第2章吸附分离功能高分子2-1

1、第第2章章 吸附分离功能高分子吸附分离功能高分子杨珊杨珊渭南师范学院渭南师范学院 化学与环境学院化学与环境学院2016.05吸附分离功能高分子材料吸附分离功能高分子材料n又称为又称为高分子吸附剂高分子吸附剂或或高分子树脂高分子树脂，是功，是功能高分子材料的一个重要分支。它利用高能高分子材料的一个重要分支。它利用高分子材料与被吸附物质之间的各种相互作分子材料与被吸附物质之间的各种相互作用，使其发生暂时或永久性结合，从而发用，使其发生暂时或永久性结合，从而发生各种功能的材料。生各种功能的材料。目录n2.1 概述概述n2.2 吸附树脂吸附树脂n2.3 离子交换树脂离子交换树脂n2.4 螯合树脂螯合树

2、脂n2.5 高吸水树脂高吸水树脂n2.6 高吸油树脂高吸油树脂吸附分离功能高分子的发展简史吸附分离功能高分子的发展简史 吸附分离功能高分子主要包括吸附分离功能高分子主要包括离子交换树脂离子交换树脂和和吸附树吸附树脂脂。从广义上讲，吸附分离功能高分子还应该包括。从广义上讲，吸附分离功能高分子还应该包括高分子高分子分离膜材料分离膜材料。但由于高分子分离膜在材料形式、分离原理。但由于高分子分离膜在材料形式、分离原理和应用领域有其特殊性，因此将在第和应用领域有其特殊性，因此将在第8 8章中详细介绍。章中详细介绍。 离子交换树脂是指具有离子交换基团的高分子化合物离子交换树脂是指具有离子交换基团的高分子化

3、合物。它具有一般聚合物所没有的新功能它具有一般聚合物所没有的新功能离子交换功能，本质离子交换功能，本质上属于反应性聚合物。上属于反应性聚合物。吸附树脂是指具有特殊吸附功能的一吸附树脂是指具有特殊吸附功能的一类树脂类树脂。 离子交换树脂是最早出现的功能高分子材料，其历史可离子交换树脂是最早出现的功能高分子材料，其历史可追溯到上世纪追溯到上世纪30年代。年代。1935年英国年英国Adams和和Holmes发表了发表了关于酚醛树脂和苯胺甲醛树脂的离子交换性能的工作报告，关于酚醛树脂和苯胺甲醛树脂的离子交换性能的工作报告，开创了离子交换树脂领域，同时也开创了功能高分子领域开创了离子交换树脂领域，同时也

4、开创了功能高分子领域。3.1.1 3.1.1 吸附分离功能高分子的发展简史吸附分离功能高分子的发展简史 离子交换树脂可以使水不经过蒸馏而脱盐，既简便又离子交换树脂可以使水不经过蒸馏而脱盐，既简便又节约能源。因此根据节约能源。因此根据Adams和和Holmes的发明，带有的发明，带有磺酸磺酸基和氨基的酚醛树脂基和氨基的酚醛树脂很快就实现了工业化生产并在水的脱很快就实现了工业化生产并在水的脱盐中得到了应用。盐中得到了应用。 1944年年 DAlelio 合成了具有优良物理和化学性能的合成了具有优良物理和化学性能的磺化磺化苯乙烯苯乙烯-二乙烯苯共聚物离子交换树脂二乙烯苯共聚物离子交换树脂及及交联聚丙

5、烯酸树交联聚丙烯酸树脂脂，奠定了现代离子交换树脂的基础。，奠定了现代离子交换树脂的基础。 此后，此后，Dow化学公司的化学公司的 Bauman 等人开发了等人开发了苯乙烯系苯乙烯系磺酸型强酸性离子交换树脂磺酸型强酸性离子交换树脂并实现了工业化；并实现了工业化；Rohm & Hass公司的公司的Kunin等人则进一步研制了等人则进一步研制了强碱性苯乙烯强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂系阴离子交换树脂和和弱酸性丙烯酸系阳离子交换树脂弱酸性丙烯酸系阳离子交换树脂。这些离子交换树脂除应用于水的脱盐精制外，还用于这些离子交换树脂除应用于水的脱盐精制外，还用于药物提取纯化、稀土元素的分离纯化、蔗糖及葡萄糖药物

