第2章吸附分離功能高分子2-1

1、第第2章章 吸附分離功能高分子吸附分離功能高分子楊珊楊珊渭南師范學(xué)院渭南師范學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境學(xué)院化學(xué)與環(huán)境學(xué)院2016.05吸附分離功能高分子材料吸附分離功能高分子材料n又稱(chēng)為又稱(chēng)為高分子吸附劑高分子吸附劑或或高分子樹(shù)脂高分子樹(shù)脂，是功，是功能高分子材料的一個(gè)重要分支。它利用高能高分子材料的一個(gè)重要分支。它利用高分子材料與被吸附物質(zhì)之間的各種相互作分子材料與被吸附物質(zhì)之間的各種相互作用，使其發(fā)生暫時(shí)或永久性結(jié)合，從而發(fā)用，使其發(fā)生暫時(shí)或永久性結(jié)合，從而發(fā)生各種功能的材料。生各種功能的材料。目錄n2.1 概述概述n2.2 吸附樹(shù)脂吸附樹(shù)脂n2.3 離子交換樹(shù)脂離子交換樹(shù)脂n2.4 螯合樹(shù)脂螯合樹(shù)

2、脂n2.5 高吸水樹(shù)脂高吸水樹(shù)脂n2.6 高吸油樹(shù)脂高吸油樹(shù)脂吸附分離功能高分子的發(fā)展簡(jiǎn)史吸附分離功能高分子的發(fā)展簡(jiǎn)史 吸附分離功能高分子主要包括吸附分離功能高分子主要包括離子交換樹(shù)脂離子交換樹(shù)脂和和吸附樹(shù)吸附樹(shù)脂脂。從廣義上講，吸附分離功能高分子還應(yīng)該包括。從廣義上講，吸附分離功能高分子還應(yīng)該包括高分子高分子分離膜材料分離膜材料。但由于高分子分離膜在材料形式、分離原理。但由于高分子分離膜在材料形式、分離原理和應(yīng)用領(lǐng)域有其特殊性，因此將在第和應(yīng)用領(lǐng)域有其特殊性，因此將在第8 8章中詳細(xì)介紹。章中詳細(xì)介紹。 離子交換樹(shù)脂是指具有離子交換基團(tuán)的高分子化合物離子交換樹(shù)脂是指具有離子交換基團(tuán)的高分子化

3、合物。它具有一般聚合物所沒(méi)有的新功能它具有一般聚合物所沒(méi)有的新功能離子交換功能，本質(zhì)離子交換功能，本質(zhì)上屬于反應(yīng)性聚合物。上屬于反應(yīng)性聚合物。吸附樹(shù)脂是指具有特殊吸附功能的一吸附樹(shù)脂是指具有特殊吸附功能的一類(lèi)樹(shù)脂類(lèi)樹(shù)脂。 離子交換樹(shù)脂是最早出現(xiàn)的功能高分子材料，其歷史可離子交換樹(shù)脂是最早出現(xiàn)的功能高分子材料，其歷史可追溯到上世紀(jì)追溯到上世紀(jì)30年代。年代。1935年英國(guó)年英國(guó)Adams和和Holmes發(fā)表了發(fā)表了關(guān)于酚醛樹(shù)脂和苯胺甲醛樹(shù)脂的離子交換性能的工作報(bào)告，關(guān)于酚醛樹(shù)脂和苯胺甲醛樹(shù)脂的離子交換性能的工作報(bào)告，開(kāi)創(chuàng)了離子交換樹(shù)脂領(lǐng)域，同時(shí)也開(kāi)創(chuàng)了功能高分子領(lǐng)域開(kāi)創(chuàng)了離子交換樹(shù)脂領(lǐng)域，同時(shí)也

4、開(kāi)創(chuàng)了功能高分子領(lǐng)域。3.1.1 3.1.1 吸附分離功能高分子的發(fā)展簡(jiǎn)史吸附分離功能高分子的發(fā)展簡(jiǎn)史 離子交換樹(shù)脂可以使水不經(jīng)過(guò)蒸餾而脫鹽，既簡(jiǎn)便又離子交換樹(shù)脂可以使水不經(jīng)過(guò)蒸餾而脫鹽，既簡(jiǎn)便又節(jié)約能源。因此根據(jù)節(jié)約能源。因此根據(jù)Adams和和Holmes的發(fā)明，帶有的發(fā)明，帶有磺酸磺酸基和氨基的酚醛樹(shù)脂基和氨基的酚醛樹(shù)脂很快就實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)并在水的脫很快就實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)并在水的脫鹽中得到了應(yīng)用。鹽中得到了應(yīng)用。 1944年年 DAlelio 合成了具有優(yōu)良物理和化學(xué)性能的合成了具有優(yōu)良物理和化學(xué)性能的磺化磺化苯乙烯苯乙烯-二乙烯苯共聚物離子交換樹(shù)脂二乙烯苯共聚物離子交換樹(shù)脂及及交聯(lián)聚丙

