米磁珠离子交换树脂的制备及应用研究范文

摘要:纳米磁珠离子交换树脂，具有粒径小，均一程度高，悬浮稳定性好，超顺磁性，操作简便等特点，可用于有效成分分离纯化或某些杂质的处理。随着现在分离制备工艺的提高，纳米磁珠离子交换树脂的开发与应用正在成为研究的热点。本文综述旨在为研究磁性阳离子交换树脂的应用进展提供基本的思路和方法。

关键词:纳米磁珠;离子交换树脂;应用进展

离子交换树脂是一类功能高分子聚合物，结构中含有离子交换功能基、具有网状结构、不溶性的高分子化合物，根据官能团性质不同，可分为强酸、弱酸、强碱、弱碱等类型［1－3］。离子交换树脂在废水处理、医药行业及生物工程领域都有广泛应用，纳米磁珠离子交换树脂是一种磁性高且较稳定的磁性材料，将该磁性材料用于各种物质及天然产物有效成分的富集和纯化，简化了传统柱层析色谱的装柱、上样、洗脱、检测等繁琐过程，该方法更快速、简便、高效、稳定。

1离子交换树脂的类型

1．1阳离子交换树脂

1．1．1强酸性阳离子交换树脂

强酸性阳离子交换树脂的母核结构中用于交换的功能基是强酸性基团，如磺酸基(－SO3H)，该结构在溶液中容易解离出H+表现强酸性。该类树脂解离出H+后，结构中的负电基团(SO3－)可以与溶液中的阳离子型物质发生结合，从而发生了树脂中的H+与溶液中的阳离子物质发生交换吸附，即阳离子交换吸附。该类树脂酸性很强，解离能力强，受溶液pH值影响不大，使用范围较广。离子交换树脂使用一段时间后，可进行再生处理，选用化学试剂使离子交换反应进行反方向反应，使树脂的交换基团恢复到原本状态，可供再次使用。如－SO3H型阳离子交换树脂可选用强酸进行再生处理，树脂解离出被吸附的阳离子，可与H+结合而恢复原本的结构［4］。

1．1．2弱酸性阳离子交换树脂

弱酸性阳的离子树脂含有弱酸性基团，常见的功能基团是羧基－COOH，可在水中解离出H+而呈酸性，余下的负电基团R－COO－可与溶液中的阳离子型物质结合发生吸附，即阳离子交换吸附作用。该类树脂具有的酸性很弱，在pH值小时难以解离并进行离子交换，只能在pH值为5～14的溶液中起作用［5］。这类树脂可在酸性条件下进行再生，与强酸性树脂相比，容易再生。

1．2阴离子交换树脂

1．2．1强碱性阴离子交换树脂

强碱性的阴离子类树脂结构中含有强碱性功能基团，常见的是季胺基－NR3OH，该结构树脂可在水中解离出强碱性的OH－。解离出OH－的树脂具有正电基团，可与溶液中需要交换的阴离子产生结合，而发生阴离子交换作用。这种强碱性离子交换树脂的解离性强，在不同pH值下可正常工作，此类树脂可选用强碱进行再生。

1．2．2弱碱性阴离子交换树脂

弱碱性阴离子型交换树脂具有弱碱性基团，常见的有伯胺基、仲胺基或叔胺基，它们在水中能离解出OH－而呈弱碱性。这种树脂解离出OH－之后的正电基团可与溶液中的阴离子物质结合，而发生阴离子交换吸附作用。该类树脂的交换吸附作用多数是将溶液中的整个酸分子吸附，它只能在pH值为1～9的酸性或中性条件下工作，可选用弱碱Na2CO3或NH4OH进行再生。

