聚氨酯泡沫材料用于环境中金属离子监测及污染物去除的研究进展

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等
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泡沫聚氨酯吸附去除重金属离子
泡沫聚氨酯除了可用于 痕 量 金 属 的 分 析 检 测 外， 还 可 用 于 废 水 中 金 属 离 子 的 吸 附 与 分 离 。 Zhang Pb 、 将泥炭藓 、 海藻 、 向日葵废料和玉米等 4 种不同的植物废弃物与泡沫聚氨酯复合， 用 于 含 Cu 、
性能强 、 耐老化和抗有机溶剂浸蚀等优点， 在环保与监 测 领 域 中 的 应 用 正 受 到 广 泛 关 注 。 本 文 重 点 综 述 了 聚 氨酯泡沫材料在金属离子富集与分 离 、 固定化微生物去除废水中的重金属离子和有机污染物等环境保护领 域的应用， 并对其应用前景作了展望 。 关键词 聚氨酯泡沫材料 吸附 富集分离 固定化 污染物
聚氨酯泡沫材料用于痕量金属的分析检测
泡沫聚氨酯的孔隙率高 、 比表面积大 、 内外孔相通 、 流体易从泡 沫 内 部 渗 透 及 有 良 好 的 流 体 力 学 性
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具有特殊吸附 、 过滤和捕集功能， 可 作 为 一 种 吸 附 剂 用 于 痕 量 金 属 分 析 。 Bowen 能，
首先将聚氨酯泡
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碱反应使泡沫聚氨酯 表 面 产 生 Ag — O 和 Ag — N 键； 空 气 等 离 子 体 处 理 可 在 泡 沫 聚 氨 酯 的 表 面 形 成 C O 、 C — O — O 功能基， 同时从 C — N （ H ） — 脱去 H 转变为 C N — 功能基 。 整个 过 程 是 通 过 氧 气 和 空气等离子体改性泡沫聚氨酯， 在其表面接枝功能基， 改变了泡沫聚氨 酯 表 面 的 化 学 结 构， 增加反应位 点来促进了银的沉降 。 泡沫聚氨酯表面的含氧官能团的量直接决定了化学气相沉积金属银的量 。
Application of Polyurethane Foam in Metal Ions Monitoring and Wastewater Treatment
Mao Ning ， Zhou Lincheng ， Li Yanfeng *
（ College of Chemitry and Chemical Engineering ，Lanzhou Unversity ，Lanzhou 730000 ）
毛 宁 23 岁， E-mail ： liyf@ lzu． edu． cn 女， 硕士生， 从事环境友好高分子材料研究 。 * 联系人，
201039 ） 资助 兰州大学中央高校基本科研业务费专项资金（ lzujbky20100925 收稿， 2011 0324 接受
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化学通报
2011 年 第 74 卷 第 9 期
The functional group of new polyurethane foam and its protonation
泡沫聚氨酯作为一种分离富集材料应用到分析化学中已有几十 年 的 历 史 ， 目前的工作主要集中在 将具有螯合作用的小分子萃取剂负载于泡沫上以及通过对泡沫聚氨酯进行表面改性来提高其对废水中 快 速， 但仍然存在着稳定性较 痕量金属离子的富集分离效果 。 虽然 负 载 泡 沫 聚 氨 酯 的 制 备 工 艺 简 单 、 差， 甚至会出现干扰测定的问题 。 因此， 越来越多的研究开始侧重于 对 聚 氨 酯 泡 沫 材 料 进 行 化 学 改 性， 以制得功能化泡沫 。
Zn 和 Ni 等金属废水的处理， 研究发现， 负载了以上 4 种植物废弃物的泡沫聚氨酯对这些金属均有较好 的吸附效果， 其中， 复合了泥炭藓的泡沫聚氨酯有最大的螯合金属总量， 当进水浓度为 10mg / L 时， 吸附 金属总量到达 117. 3mg / g 。 为了提高泡沫聚 氨 酯 的 吸 附 容 量 和 选 择 性 等， 许多研究还将无机吸附剂复 增大泡沫的表面积， 提高其稳定性和吸附能力 。 常用的吸附剂有： 活性炭 、 有 合到泡沫上对其进行改性， 无机纳米粒子 、 粉煤灰 、 金属 氧 化 物 等 。 Jang 等 机粘土 、
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http ： / / www． hxtb． org
鉴于聚氨酯泡沫材料在环保及监测领域的应用越来越广泛 前景作了展望 。
， 本文重点综述了 聚 氨 酯 泡 沫 材 料 在
金属离子富集与分离 、 固定化微生物去除环境中的污染物和重金属等环境保护领域的应用 ， 并对其应用
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聚氨酯泡沫材料用于金属离子富集与分离
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以 2-巯基苯并
［ 2-基］ 噻唑（ MBT ） 为原料， 合成出 2苯并噻唑 硫代乙醇， 将其作为功能性 单 体 与 聚 氨 酯 反 应 制 备 了 功 能化泡沫聚氨酯， 用来富集分离废水中的 Cr （ Ⅵ ） 。 静 态 吸 附 实 验 表 明， 所制备的功能化泡沫聚氨酯对 Cr （ Ⅵ ） 的吸附量比未改性泡沫的吸附量高出 2 ～ 3 倍， 饱和吸附量可达到 555. 56 μ g / g 。 吸附机理表明， 未改性泡沫的捕集能力仅依靠其多孔结构和大的比表面积， 是物理吸附； 而功能化泡沫的捕集能力取决 于物理吸附以及金属离子与功能基之间的螯合作用的共同作用 。 当待吸附溶液的 pH 由原来的 5. 6 调 功能化泡沫的吸附量明显增大， 原因 在 于 pH 为 2. 0 时， 功能化泡沫中噻唑环上的 N 发生质 至 2. 0 时，