5、烯酸樹(shù)交聯(lián)聚丙烯酸樹(shù)脂脂，奠定了現(xiàn)代離子交換樹(shù)脂的基礎(chǔ)。，奠定了現(xiàn)代離子交換樹(shù)脂的基礎(chǔ)。 此后，此后，Dow化學(xué)公司的化學(xué)公司的 Bauman 等人開(kāi)發(fā)了等人開(kāi)發(fā)了苯乙烯系苯乙烯系磺酸型強(qiáng)酸性離子交換樹(shù)脂磺酸型強(qiáng)酸性離子交換樹(shù)脂并實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化；并實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化；Rohm & Hass公司的公司的Kunin等人則進(jìn)一步研制了等人則進(jìn)一步研制了強(qiáng)堿性苯乙烯強(qiáng)堿性苯乙烯系陰離子交換樹(shù)脂系陰離子交換樹(shù)脂和和弱酸性丙烯酸系陽(yáng)離子交換樹(shù)脂弱酸性丙烯酸系陽(yáng)離子交換樹(shù)脂。這些離子交換樹(shù)脂除應(yīng)用于水的脫鹽精制外，還用于這些離子交換樹(shù)脂除應(yīng)用于水的脫鹽精制外，還用于藥物提取純化、稀土元素的分離純化、蔗糖及葡萄糖藥物

6、提取純化、稀土元素的分離純化、蔗糖及葡萄糖溶液的脫鹽脫色等。溶液的脫鹽脫色等。3.1.1 3.1.1 吸附分離功能高分子的發(fā)展簡(jiǎn)史吸附分離功能高分子的發(fā)展簡(jiǎn)史3.1.1 3.1.1 吸附分離功能高分子的發(fā)展簡(jiǎn)史吸附分離功能高分子的發(fā)展簡(jiǎn)史 離子交換樹(shù)脂發(fā)展史上的另一個(gè)重大成果是離子交換樹(shù)脂發(fā)展史上的另一個(gè)重大成果是大孔型樹(shù)大孔型樹(shù)脂脂的開(kāi)發(fā)。的開(kāi)發(fā)。2020世紀(jì)世紀(jì)5050年代末，國(guó)內(nèi)外包括我國(guó)的南開(kāi)大學(xué)年代末，國(guó)內(nèi)外包括我國(guó)的南開(kāi)大學(xué)化學(xué)系在內(nèi)的諸多單位幾乎同時(shí)合成出大孔型離子交換樹(shù)化學(xué)系在內(nèi)的諸多單位幾乎同時(shí)合成出大孔型離子交換樹(shù)脂。與凝膠型離子交換樹(shù)脂相比，大孔型離子交換樹(shù)脂具脂。與凝膠

7、型離子交換樹(shù)脂相比，大孔型離子交換樹(shù)脂具有機(jī)械強(qiáng)度高、交換速度快和抗有機(jī)污染的優(yōu)點(diǎn)，因此很有機(jī)械強(qiáng)度高、交換速度快和抗有機(jī)污染的優(yōu)點(diǎn)，因此很快得到廣泛的應(yīng)用?？斓玫綇V泛的應(yīng)用。 60年代后期，離子交換樹(shù)脂除了在品種和性能等方面年代后期，離子交換樹(shù)脂除了在品種和性能等方面得到了進(jìn)一步的發(fā)展，更為突出的是應(yīng)用得到迅速的發(fā)展。得到了進(jìn)一步的發(fā)展，更為突出的是應(yīng)用得到迅速的發(fā)展。除了傳統(tǒng)的除了傳統(tǒng)的水的脫鹽、軟化水的脫鹽、軟化外，在外，在分離、純化、脫色、催分離、純化、脫色、催化化等方面得到廣泛的應(yīng)用。等方面得到廣泛的應(yīng)用。 例如離子交換樹(shù)脂在水處理以外的應(yīng)用由例如離子交換樹(shù)脂在水處理以外的應(yīng)用由80

