离子交换纤维的开发及应用.pdf

Fiber Technology I纤维技术 子交换纤维是一种纤维状离子交换材料，其功能包括离子交换、吸附、脱水、催化、脱色等 肉本文介绍了离子交换纤维的主要制备方法及其应用情况，表明其具有良好的发展前景 Ion exchange fiber is a kind of material whose functio,1 covers ion exchange，absoq)tion dehydration，catalysis and decoloration．This article inn‘oduced the main pI’eparation methods and application of IEF,and presented the prospect of th i s lrlateria1． 离子交换纤维的开发及应用 neVe10口ment and Application of 10n Exchange Fiber 离子交换纤维(IEF)的研究始于20世纪50年代，它是 一种纤维状离子交换材料，本身含有固定离子以及和固定 离子符号相反的活动离子，当与能解离化合物的溶液接触 时，活动离子即可与溶液中相同符号的离子进行交换，故称 离子交换纤维。

离子交换纤维主要分为5类：强酸性阳离 子交换纤维、弱酸性阳离子交换纤维、强碱性阴离子交换纤 维、弱碱性阴离子交换纤维和两性离子交换纤维，广义上还 包括螯合纤维 离子交换纤维和颗粒状离子交换剂相比有以下特点： (1)几何外形不同，一般颗粒状的直径为0．3～1．2 mm， 而纤维状的直径一般为l0～50 gm，近几年已开发出了直 径小于1 btm的纤维；(2)具有较大的比表面积，交换与洗 脱速度均较快；(3)可以多种形式应用，如纤维、短纤维、织 物、非织造布、毡、网等，因此可用于各种方式的离子交换过 程；(4)可以深度净化、吸附微量物质；(5)可吸附、分离有 机大分子化合物 离子交换纤维的发展已有儿十年，尤其是近20年来发 展很快，发表的文章、专利很多目前国际上以白俄罗斯、俄 罗斯、日本等国较成熟，已有相关产品面市我国在该领域 的研究单位包括郑州大学、天津工业大学、北京理工大学、 中山大学、北京服装学院等，一些单位已有研制品或批量工 业制品 文／周绍箕 1 离子交换纤维的制备 离子交换纤维的制备主要以化纤为基体经接枝聚合、 大分子化学转换法实现，所用化纤主要是聚烯烃、聚丙烯 睛、聚乙烯醇、聚氯乙烯、氯乙烯一丙烯腈共聚物等的纤 维，也有采用聚合物共混纺丝再功能化的。

1．1高聚物化学转换法 以聚乙烯醇纤维为基体制备强酸性阳离子交换纤维和 强碱性阴离子交换纤维，是将聚乙烯醇纤维进行氯代乙缩 醛反应，使缩醛度达47％～50％用硫化钠使纤维大分子 交联，再进一步与亚硫酸钠反应，制得强酸性阳离子交换纤 维经缩醛化并交联的纤维和叔胺反应可制得强碱性阴离 子交换纤维以聚乙烯醇纤维为基体也可先经过半碳化反 应，使大分子上的羟基进行部分脱水反应，然后再与浓硫酸 反应制得强酸性阳离子交换纤维而半碳化的纤维和环氧氯 丙烷反应，再与叔胺反应，可制得强碱性阴离子交换纤维 商品化聚丙烯腈纤维分子中主要含腈基，也含少量羧 基、酯基，以其为基体可制取离子交换纤维以二乙烯三胺 或硫酸肼为交联剂，经水解反应可制得弱酸性阳离子交换 纤维，交换量可达3～7 mmol／g，也可调整反应条件制备同 时含羧基和胺基的阴、阳两性离子交换纤维 以聚氯乙烯纤维为基体经磺化反应可制得强、弱酸性 混合阳离子交换纤维，磺化剂可用浓硫酸、氯磺酸或发烟硫 酸，总交换容量可达7 mmol／g以聚氯乙烯纤维为基体还可 制备弱碱性阴离子交换纤维，是以二乙烯三胺为胺化剂，在 一定催化剂作用下，可制得交换容量为4～6 mmol／g的弱 纺织导报China Textile Leader．2009 No．5 京 虢 耗袖 生科 年料 材 院睑 料嫉 箕服重 绍京价 一 作作研 碱性阴离子交换纤维。