2纳米磁珠离子交换树脂的制备

纳米磁珠离子交换树脂是用聚合物粘稠溶液与极细的磁性材料(如r－Fe2O3)混合，在选定的介质中经过机械分散，悬浮交联成为微小的球状磁体［6－8］。包埋材料如果直接是具有功能性的聚合物，制得的树脂为磁性离子交换树脂;如果是不具备功能性基团的“惰性”材料，制备过程中需要经过接枝聚合反应或化学改性的方法使之具有离子交换功能，后一种方法所得的磁性树脂，传质阻力较小，也就是“whisker”树脂。另外，也可以选用预聚体或单体通过化学反应直接聚合在磁粉表面。制备常有下列几种:①本体聚合:将相当于单体量10%～30%的磁性物质(如Fe3O4、Fe2O3)与单体混合，再进行本体聚合，得磁性化合物，磨碎、过筛后得不定型磁性树脂;②悬浮聚合:单体、交联剂与磁性物质混合后，加入引发剂和分散剂，在加热剧烈搅拌下，悬浮聚合即得球珠状的磁性树脂;③包埋接枝:在交聚物微球内用磁粉作为磁芯，然后在聚合物的表面接枝活性分子链，即到壳状磁性树脂;④复合或混合交联:将吸附剂粉末、磁性粉末和粘结剂(或固化剂)混合，聚合得一定规则形状的磁性树脂。吴雪辉［5］等人成功制备了具有磁性的D201型阴离子交换树脂，作者采用化学转化法将D201型阴离子交换树脂在碱性(NaOH溶液2mol/L)条件下制备成磁性较强的磁性树脂。叶振华［7］等人采用悬浮聚合法采用分段升温聚合程序，成功制得具有磁性的大孔吸附型离子交换树脂。万谦宏［8］等人采用包埋接枝法得到具有磁性的脲醛树脂，其中内部的Fe3O4纳米微粒分散均匀，磁性较强。姜斌［9］等人采用包埋接枝法成功制备纳米级磁性离子交换树脂。

3纳米磁珠离子交换树脂的应用

3．1糖液的脱色、再生处理

吴雪辉［6］等人在成功制备了磁性D201型阴离子交换树脂的基础上，并对糖液进行脱色。笔者将该磁性树脂应用于糖液的连续脱色和再生，实验中采用连续化系统，确定了逆向流动工艺，操作简单，实验结果较好，可保持相对比较稳定的脱色率，该研究为促进磁性离子交换树脂更早应用于工业化生产提供了理论依据，奠定了基础。

3．2废水处理应用

纳米磁珠离子交换树脂，该磁性吸附剂相比传统的活性炭吸附剂操作简单、再生容易，该方法为处理各行业的废水脱色开辟了新的途径。李银萍等［10］采用原位共沉淀法将Fe3O4沉淀在离子交换树脂的孔道中制备出磁性离子交换树脂，并测试了其对水体中Cr3+离子的吸附性能，分别采用XRD、SEM、TG和振动样品磁强度计(VSM)等对磁性离子交换树脂进行了结构和性能表征;利用原子吸收光谱(AAS)研究了pH值、Cr3+初始浓度、磁性离子交换树脂的质量、温度和时间等不同因素对吸附性能的影响;结果表明:pH值=6．8，吸附时间为3h，为较为理想的吸附条件;当磁性离子交换树脂的用量为1g/L，Cr3+离子的初始浓度为100mg/L时，单位平衡吸附量为96mg/g。邵泽宽等［11］采用静态实验研究了溶液中四环素在磁性离子交换树脂上的吸附行为，考察了反应物初始浓度，初始pH值等因素对吸附效果的影响，结果表明磁性离子交换树脂对四环素具有良好的吸附效果;准二级动力学模型能更好的描述磁性离子交换树脂对四环素的吸附过程;Freundlich模型更适合描述磁性离子交换树脂对四环素的吸附平衡过程，D－R模型说明吸附过程包含离子交换作用;中性和酸性条件下磁性离子交换树脂对四环素的吸附效果较好;磁性离子交换树脂吸附四环素是自发、吸热和熵增加的反应过程，升温有利于吸附。