8、年代以前占年代以前占離子交換樹(shù)脂總用量的不足離子交換樹(shù)脂總用量的不足10增加到目前的增加到目前的30左右。左右。3.1.1 3.1.1 吸附分離功能高分子的發(fā)展簡(jiǎn)史吸附分離功能高分子的發(fā)展簡(jiǎn)史 從離子交換樹(shù)脂出發(fā)，還引申發(fā)展了一些很重要的功從離子交換樹(shù)脂出發(fā)，還引申發(fā)展了一些很重要的功能高分子材料。如能高分子材料。如離子交換纖維、吸附樹(shù)脂、螯合樹(shù)脂、離子交換纖維、吸附樹(shù)脂、螯合樹(shù)脂、聚合物固載催化劑、高分子試劑、固定化酶聚合物固載催化劑、高分子試劑、固定化酶等。這一最傳等。這一最傳統(tǒng)的功能高分子材料正以嶄新的姿態(tài)在統(tǒng)的功能高分子材料正以嶄新的姿態(tài)在2121世紀(jì)發(fā)揮重要的世紀(jì)發(fā)揮重要的作用。作用

9、。 離子交換纖維離子交換纖維是在離子交換樹(shù)脂基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一是在離子交換樹(shù)脂基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一類(lèi)新型材料。其基本特點(diǎn)與離子交換樹(shù)脂相同，但外觀為類(lèi)新型材料。其基本特點(diǎn)與離子交換樹(shù)脂相同，但外觀為纖維狀，并還可以不同的織物形式出現(xiàn)，如中空纖維、紗纖維狀，并還可以不同的織物形式出現(xiàn)，如中空纖維、紗線(xiàn)、布、無(wú)紡布、氈、紙等。線(xiàn)、布、無(wú)紡布、氈、紙等。3.1.1 3.1.1 吸附分離功能高分子的發(fā)展簡(jiǎn)史吸附分離功能高分子的發(fā)展簡(jiǎn)史 吸附樹(shù)脂吸附樹(shù)脂也是在離子交換樹(shù)脂基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一類(lèi)新也是在離子交換樹(shù)脂基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一類(lèi)新型樹(shù)脂，是指一類(lèi)多孔性的、高度交聯(lián)的高分子共聚物，又型樹(shù)脂，是指一類(lèi)多孔性

10、的、高度交聯(lián)的高分子共聚物，又稱(chēng)為高分子吸附劑。這類(lèi)高分子材料具有較大的比表面積和稱(chēng)為高分子吸附劑。這類(lèi)高分子材料具有較大的比表面積和適當(dāng)?shù)目讖?，可從氣相或溶液中吸附某些物質(zhì)。適當(dāng)?shù)目讖?，可從氣相或溶液中吸附某些物質(zhì)。 在吸附樹(shù)脂出現(xiàn)之前，用于吸附目的的吸附劑已廣泛使在吸附樹(shù)脂出現(xiàn)之前，用于吸附目的的吸附劑已廣泛使用，例如活性氧化鋁、硅藻土、白土和硅膠、分子篩、活性用，例如活性氧化鋁、硅藻土、白土和硅膠、分子篩、活性炭等。而炭等。而吸附樹(shù)脂是吸附劑中的一大分支，是吸附劑中品種吸附樹(shù)脂是吸附劑中的一大分支，是吸附劑中品種最多、應(yīng)用最晚的一個(gè)類(lèi)別最多、應(yīng)用最晚的一個(gè)類(lèi)別。 3.1.1 3.1.1

11、吸附分離功能高分子的發(fā)展簡(jiǎn)史吸附分離功能高分子的發(fā)展簡(jiǎn)史 吸附樹(shù)脂出現(xiàn)于吸附樹(shù)脂出現(xiàn)于上一世紀(jì)上一世紀(jì)60年代年代，我國(guó)于，我國(guó)于1980年年以后才開(kāi)始有工業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)和應(yīng)用。目前吸附樹(shù)脂以后才開(kāi)始有工業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)和應(yīng)用。目前吸附樹(shù)脂的應(yīng)用已遍及許多領(lǐng)域，形成一種獨(dú)特的吸附分離技的應(yīng)用已遍及許多領(lǐng)域，形成一種獨(dú)特的吸附分離技術(shù)。由于結(jié)構(gòu)上的多樣性，吸附樹(shù)脂可以根據(jù)實(shí)際用術(shù)。由于結(jié)構(gòu)上的多樣性，吸附樹(shù)脂可以根據(jù)實(shí)際用途進(jìn)行選擇或設(shè)計(jì)，因此發(fā)展了許多有針對(duì)性用途的途進(jìn)行選擇或設(shè)計(jì)，因此發(fā)展了許多有針對(duì)性用途的特殊品種。這是其他吸附劑所無(wú)法比擬的。也正是由特殊品種。這是其他吸附劑所無(wú)法比擬的。也正是