1．2高聚物接枝单体法 以聚烯烃、聚乙烯醇、聚氯乙烯或聚己内酰胺纤维等为 基体经接枝聚合反应可制备离子交换纤维，方法为辐射接 枝或化学接枝法如以聚烯烃纤维为基体，用辐射接枝苯乙 烯再经磺化或氯甲基化、胺化反应制备阳离子或阴离子交 换纤维聚烯烃纤维接枝丙烯酸可制备弱酸性阳离子交换 纤维，也可采用化学引发法接枝苯乙烯再功能化制备阳、阴 离子交换纤维 1 3聚合物混合成纤法 将离子交换剂分散到形成纤维的纺丝液中可形成离子 交换纤维而另一种方法是将两种聚合物混合成纤，如聚乙 烯(或聚丙烯)一聚苯乙烯复合纤维，以聚乙烯为岛成分，聚 苯乙烯为海成分，成纤后再将聚苯乙烯交联，功能化后制备 阴离子或阳离子交换纤维 通过上述几种方法可知，离子交换纤维与化纤品种及 其纺丝技术有密切关系，化纤新品种的不断开发和纺丝技 术的提升将为离子交换纤维的发展开辟新的渠道 2离子交换纤维的应用研究 离子交换纤维的主要功能包括离子交换、吸附、脱水、 催化、脱色等，其应用十分广泛，涉及水的软化和脱盐、填充 床电渗析、废水处理(包括铀、重金属离子、核电站等)、气 体净化(如CO2、HC1、NH 、SO2、HF、c12)等化工、轻工、 食品、医药、生化多个领域。

2 1 在水的软化、脱盐及净化上的应用 据不完全统计，离子交换材料(包括树脂和膜)的50％ ～80％用于水的处理下面介绍几个主要的应用领域 2．1．1水的软化及脱盐 纤维状离子交换剂是一种新材料，它的交换速度为树 脂的l0～100倍，当处理量相同时，其充填量较少，从而使 装置更紧凑小巧此外，离子交换纤维对蛋白质等有机大分 子、菌体和氧化铁等微粒的吸附能力优于树脂，净化彻底， 因此处理后水质良好国外一些公司已将离子交换纤维和 反渗透膜或超滤膜组合成小型超纯水制造装置，用于电子 行业超纯水的制备，并正在进行冷凝水及锅炉水的净化可 以预计，今后水处理设备中离子交换纤维的应用将更广泛 2．1．2填充床电渗析 填充床电渗析又称电去离子(EDI)或连续去离子 (CDI)电渗析过程中，随着水中含盐量的减少，电导率降 低，极化现象出现，但耗电而水质不提高当在淡室中填充 离子交换材料时，淡室电导值增加，电流效率和极限电流密 度提高，从而加速了离子迁移速度，使水高度纯化在淡室 进水电阻率相同的情况下，填充纤维比填充树脂的效果好， 其出水电阻率可提高一个数量级 目前用含离子交换纤维的非织造布电去离子设备制纯 水，水质可达18 M( ·cm(电阻率)。

电去离子法和普通电 渗析(ED)结合使用可处理核工业中的低浓放射性废水，总 效率可达99％以上 2．1．3净化工业废水 离子交换法是治理工业废水的重要方法之一，其特点 是净化彻底，可深度净化下面介绍几个应用实例 (1)处理矿坑水中的微量铀 各种含铀废水都可用离子交换纤维吸附净化，可消 除放射性污染，也可回收铀利用离子交换纤维对矿坑水 (pH=7．5)中的微量铀i井{亍净化，并与树脂i 亍对比(表1) 表1 阴离子交换材料在矿坑水中吸附铀性能的对比 豳 铀含量(mgfL) 2 接触时间(min) 1 装入量(g) 5 穿透体积(L) 120 饱和体积(L) 一 穿透点