6、提取纯化、稀土元素的分离纯化、蔗糖及葡萄糖溶液的脱盐脱色等。溶液的脱盐脱色等。3.1.1 3.1.1 吸附分离功能高分子的发展简史吸附分离功能高分子的发展简史3.1.1 3.1.1 吸附分离功能高分子的发展简史吸附分离功能高分子的发展简史 离子交换树脂发展史上的另一个重大成果是离子交换树脂发展史上的另一个重大成果是大孔型树大孔型树脂脂的开发。的开发。2020世纪世纪5050年代末，国内外包括我国的南开大学年代末，国内外包括我国的南开大学化学系在内的诸多单位几乎同时合成出大孔型离子交换树化学系在内的诸多单位几乎同时合成出大孔型离子交换树脂。与凝胶型离子交换树脂相比，大孔型离子交换树脂具脂。与凝胶

7、型离子交换树脂相比，大孔型离子交换树脂具有机械强度高、交换速度快和抗有机污染的优点，因此很有机械强度高、交换速度快和抗有机污染的优点，因此很快得到广泛的应用。快得到广泛的应用。 60年代后期，离子交换树脂除了在品种和性能等方面年代后期，离子交换树脂除了在品种和性能等方面得到了进一步的发展，更为突出的是应用得到迅速的发展。得到了进一步的发展，更为突出的是应用得到迅速的发展。除了传统的除了传统的水的脱盐、软化水的脱盐、软化外，在外，在分离、纯化、脱色、催分离、纯化、脱色、催化化等方面得到广泛的应用。等方面得到广泛的应用。 例如离子交换树脂在水处理以外的应用由例如离子交换树脂在水处理以外的应用由80

8、年代以前占年代以前占离子交换树脂总用量的不足离子交换树脂总用量的不足10增加到目前的增加到目前的30左右。左右。3.1.1 3.1.1 吸附分离功能高分子的发展简史吸附分离功能高分子的发展简史 从离子交换树脂出发，还引申发展了一些很重要的功从离子交换树脂出发，还引申发展了一些很重要的功能高分子材料。如能高分子材料。如离子交换纤维、吸附树脂、螯合树脂、离子交换纤维、吸附树脂、螯合树脂、聚合物固载催化剂、高分子试剂、固定化酶聚合物固载催化剂、高分子试剂、固定化酶等。这一最传等。这一最传统的功能高分子材料正以崭新的姿态在统的功能高分子材料正以崭新的姿态在2121世纪发挥重要的世纪发挥重要的作用。作用

9、。 离子交换纤维离子交换纤维是在离子交换树脂基础上发展起来的一是在离子交换树脂基础上发展起来的一类新型材料。其基本特点与离子交换树脂相同，但外观为类新型材料。其基本特点与离子交换树脂相同，但外观为纤维状，并还可以不同的织物形式出现，如中空纤维、纱纤维状，并还可以不同的织物形式出现，如中空纤维、纱线、布、无纺布、毡、纸等。线、布、无纺布、毡、纸等。3.1.1 3.1.1 吸附分离功能高分子的发展简史吸附分离功能高分子的发展简史 吸附树脂吸附树脂也是在离子交换树脂基础上发展起来的一类新也是在离子交换树脂基础上发展起来的一类新型树脂，是指一类多孔性的、高度交联的高分子共聚物，又型树脂，是指一类多孔性

