新型离子交换纤维材料的应用研究进展

代立波，冯 韧，赵宏亮

（1.福建工程学院生态环境与城市建设学院，福建 福州 350118；2.福建工程学院化工安全研究所，福建 福州 350118）

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。此外，离子交换纤维材料可以根据工业用途设计成口罩、单丝、网状等形式。近年来，离子交换纤维已广泛应用于有害物质的深度净化、微量元素的分离、有害气体的净化保护等领域。本文对近年来离子交换纤维功能材料在各个领域的应用现状进行了分析和总结，以期为新型功能纤维材料的性能评价提供参考。

1 工业废水和微量金属处理

随着社会经济的快速发展，水污染对生态环境和人类健康构成了严重威胁，其中重金属污染是一个不可忽视的问题。近年来，政府有关部门越发重视环境保护，并提出了有效的法律法规和排放标准。离子交换纤维材料能有效去除水中的铬、汞、镁、钙等重金属离子，并具有良好的吸附动力学和吸附能力。Bouchoum 等[2]利用一种新型的聚丙烯腈基偕胺肟螯合纤维，对溶液中的六价铬进行处理，通过静态吸附实验研究，发现六价铬的吸附量最高可达32.57mg·g-1，吸附过程符合Langmuir 动力学模型，并且属于物理吸附。Nam 等[3]通过柱吸附实验，考察了聚丙烯腈基多胺离子交换纤维对溶液中六价铬的吸附性能，最高吸附容量可达242.8mg·g-1，并且纤维再生5 次后性能仍保持良好。实验中还发现，纤维中的部分伯胺基被六价铬氧化为亚胺。Xu 等[4]以一种胺基磷酸螯合纤维为吸附剂，考察其对溶液中汞离子的静态吸附性能。研究结果表明，在其他各种共存离子中，该材料在pH=3～11 范围内对汞离子具有良好的吸附效果，吸附量最高为434mg·g-1。Cui 等[5]评价了一种聚乙烯醇多胺离子交换纤维对溶液中镍离子的吸附性能，当溶液pH 为7.0 时，吸附量为91.03mg·g-1，吸附过程符合准二级动力学模型。Deng 等[6]采用一种多胺螯合纤维去除水溶液中的镉离子和铅离子，当溶液pH=6.4 时，静态吸附容量分别为1.47 mmol·g-1、1.01 mmol·g-1，吸附是自发进行的放热过程。As(Ⅴ)是一种剧毒的微量金属离子，姚化杰等[7]利用一种氮甲基咪唑螯合纤维，对溶液中的As(Ⅴ)进行去除，吸附15min 即可达到平衡，砷的残留浓度低于国家饮用水标准。

近年来，离子交换纤维在工业废水处理中的研究也进行得比较多。代立波等[8]设计了一种多柱串联离子交换纤维柱工艺，对电镀含铬废水进行资源化治理。废水经处理后可达标排放，纤维经80 次循环再生后，仍保持良好的吸附性能。罗友元等[9]采用一种自制的伯胺基离子交换纤维，对印染厂的活性染料废水进行治理，脱色率可达90%以上。宋艳阳等[10]考察了一种羧酸基弱酸性离子交换纤维对电镀含镍废水的治理性能，浓度为100～300mg·L-1的含镍电镀废水经柱吸附处理后，可达到国家规定的排放标准。纤维经100 次循环使用后，吸附性能基本保持不变。

此外，离子交换纤维材料也可用于贵金属和痕量金属的富集与检测。Zhang 等[11]通过静态吸附实验，分析氨基咪唑功能纤维对溶液中Au(Ⅲ) 的富集能力，在研究范围内，吸附量最高为130.58mg·g-1，材料用4mol·L-1的盐酸再生5 次后，性能仍能保持稳定。Li 等[12]利用聚苯乙烯弱碱性纤维，从氰化物溶液中浸取Au(Ⅰ)，实验考察了溶液温度、浓度等因素对吸附性能的影响，吸附能力为2.8～3.5mmol·g-1。Xing 等[13]设计了一种对溶液中的Ag+具有高识别能力的变色纤维，银离子的检测限为5.53×10-12mol·L-1。

2 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。He 等[14]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。甄诚等[15]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PM 2.5 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%。原思国等[16]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。凌达仁等[17]以Fiban AK-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。

3 食品脱色及医药分离

离子交换纤维还可用于食品脱色以及中药有效成分的提取，相关研究呈热门的趋势。脱色是食品工业中非常重要的环节，李明愉等[18]将聚苯乙烯离子交换纤维用于蔗糖青汁的色素脱除，考察了阴阳离子交换纤维的装填比例对色素脱除率的影响。装填阴离子交换纤维的脱色效果最好，脱色率为89.15%。徐勇虎等[19]研究了离子交换纤维对菊芋汁的脱色能力，强酸型离子交换纤维与强碱型离子交换纤维按6∶4 体积比混合处理时，脱色性能最佳，比单一强碱型离子交换纤维的色值降低41%。

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。刘廷岳等[20]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。车鑫[21]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。陈涛等[22]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。

4 结语

近年来，离子交换纤维在废水处理、空气净化等环保领域有广泛应用，未来可以从以下几个方面开展研究：1）合理选择离子交换纤维材料的种类，尽量对目标组分具有良好的选择性吸附性能，以提高其纯度；2）进一步优化废水、废气等治理工艺，降低处理成本，提高工业化应用的可能性；3）扩大离子交换纤维材料的应用领域，尤其是考虑在附加值高的生物医药方面的应用。随着纤维功能基团及种类的扩展，相信离子交换纤维将会在多个领域发挥越来越重要的作用。