米磁珠離子交換樹脂的制備及應用研究范文

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摘要:納米磁珠離子交換樹脂，具有粒徑小，均一程度高，懸浮穩定性好，超順磁性，操作簡便等特點，可用于有效成分分離純化或某些雜質的處理。隨著現在分離制備工藝的提高，納米磁珠離子交換樹脂的開發與應用正在成為研究的熱點。本文綜述旨在為研究磁性陽離子交換樹脂的應用進展提供基本的思路和方法。

關鍵詞:納米磁珠;離子交換樹脂;應用進展

離子交換樹脂是一類功能高分子聚合物，結構中含有離子交換功能基、具有網狀結構、不溶性的高分子化合物，根據官能團性質不同，可分為強酸、弱酸、強堿、弱堿等類型［1－3］。離子交換樹脂在廢水處理、醫藥行業及生物工程領域都有廣泛應用，納米磁珠離子交換樹脂是一種磁性高且較穩定的磁性材料，將該磁性材料用于各種物質及天然產物有效成分的富集和純化，簡化了傳統柱層析色譜的裝柱、上樣、洗脫、檢測等繁瑣過程，該方法更快速、簡便、高效、穩定。

1離子交換樹脂的類型

1．1陽離子交換樹脂

1．1．1強酸性陽離子交換樹脂

強酸性陽離子交換樹脂的母核結構中用于交換的功能基是強酸性基團，如磺酸基(－SO3H)，該結構在溶液中容易解離出H+表現強酸性。該類樹脂解離出H+后，結構中的負電基團(SO3－)可以與溶液中的陽離子型物質發生結合，從而發生了樹脂中的H+與溶液中的陽離子物質發生交換吸附，即陽離子交換吸附。該類樹脂酸性很強，解離能力強，受溶液pH值影響不大，使用范圍較廣。離子交換樹脂使用一段時間后，可進行再生處理，選用化學試劑使離子交換反應進行反方向反應，使樹脂的交換基團恢復到原本狀態，可供再次使用。如－SO3H型陽離子交換樹脂可選用強酸進行再生處理，樹脂解離出被吸附的陽離子，可與H+結合而恢復原本的結構［4］。

1．1．2弱酸性陽離子交換樹脂

弱酸性陽的離子樹脂含有弱酸性基團，常見的功能基團是羧基－COOH，可在水中解離出H+而呈酸性，余下的負電基團R－COO－可與溶液中的陽離子型物質結合發生吸附，即陽離子交換吸附作用。該類樹脂具有的酸性很弱，在pH值小時難以解離并進行離子交換，只能在pH值為5～14的溶液中起作用［5］。這類樹脂可在酸性條件下進行再生，與強酸性樹脂相比，容易再生。

1．2陰離子交換樹脂

1．2．1強堿性陰離子交換樹脂

強堿性的陰離子類樹脂結構中含有強堿性功能基團，常見的是季胺基－NR3OH，該結構樹脂可在水中解離出強堿性的OH－。解離出OH－的樹脂具有正電基團，可與溶液中需要交換的陰離子產生結合，而發生陰離子交換作用。這種強堿性離子交換樹脂的解離性強，在不同pH值下可正常工作，此類樹脂可選用強堿進行再生。

1．2．2弱堿性陰離子交換樹脂

弱堿性陰離子型交換樹脂具有弱堿性基團，常見的有伯胺基、仲胺基或叔胺基，它們在水中能離解出OH－而呈弱堿性。這種樹脂解離出OH－之后的正電基團可與溶液中的陰離子物質結合，而發生陰離子交換吸附作用。該類樹脂的交換吸附作用多數是將溶液中的整個酸分子吸附，它只能在pH值為1～9的酸性或中性條件下工作，可選用弱堿Na2CO3或NH4OH進行再生。

2納米磁珠離子交換樹脂的制備

納米磁珠離子交換樹脂是用聚合物粘稠溶液與極細的磁性材料(如r－Fe2O3)混合，在選定的介質中經過機械分散，懸浮交聯成為微小的球狀磁體［6－8］。包埋材料如果直接是具有功能性的聚合物，制得的樹脂為磁性離子交換樹脂;如果是不具備功能性基團的“惰性”材料，制備過程中需要經過接枝聚合反應或化學改性的方法使之具有離子交換功能，后一種方法所得的磁性樹脂，傳質阻力較小，也就是“whisker”樹脂。另外，也可以選用預聚體或單體通過化學反應直接聚合在磁粉表面。制備常有下列幾種:①本體聚合:將相當于單體量10%～30%的磁性物質(如Fe3O4、Fe2O3)與單體混合，再進行本體聚合，得磁性化合物，磨碎、過篩后得不定型磁性樹脂;②懸浮聚合:單體、交聯劑與磁性物質混合后，加入引發劑和分散劑，在加熱劇烈攪拌下，懸浮聚合即得球珠狀的磁性樹脂;③包埋接枝:在交聚物微球內用磁粉作為磁芯，然后在聚合物的表面接枝活性分子鏈，即到殼狀磁性樹脂;④復合或混合交聯:將吸附劑粉末、磁性粉末和粘結劑(或固化劑)混合，聚合得一定規則形狀的磁性樹脂。吳雪輝［5］等人成功制備了具有磁性的D201型陰離子交換樹脂，作者采用化學轉化法將D201型陰離子交換樹脂在堿性(NaOH溶液2mol/L)條件下制備成磁性較強的磁性樹脂。葉振華［7］等人采用懸浮聚合法采用分段升溫聚合程序，成功制得具有磁性的大孔吸附型離子交換樹脂。萬謙宏［8］等人采用包埋接枝法得到具有磁性的脲醛樹脂，其中內部的Fe3O4納米微粒分散均勻，磁性較強。姜斌［9］等人采用包埋接枝法成功制備納米級磁性離子交換樹脂。