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将负载了各种萃取剂的泡沫聚氨酯作为固定相， 研究了镍 、 铋、 钯、 铈、 钒、 铁与钴等金属的富集与
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取得了很好的分离效果 。 Santos 等 分离， 子有较高的选择 性 。 Lee 等 等
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的研究发现， 用硫氰酸盐改性的泡沫聚氨酯对吸附钼五价离
研 究 发 现， 负 载 了 丁 二 酮 肟 的 泡 沫 聚 氨 酯 可 选 择 性 地 萃 取 镍； Ramesh
［2］
。通过改变原料组
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配方比例 、 合成条件等方法可以制得不同软硬度 、 耐燃性 、 耐温性 、 耐化学性以及具有良好机械强度 成、 的泡沫塑料制品 。 例如， 用淀粉作为 多 羟 基 化 合 物 合 成 易 生 物 降 解 聚 氨 酯 泡 沫 材 料 摩尔比和泡沫聚氨酯的孔径， 可提高其压缩 性
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； 增 大 NCO / OH
； 增 加 搅 拌 速 率， 可缩小泡沫的孔径
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； 增加扩链剂 2，
2-二羟甲基丁酸（ DMBA ） 的量， 可提高材料拉伸强度和耐老化性能 。 泡沫聚氨酯具有多孔结构 、 大的 比 表 面 积 、 其 分 子 中 有 大 量 的 极 性 基 团， 如 羰 基 （ ＞ C O ） 和 亚 氨 基（ ＞ N — H ） 。 因此， 聚氨酯泡沫材料既可通过范德华力的作用， 也可靠氢键实现对金 属 离 子 、 有机物等 聚氨酯分 子 的 醚 键 对 与 醚 类 溶 剂 混 溶 的 有 机 物 （ 如 苯 胺 等 ） 也 具 有 很 好 的 吸 附 效 的有效吸附 。 此外， 果， 可作为吸附剂用于水环境中有机物的富集分离过程 。 其次， 泡沫 聚 氨 酯 具 有 丰 富 的 孔 结 构， 能为微 生物提供较大增殖生长空间， 还可用来负载微生物降解废水及废气中的污染物 。
用负载了哌啶二硫代氨基甲酸的聚氨 酯 来 同 时 富 集 和 检 测 镉 、 钴、 铜、 锰、 镍、 铅 和 锌， 也取得了较
好的结果 。 由此可见， 负载有小分子萃取剂的泡沫聚氨酯对金属有更快的吸附速率和更好的分离效果 。 所负载的配体的性质是影响改性后泡沫聚氨酯的选择性和吸附能力的重要因素 。 对泡沫聚氨酯表面化学改性也可 以 提 高 其 选 择 性 和 吸 附 能 力 。 例 如， 采用电离的气体离子（ 等离 子体） 撞击待处理的泡沫表面， 能使其表面发生化 学 键 的 断 裂， 形 成 一 定 量 的 极 性 基 团、 不饱和键以及 从而不同程度地提高泡沫 聚 氨 酯 表 面 的 极 性 交联层，
沫材料引入分析领域， 用它富集检测卤化物水相中具有高极化率的自由分子 ， 如 I2 、 芳香化合物 、 连二硫 金、 铁、 铑、 锑、 钼、 铊、 铼等络离子 。 但是， 未经过改性的泡沫聚氨酯吸附速率慢 、 选择性差 、 分 酸盐和汞 、 离效率低， 从而影响到对金属离子检测的效果 。 经过小分子 萃 取 剂 负 载 改 性 的 泡 沫 聚 氨 酯 对 金 属 离 子 具 有 更 好 的 选 择 性 和 吸 附 能 力 。 Braun 等
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。 Monim 等［12］ 用 等 离 子 体 改 性 泡 沫 聚 氨 酯 来 被取代， 此酸
［ （ fod ） 沉积金属银， 并通过 X 射线和红外光谱对其结构进行了研究， 发现在未改性的泡沫聚氨酯表面， Ag （ P （ CH 3 ） 3 ） ］ （ 图式 1 ） 和泡沫聚氨酯表面的 C O 、 N — H 及 C — O — C 基反应， P （ CH 3 ）
Abstract
Polyurethane foam has been widely used in environmental protection and monitoring fields because of
its outstanding properties such as being easily formed ，low cost ，abundant pore structure ，large specific surface area ， adsorption performance ，the features of anti-aging and anti-erosion etc． The application of polyurethane foam in the preconcentration and separation of metal ions ， the analysis and detection of inorganic and organic matters ， the adsorption and immobilization of microorganism to remove heavy metal and degrade organic pollutants ，as well as other fields of environmental protection was reviewed in brief． The prospects of its application were also discussed． Keywords Polyurethane ，Adsorption ，Degradation ，Immobilization ，Pollutants