强酸性阳离子 交换纤维还可用于从粘胶纤维的生产废水中提取锌，而强 碱性阴离子交换纤维可用于含铬废水的治理 (3)净化核反应堆废水 有文献报道，核反应堆排出的冷凝液的过滤、脱盐、 净化均可使用离子交换纤维，处理后铁离子的含量可由l5 gg／L降至2～4 gg／L，而钠离子的含量则由0．15#g／L降至 0．025～0．03 ug／L 除了各种含金属离子的废水外，离子交换纤维还可用于 纺织导报China Textile Leader 2009 No．5 5 ～2 4“2 O 各种含酸性、活性、阳离子染料的废水的吸附和净化 2．2在气体净化、分离方面的应用 离子交换纤维与颗粒状材料相比具有吸附、解吸速度 快，净化、分离气体时阻力小的优点，用它做成的防毒面具 的防护作用和活性炭相同，而呼吸阻力大大降低；同时由于 可用普通方法再生，因此防毒面具的吸附过滤器可多次重 复使用用这种材料制成的织物、非织造布织物等可用于吸 附、收集气体中的有害物如cO 、HCl、NH 、SO 、H S、HF 等以及液体水凝胶 2．2．1吸附气体中的HC1 用商品聚丙烯腈纤维为基体制备的弱酸性阳离子交 换纤维(钠型)吸附气体中的HC1，取2 g纤维(交换容量为 7．5 mmol／g)和2 g树脂(交换容量为8．4 mmol／g)。

纤维穿 透需100 min，而树脂仅80 min，完全穿透时纤维的平均交 换容量为9．11 mmol／g，吸附率则达121％，估计除化学吸附 外，还存在一定量的物理吸附树脂的平均交换容量为8．27 mmol／g，吸附率为98％据估算，每克纤维能吸附HCl 208 mg，而每克树脂只能吸附HC1 189 mg 2．2-2其他气体的吸附和净化 据实验，弱酸性阳离子离子交换纤维(氢型)对氨的吸 附容量为3．9 mmol 空气中的SO 可用离子交换纤维吸附净化，如用强碱 阴离子交换纤维(HCO，或CO 型)净化空气或废气中的 s0：，当SO 浓度为200 mg／m 时，纤维的吸附能力为200～ 230 mg 也可用弱酸性阳离子交换纤维(钠型)吸附空气 中的SO：，吸附容量可达3．13 mmol／g 弱碱性阴离子交换纤维可用于吸附HF，比树脂吸附 快，且能与HF形成络合物，因而吸附容量高 用不同品种的离子交换纤维可选择性地吸附CO 或 H：S，从而达到分离的目的 用离子交换纤维和二氧化锰催化剂组合为过滤器，可 用于室内通风和空气净化，去除氨、硫化氢、胺等此外还 可用于呼吸面具和防毒面具，具有比活性炭面具更低的阻 力，且重量轻，结构简单。

2．3在化工 轻工．冶金等方面的应用 离子交换纤维用聚乙烯纤维增强后制成毡状物，作为 固体酸催化剂用于反应性蒸馏；离子交换纤维作为离子色谱 固定相，与树脂柱的效率相当，但流通阻力只有它的1／10 阴离子交换纤维用于糖的脱色，比一般同类的树脂容 量低，但交换速度快14倍，由于色素的分子量大，不能扩 散入树脂内部，而纤维的扩散通道短，脱色眭能好 含弱酸、弱碱基团的两性离子交换纤维对氨基酸有较 好的分离性能，在碱性介质中对组氨酸吸附性强，在酸性介 质中对丙氨酸吸附性强，而在弱酸介质中对谷氨酸有较好 的吸附作用 铅蓄电池正极放电过程受电极活性物质(PbO：)微孔 内氢离子的扩散所控制，将阳离子交换纤维与此物复合成 型，可在放电过程中释放大量氢离子，从而提高放电容量 离子交换纤维在金、银等贵金属的湿法冶炼领域有着 广阔的应用前景，从矿渣浸提液、矿坑水等稀溶液中回收金 属效果较好 以聚丙烯纤维为基体的离子交换纤维可用于吸附金， 在其他金属氰化物离子存在的情况下，对金的选择性好，而 强碱或含有胍基的离子交换纤维比对应的树脂要好 稀土元素的分离回收与纯化一直是离子交换技术发挥 重要作用的领域之一例如在分离钐一钕一镨混合物时，在 流速相同的情况下，使用离子交换纤维可得到纯度为85％ 的钐氧化物，而用离子交换树脂其纯度不超过58％。

2．4在卫生及医疗领域的应用 用离子交换纤维对生物活性物质(尤其是药物)进行提 取、分离、纯化等，—直较受关注。