3納米磁珠離子交換樹脂的應用

3．1糖液的脫色、再生處理

吳雪輝［6］等人在成功制備了磁性D201型陰離子交換樹脂的基礎上，并對糖液進行脫色。筆者將該磁性樹脂應用于糖液的連續脫色和再生，實驗中采用連續化系統，確定了逆向流動工藝，操作簡單，實驗結果較好，可保持相對比較穩定的脫色率，該研究為促進磁性離子交換樹脂更早應用于工業化生產提供了理論依據，奠定了基礎。

3．2廢水處理應用

納米磁珠離子交換樹脂，該磁性吸附劑相比傳統的活性炭吸附劑操作簡單、再生容易，該方法為處理各行業的廢水脫色開辟了新的途徑。李銀萍等［10］采用原位共沉淀法將Fe3O4沉淀在離子交換樹脂的孔道中制備出磁性離子交換樹脂，并測試了其對水體中Cr3+離子的吸附性能，分別采用XRD、SEM、TG和振動樣品磁強度計(VSM)等對磁性離子交換樹脂進行了結構和性能表征;利用原子吸收光譜(AAS)研究了pH值、Cr3+初始濃度、磁性離子交換樹脂的質量、溫度和時間等不同因素對吸附性能的影響;結果表明:pH值=6．8，吸附時間為3h，為較為理想的吸附條件;當磁性離子交換樹脂的用量為1g/L，Cr3+離子的初始濃度為100mg/L時，單位平衡吸附量為96mg/g。邵澤寬等［11］采用靜態實驗研究了溶液中四環素在磁性離子交換樹脂上的吸附行為，考察了反應物初始濃度，初始pH值等因素對吸附效果的影響，結果表明磁性離子交換樹脂對四環素具有良好的吸附效果;準二級動力學模型能更好的描述磁性離子交換樹脂對四環素的吸附過程;Freundlich模型更適合描述磁性離子交換樹脂對四環素的吸附平衡過程，D－R模型說明吸附過程包含離子交換作用;中性和酸性條件下磁性離子交換樹脂對四環素的吸附效果較好;磁性離子交換樹脂吸附四環素是自發、吸熱和熵增加的反應過程，升溫有利于吸附。

3．3天然活性成分的分離

邊秀芳等［12］以蘋果渣多酚類化合物為吸附模型，制備一種可有效吸附分離蘋果渣多酚的磁性樹脂，研究其吸附、解吸效能，并就吸附和解吸效能、使用次數與普通大孔樹脂進行比較。結果顯示，5種普通樹脂中D280、H103、AB－8對蘋果渣多酚的吸附率均高于80%，AB－8、D3520樹脂對蘋果渣多酚的解吸率均高于90%，AB－8樹脂的吸附率和解吸率最好;磁性大孔樹脂吸附0．5h后即可達到吸附平衡，吸附平衡后剩余液多酚質量濃度低于AB－8樹脂吸附平衡后剩余液多酚質量濃度，吸附效能明顯優于AB－8樹脂;磁性大孔樹脂解吸效能也略優于AB－8樹脂;使用4次后，磁性大孔樹脂的吸附率仍然高于70%，穩定性優于AB－8樹脂。可見，磁性大孔樹脂是一種良好的蘋果渣多酚吸附劑，有較好的工業化應用前景。

4結論及展望

磁性高分子功能材料是高分子領域中一個新的研究方向，在污水處理、金屬富集、生物工程、醫藥衛生等方面有重要的應用前景。目前磁性離子交換樹脂的制備方法主要采用化學轉化、單體聚合和共混法等，并均取得了一定的實效。盡管如此，具體的研究發現，單體聚合和共混法制備的磁性樹脂有粒度難于控制磁性較弱和磁性物質分布不均勻等問題，而采用化學轉化法基本可以解決這些問題。天然產物有效成分傳統的分離純化工藝以溶劑法、柱層析色譜為主，這些方法需要溶劑選擇、裝柱、上樣、洗脫、檢測等繁瑣操作過程，而大量文獻查閱表明磁性高分子材料吸附天然產物中的有效成分具有工藝簡單、快速吸附、耗能較低、成分低、吸附后易于磁分離等優點。隨著各行業和科技水平的不斷進步和發展，磁性離子交換樹脂將在未來發揮更加重要的作用。

參考文獻

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［8］萬謙宏，陳磊，李文斌，等．鐵磁性脲醛樹脂微球介質及其制備方法:中國，CN1480476［P］．2004－03－10．

［9］姜斌，李鑫鋼，張鑫．納米級實心磁性離子交換樹脂球及制備方法:中國，CN1699447［P］．2006－11－29．

［10］李銀萍，湯凱，郝營，等．磁性離子交換樹脂的制備及其對Cr3+的吸附［J］．材料科學與工程學報，2016，34(2):301－306．

［11］邵澤寬，晏江波，何勇．磁性離子交換樹脂對模擬水中四環素的吸附特性研究［J］．四川環境，2017，36(5):7－12．

［12］邊秀芳，岳田利．磁性大孔樹脂對蘋果渣多酚的吸附－解吸效能［J］．西北農業學報，2014，23(9):216－220．

作者:劉振華 郭桐 徐靜靜 張宇航 李夢夢 張翠利 單位:黃河科技學院