱色率可达80%以上，并且红霉素的损耗率不高于1.5%，有效保证了产品质量。
3离子交换纤维制备进展
3.1纤维素基纤维
纤维素是一种大分子多糖,广泛存在于天然植物当中。纤维素纤维主要是以木材、甘蔗渣等天然植物为原料,经溶解后纺成纤维。纤维素纤维是最早用于离子交换纤维开发的纤维基质。采用棉纤维基质与甲基咪唑类离子液体加热反应,制得弱咪唑基功能纤维,纤维对六价铬的吸附容量可达196.1mg/g。利用纤维素纤维在碱性条件下与环氧氯丙烷反应,得到环氧纤维素纤维。在此基础上,进一步与环糊精反应制备了螯合纤维,纤维对Cu2+的最大吸附量为6.24mg/g。利用粘胶纤维经化学引发接枝丙烯酰胺,在三乙烯四胺溶液中最终反应制得多胺功能纤维,对二氧化碳有良好的富集性能,吸附量为4.08mmol/g。
3.2聚丙烯腈基纤维
聚丙烯腈纤维是一种传统的化学合成纤维,常用于家纺行业。其价格低廉,并具有良好的亲水性能。聚丙烯腈纤维富含腈基官能团,该结构可以与多种化学试剂发生反应。在4wt%氢氧化钠乙醇混合溶液中浸泡聚丙烯腈纤维,通过水解反应得到富含羧基的功能纤维,在研究过程中发现部分腈基可以水解成酰胺基,最终形成多嵌段共聚物。用工业腈纶与聚乙烯多胺在反应器中反应,制备了多种结构相似的多胺离子交换纤维,纤维全交换容量最高为10.0mmol/g,对二氧化硫气体具有良好的富集性能。在酸性条件下水解腈纶后,与氯化亚砜反应形成酰氯,然后在室温下与亚氨基二乙酸反应制得亚氨基二乙酸螯合纤维,对Nd3+具有良好的吸附性能。
3.3新型纤维材料
近年来,随着纺织技术的快速发展,一些新型工程纤维开始用于离子交换功能纤维开发。聚四氟乙烯纤维是一种性能优良的工程材料,常用于高温、强腐蚀等特殊领域。在聚四氟乙烯纤维基质上辐照接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯,然后与聚乙烯亚胺反应制得弱碱性离子交换纤维,其对胆红素具有良好的吸附能力。聚苯硫醚(PPS)纤维是一种新型特种塑料纤维。分子主链由苯环和硫原子交替组成。聚苯硫醚纤维含有丰富的苯环单元,可以直接功能化得到各种离子交换纤维。以聚苯硫醚纤维为基体,经氯甲基化反应后,与N-甲基咪唑加热制得含有咪唑基的弱碱性功能纤维。玻璃纤维是一种无机非金属材料,主要由玻璃球经高温熔融纺丝而成。具有耐腐蚀性好、耐热性强、机械强度高等优点。在玻璃纤维材料的表面喷涂聚乙烯亚胺,制得亚胺型功能纤维,该材料对蒸汽中的CO2气体具有较好的净化能力。
结束语
综上所述，离子交换纤维是一种新型的吸附材料，具有较大的比表面积和丰富的表面官能团、传质距离短、吸附与解吸速度快等特点，近年来被广泛用于水体等物质中金属离子、有机酸、气体的吸附，但目前尚未见有将其用来吸附土壤重金属的研究报道。
参考文献
[1]代立波,冯韧,赵宏亮.新型离子交换纤维材料的应用研究进展[J].化工技术与开发,2019,49(10):23-25.
[2]代立波,吴志慧,.离子交换功能纤维制备技术研究现状及展望[J].化工时刊,2018,34(08):26-28.
[3]刘艳霖,微纳米纤维离子交换树脂消除废水中重金属的应用研究进展[J].广东化工,2017,47(13):144-145.