12、由于這種原因，吸附樹(shù)脂的發(fā)展速度很快，新品種、新于這種原因，吸附樹(shù)脂的發(fā)展速度很快，新品種、新用途不斷出現(xiàn)。吸附樹(shù)脂及其吸附分離技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)用途不斷出現(xiàn)。吸附樹(shù)脂及其吸附分離技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域中的重要性越來(lái)越突出。域中的重要性越來(lái)越突出。3.1.1 3.1.1 吸附分離功能高分子的發(fā)展簡(jiǎn)史吸附分離功能高分子的發(fā)展簡(jiǎn)史2.1 概述概述n基本概念基本概念n吸附（吸附（adsorption）：指液體或氣體中的分子通過(guò)各種相互作用）：指液體或氣體中的分子通過(guò)各種相互作用（如離子鍵、配位鍵、氫鍵或分子間作用力）結(jié)合在固體材料表（如離子鍵、配位鍵、氫鍵或分子間作用力）結(jié)合在固體材料表面上。面上。n吸附選擇性（

13、吸附選擇性（adsorptive selectivity or selective adsorption）：固體）：固體物質(zhì)對(duì)液體或氣體中的不同組分的吸附性有差別，即具有吸附選物質(zhì)對(duì)液體或氣體中的不同組分的吸附性有差別，即具有吸附選擇性。擇性。n吸附性分離（吸附性分離（adsorptive seperation）：利用吸附選擇性實(shí)現(xiàn)分離）：利用吸附選擇性實(shí)現(xiàn)分離復(fù)雜物質(zhì)和進(jìn)行產(chǎn)品提純的方法。復(fù)雜物質(zhì)和進(jìn)行產(chǎn)品提純的方法。n分離：被吸附的物質(zhì)或分子分離：被吸附的物質(zhì)或分子（吸附質(zhì)）（吸附質(zhì)）從原先所在的相中被從原先所在的相中被分離分離出來(lái)出來(lái)n富集：吸附質(zhì)在另一相（富集：吸附質(zhì)在另一相（吸附相吸

14、附相，吸附劑吸附劑）表面堆積或）表面堆積或富集富集n吸附分離功能高分子材料：又稱(chēng)為高分子吸附劑或高分子樹(shù)脂，吸附分離功能高分子材料：又稱(chēng)為高分子吸附劑或高分子樹(shù)脂，是功能高分子材料的一個(gè)重要分支。它利用高分子材料與被吸附是功能高分子材料的一個(gè)重要分支。它利用高分子材料與被吸附物質(zhì)之間的各種相互作用，使其發(fā)生暫時(shí)或永久性結(jié)合，從而發(fā)物質(zhì)之間的各種相互作用，使其發(fā)生暫時(shí)或永久性結(jié)合，從而發(fā)生各種功能的材料。生各種功能的材料。n吸附按機(jī)理分類(lèi)：吸附按機(jī)理分類(lèi)：化學(xué)吸附：離子鍵、共價(jià)鍵、配位鍵化學(xué)吸附：離子鍵、共價(jià)鍵、配位鍵物理吸附：范德華力、偶極偶極相互作用、氫鍵物理吸附：范德華力、偶極偶極相互作用

15、、氫鍵親和吸附：抗原親和吸附：抗原- -抗體、配體抗體、配體- -受體、酶受體、酶- -底物、底物、互補(bǔ)互補(bǔ)DNADNA鏈等特異性相互作用鏈等特異性相互作用吸附劑的分類(lèi)吸附劑的分類(lèi)高分子吸附劑的分類(lèi)（高分子吸附劑的分類(lèi)（7）n非離子型的高分子吸附樹(shù)脂非離子型的高分子吸附樹(shù)脂n離子型的的高分子吸附樹(shù)脂離子型的的高分子吸附樹(shù)脂n金屬離子配位型的螯合樹(shù)脂金屬離子配位型的螯合樹(shù)脂n親水性的高分子吸水劑親水性的高分子吸水劑n親油性的高分子吸油劑親油性的高分子吸油劑n離子交換膜（第離子交換膜（第8章）章）n高分子電解質(zhì)絮凝劑（不講）高分子電解質(zhì)絮凝劑（不講）高分子吸附劑的優(yōu)勢(shì)（高分子吸附劑的優(yōu)勢(shì)（4）：）