10、的、高度交联的高分子共聚物，又称为高分子吸附剂。这类高分子材料具有较大的比表面积和称为高分子吸附剂。这类高分子材料具有较大的比表面积和适当的孔径，可从气相或溶液中吸附某些物质。适当的孔径，可从气相或溶液中吸附某些物质。 在吸附树脂出现之前，用于吸附目的的吸附剂已广泛使在吸附树脂出现之前，用于吸附目的的吸附剂已广泛使用，例如活性氧化铝、硅藻土、白土和硅胶、分子筛、活性用，例如活性氧化铝、硅藻土、白土和硅胶、分子筛、活性炭等。而炭等。而吸附树脂是吸附剂中的一大分支，是吸附剂中品种吸附树脂是吸附剂中的一大分支，是吸附剂中品种最多、应用最晚的一个类别最多、应用最晚的一个类别。 3.1.1 3.1.1

11、吸附分离功能高分子的发展简史吸附分离功能高分子的发展简史 吸附树脂出现于吸附树脂出现于上一世纪上一世纪60年代年代，我国于，我国于1980年年以后才开始有工业规模的生产和应用。目前吸附树脂以后才开始有工业规模的生产和应用。目前吸附树脂的应用已遍及许多领域，形成一种独特的吸附分离技的应用已遍及许多领域，形成一种独特的吸附分离技术。由于结构上的多样性，吸附树脂可以根据实际用术。由于结构上的多样性，吸附树脂可以根据实际用途进行选择或设计，因此发展了许多有针对性用途的途进行选择或设计，因此发展了许多有针对性用途的特殊品种。这是其他吸附剂所无法比拟的。也正是由特殊品种。这是其他吸附剂所无法比拟的。也正是

12、由于这种原因，吸附树脂的发展速度很快，新品种、新于这种原因，吸附树脂的发展速度很快，新品种、新用途不断出现。吸附树脂及其吸附分离技术在各个领用途不断出现。吸附树脂及其吸附分离技术在各个领域中的重要性越来越突出。域中的重要性越来越突出。3.1.1 3.1.1 吸附分离功能高分子的发展简史吸附分离功能高分子的发展简史2.1 概述概述n基本概念基本概念n吸附（吸附（adsorption）：指液体或气体中的分子通过各种相互作用）：指液体或气体中的分子通过各种相互作用（如离子键、配位键、氢键或分子间作用力）结合在固体材料表（如离子键、配位键、氢键或分子间作用力）结合在固体材料表面上。面上。n吸附选择性（

13、吸附选择性（adsorptive selectivity or selective adsorption）：固体）：固体物质对液体或气体中的不同组分的吸附性有差别，即具有吸附选物质对液体或气体中的不同组分的吸附性有差别，即具有吸附选择性。择性。n吸附性分离（吸附性分离（adsorptive seperation）：利用吸附选择性实现分离）：利用吸附选择性实现分离复杂物质和进行产品提纯的方法。复杂物质和进行产品提纯的方法。n分离：被吸附的物质或分子分离：被吸附的物质或分子（吸附质）（吸附质）从原先所在的相中被从原先所在的相中被分离分离出来出来n富集：吸附质在另一相（富集：吸附质在另一相（吸附相吸

14、附相，吸附剂吸附剂）表面堆积或）表面堆积或富集富集n吸附分离功能高分子材料：又称为高分子吸附剂或高分子树脂，吸附分离功能高分子材料：又称为高分子吸附剂或高分子树脂，是功能高分子材料的一个重要分支。它利用高分子材料与被吸附是功能高分子材料的一个重要分支。它利用高分子材料与被吸附物质之间的各种相互作用，使其发生暂时或永久性结合，从而发物质之间的各种相互作用，使其发生暂时或永久性结合，从而发生各种功能的材料。生各种功能的材料。n吸附按机理分类：吸附按机理分类：化学吸附：离子键、共价键、配位键化学吸附：离子键、共价键、配位键物理吸附：范德华力、偶极偶极相互作用、氢键物理吸附：范德华力、偶极偶极相互作用