3．3天然活性成分的分离

边秀芳等［12］以苹果渣多酚类化合物为吸附模型，制备一种可有效吸附分离苹果渣多酚的磁性树脂，研究其吸附、解吸效能，并就吸附和解吸效能、使用次数与普通大孔树脂进行比较。结果显示，5种普通树脂中D280、H103、AB－8对苹果渣多酚的吸附率均高于80%，AB－8、D3520树脂对苹果渣多酚的解吸率均高于90%，AB－8树脂的吸附率和解吸率最好;磁性大孔树脂吸附0．5h后即可达到吸附平衡，吸附平衡后剩余液多酚质量浓度低于AB－8树脂吸附平衡后剩余液多酚质量浓度，吸附效能明显优于AB－8树脂;磁性大孔树脂解吸效能也略优于AB－8树脂;使用4次后，磁性大孔树脂的吸附率仍然高于70%，稳定性优于AB－8树脂。可见，磁性大孔树脂是一种良好的苹果渣多酚吸附剂，有较好的工业化应用前景。

4结论及展望

磁性高分子功能材料是高分子领域中一个新的研究方向，在污水处理、金属富集、生物工程、医药卫生等方面有重要的应用前景。目前磁性离子交换树脂的制备方法主要采用化学转化、单体聚合和共混法等，并均取得了一定的实效。尽管如此，具体的研究发现，单体聚合和共混法制备的磁性树脂有粒度难于控制磁性较弱和磁性物质分布不均匀等问题，而采用化学转化法基本可以解决这些问题。天然产物有效成分传统的分离纯化工艺以溶剂法、柱层析色谱为主，这些方法需要溶剂选择、装柱、上样、洗脱、检测等繁琐操作过程，而大量文献查阅表明磁性高分子材料吸附天然产物中的有效成分具有工艺简单、快速吸附、耗能较低、成分低、吸附后易于磁分离等优点。随着各行业和科技水平的不断进步和发展，磁性离子交换树脂将在未来发挥更加重要的作用。

参考文献

［1］李振华，平其能，刘国杰．离子交换树脂控制药物释放研究进展［J］．离子交换与吸附，1997，13(6):613－619．

［2］王灿发，汤志勇，范鸿华，等．离子交换树脂在废水处理中的应用［J］．科技资讯，2008(25):84－85．

［3］李为兵，陈卫，戴鸣，等．新型MIEX离子交换树脂在饮用水处理中的应用研究［J］．净水技术，2009，28(5):47－51．

［4］齐秀玲．离子交换树脂催化剂的应用及发展趋势［J］．精细与专用化学品，2012，20(7):15－18．

［5］吴学辉，李琳，郭祀远，等．影响磁性离子交换树脂制备的主要因素［J］．华南理工大学学报，1999，27(10):47－51．

［6］吴雪辉，郭祀远，李琳．磁性阴离子变换树脂的化学转化制备及其特性研究［J］．广西大学学报(自然科学版)，1999，24(2):163－166．

［7］叶振华．磁性大孔吸附离子交换树脂制备法:中国，CN1053622A［P］．1991－08－07．

［8］万谦宏，陈磊，李文斌，等．铁磁性脲醛树脂微球介质及其制备方法:中国，CN1480476［P］．2004－03－10．

［9］姜斌，李鑫钢，张鑫．纳米级实心磁性离子交换树脂球及制备方法:中国，CN1699447［P］．2006－11－29．

［10］李银萍，汤凯，郝营，等．磁性离子交换树脂的制备及其对Cr3+的吸附［J］．材料科学与工程学报，2016，34(2):301－306．

［11］邵泽宽，晏江波，何勇．磁性离子交换树脂对模拟水中四环素的吸附特性研究［J］．四川环境，2017，36(5):7－12．

［12］边秀芳，岳田利．磁性大孔树脂对苹果渣多酚的吸附－解吸效能［J］．西北农业学报，2014，23(9):216－220．

作者:刘振华 郭桐 徐静静 张宇航 李梦梦 张翠利 单位:黄河科技学院