16、：n性能可調(diào)：性能可調(diào)：在聚合物骨架內(nèi)可以通過(guò)化學(xué)或物理作用引入在聚合物骨架內(nèi)可以通過(guò)化學(xué)或物理作用引入不同結(jié)構(gòu)與性能的基團(tuán)進(jìn)行改性，從而得到不同結(jié)構(gòu)與性能的基團(tuán)進(jìn)行改性，從而得到本體性能本體性能與與表表面性能面性能均十分優(yōu)異的各種用途的吸附劑均十分優(yōu)異的各種用途的吸附劑n吸附面積可調(diào)：吸附面積可調(diào)：通過(guò)調(diào)整制備工藝，可以制作各種規(guī)格的通過(guò)調(diào)整制備工藝，可以制作各種規(guī)格的多孔性材料，是吸附劑有效吸附面積大大增加多孔性材料，是吸附劑有效吸附面積大大增加n溶脹利于吸附：溶脹利于吸附：具有一定交聯(lián)度的聚合物在溶劑中溶脹后，具有一定交聯(lián)度的聚合物在溶劑中溶脹后，充分?jǐn)U張的三維結(jié)構(gòu)又為吸附的動(dòng)力學(xué)過(guò)程提

17、供便利充分?jǐn)U張的三維結(jié)構(gòu)又為吸附的動(dòng)力學(xué)過(guò)程提供便利 條條件件n綜合性能優(yōu)越：綜合性能優(yōu)越：強(qiáng)度高，壽命長(zhǎng)，耐氧化，耐輻射，耐熱，強(qiáng)度高，壽命長(zhǎng)，耐氧化，耐輻射，耐熱，易再生和回收易再生和回收2.1.1 影響吸附分離功能的因素影響吸附分離功能的因素(3)2.2.4 吸附樹(shù)脂的應(yīng)用吸附樹(shù)脂的應(yīng)用（1）有機(jī)物的分離）有機(jī)物的分離 由于吸附樹(shù)脂具有巨大的比表面，不同的吸附由于吸附樹(shù)脂具有巨大的比表面，不同的吸附樹(shù)脂有不同的極性，所以可用來(lái)分離有機(jī)物。例樹(shù)脂有不同的極性，所以可用來(lái)分離有機(jī)物。例如，含酚廢水中酚的提取，有機(jī)溶液的脫色等等。如，含酚廢水中酚的提取，有機(jī)溶液的脫色等等。（2）在醫(yī)療衛(wèi)生中的

18、應(yīng)用）在醫(yī)療衛(wèi)生中的應(yīng)用 吸附樹(shù)脂可作為血液的清洗劑。這方面的應(yīng)用吸附樹(shù)脂可作為血液的清洗劑。這方面的應(yīng)用研究正在開(kāi)展，已有搶救安眠藥中毒病人的成功研究正在開(kāi)展，已有搶救安眠藥中毒病人的成功例子。例子。（3）藥物的分離提?。┧幬锏姆蛛x提取 在在紅霉索、絲裂霉素、頭孢菌素等抗菌素的紅霉索、絲裂霉素、頭孢菌素等抗菌素的提取提取中，已采用吸附樹(shù)脂提取法。由于吸附樹(shù)脂中，已采用吸附樹(shù)脂提取法。由于吸附樹(shù)脂不受溶液不受溶液pH值的影響，不必調(diào)整抗菌素發(fā)酵液的值的影響，不必調(diào)整抗菌素發(fā)酵液的pH值，因此不會(huì)造成酸、堿對(duì)發(fā)酵液活性的破壞。值，因此不會(huì)造成酸、堿對(duì)發(fā)酵液活性的破壞。 用吸附樹(shù)脂對(duì)用吸附樹(shù)脂對(duì)中草藥中有效成分的提取中草藥中有效成分的提取研究工研究工作正在開(kāi)展，在作正在開(kāi)展，在人參皂甙、絞股蘭、甜葉菊等的人參皂甙、絞股蘭、甜葉菊等的提取提取中已取得卓著的成績(jī)。中已取得卓著的成績(jī)。（4）在制酒工業(yè)中的應(yīng)用）在制酒工業(yè)中的應(yīng)用 酒中的酒中的高級(jí)脂肪酸脂易溶于乙醇而不溶于水高級(jí)脂肪酸脂易溶于乙醇而不溶于水，因，因此當(dāng)制備低度白酒時(shí)，需向高度酒中加水稀釋。隨著此當(dāng)制備低度白酒時(shí)，需向高度酒中加水稀釋。隨著高級(jí)脂肪酸脂類(lèi)溶解度的