15、、氢键亲和吸附：抗原亲和吸附：抗原- -抗体、配体抗体、配体- -受体、酶受体、酶- -底物、底物、互补互补DNADNA链等特异性相互作用链等特异性相互作用吸附剂的分类吸附剂的分类高分子吸附剂的分类（高分子吸附剂的分类（7）n非离子型的高分子吸附树脂非离子型的高分子吸附树脂n离子型的的高分子吸附树脂离子型的的高分子吸附树脂n金属离子配位型的螯合树脂金属离子配位型的螯合树脂n亲水性的高分子吸水剂亲水性的高分子吸水剂n亲油性的高分子吸油剂亲油性的高分子吸油剂n离子交换膜（第离子交换膜（第8章）章）n高分子电解质絮凝剂（不讲）高分子电解质絮凝剂（不讲）高分子吸附剂的优势（高分子吸附剂的优势（4）：）

16、：n性能可调：性能可调：在聚合物骨架内可以通过化学或物理作用引入在聚合物骨架内可以通过化学或物理作用引入不同结构与性能的基团进行改性，从而得到不同结构与性能的基团进行改性，从而得到本体性能本体性能与与表表面性能面性能均十分优异的各种用途的吸附剂均十分优异的各种用途的吸附剂n吸附面积可调：吸附面积可调：通过调整制备工艺，可以制作各种规格的通过调整制备工艺，可以制作各种规格的多孔性材料，是吸附剂有效吸附面积大大增加多孔性材料，是吸附剂有效吸附面积大大增加n溶胀利于吸附：溶胀利于吸附：具有一定交联度的聚合物在溶剂中溶胀后，具有一定交联度的聚合物在溶剂中溶胀后，充分扩张的三维结构又为吸附的动力学过程提

17、供便利充分扩张的三维结构又为吸附的动力学过程提供便利 条条件件n综合性能优越：综合性能优越：强度高，寿命长，耐氧化，耐辐射，耐热，强度高，寿命长，耐氧化，耐辐射，耐热，易再生和回收易再生和回收2.1.1 影响吸附分离功能的因素影响吸附分离功能的因素(3)2.2.4 吸附树脂的应用吸附树脂的应用（1）有机物的分离）有机物的分离 由于吸附树脂具有巨大的比表面，不同的吸附由于吸附树脂具有巨大的比表面，不同的吸附树脂有不同的极性，所以可用来分离有机物。例树脂有不同的极性，所以可用来分离有机物。例如，含酚废水中酚的提取，有机溶液的脱色等等。如，含酚废水中酚的提取，有机溶液的脱色等等。（2）在医疗卫生中的

18、应用）在医疗卫生中的应用 吸附树脂可作为血液的清洗剂。这方面的应用吸附树脂可作为血液的清洗剂。这方面的应用研究正在开展，已有抢救安眠药中毒病人的成功研究正在开展，已有抢救安眠药中毒病人的成功例子。例子。（3）药物的分离提取）药物的分离提取 在在红霉索、丝裂霉素、头孢菌素等抗菌素的红霉索、丝裂霉素、头孢菌素等抗菌素的提取提取中，已采用吸附树脂提取法。由于吸附树脂中，已采用吸附树脂提取法。由于吸附树脂不受溶液不受溶液pH值的影响，不必调整抗菌素发酵液的值的影响，不必调整抗菌素发酵液的pH值，因此不会造成酸、碱对发酵液活性的破坏。值，因此不会造成酸、碱对发酵液活性的破坏。 用吸附树脂对用吸附树脂对中草药中有效成分的提取中草药中有效成分的提取研究工研究工作正在开展，在作正在开展，在人参皂甙、绞股兰、甜叶菊等的人参皂甙、绞股兰、甜叶菊等的提取提取中已取得卓著的成绩。中已取得卓著的成绩。（4）在制酒工业中的应用）在制酒工业中的应用 酒中的酒中的高级脂肪酸脂易溶于乙醇而不溶于水高级脂肪酸脂易溶于乙醇而不溶于水，因，因此当制备低度白酒时，需向高度酒中加水稀释。随着此当制备低度白酒时，需向高度酒中加水稀释。随着高级脂肪酸脂类溶解度的