离子交换纤维

测试条件
离子体积分数： 500 × 10 － 6 ； 螯合纤维： 0． 5 g；
初始 pH = 5． 0；
搅拌： 室温下搅拌 1 h
图 4 KC11 和 KC31 螯合纤维吸附重金属
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动态吸附能力。 图 6 所 示 为 KC11 对 Zn2 + 的
吸附曲线。Zn2 + 初始体积分数为 10 × 10 － 6 ，试验在非常高的流动速 率条件下进行，因此树脂对离子的 吸 附 不 完 全。 试 验 中 SV = 500 （ SV 即空间速度，为每小时流过的 溶液体积与吸附剂体积的比值） ， 说明 1 h 内有 500 mL 的溶液流过 1 mL 的吸附剂。
关键词： 离子交换，离子交换纤维，螯合纤维
离子交换是一种可以捕获电 解质溶液中的离子，并释放一些特 殊离子的现象。例如： 阳离子交换 树脂是以氢离子作为其磺酸基团 的反离子捕获盐溶液中的钠离子， 同时释放其氢离子（ 图 1） 。通过 这种方法，离子交换基体可以吸附 水溶液中的离子，并用相应的离子 与之交换。
离子交换纤维 SA 阴离子
KC11 螯合纤维 重金属（ 铜、锌、锰、铬……）
KC31 螯合纤维 碘
KC21 螯合纤维 硼（ 硼酸）
图 4（ a） 为不同重金属的水溶 液，溶液颜色相对较深，但加入 KC11
选用柱状方 法测定 Kanecaron 螯 合纤维或树 脂的吸附能 力。 吸 附 测 定操作过程 如图 5 所示。 首先将吸附
（ BTP） ，这个点可用来形容材料的
量生产的螯合纤维在市场上却很
应用这
难见到。
种 方 法，
当前，已开发出几种 Kanecaron Kanecaron 螯
离子交换纤维及螯合纤维。现在 合 纤 维 能 够
有 两 种 Kanecaron 离 子 交 换 纤 很 容 易 地 从
维———SC 和 SA，3 种 Kanecaron 螯 水 中 吸 附 金
由于离子交换纤维具有很高 的吸附速率及稳定的离子交换 /吸 附能力，因 此 可 用 于 污 水 处 理 中， 且在高流动速率和溶液浓度低时 更为有效。离子交换纤维还可用 来选择性吸附低浓度溶液中的贵
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图 8 碘离子吸附曲线
图 10 Kanecaron 离子交换纤维应用前景
不 同 的 形 式。
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剂（ 树脂或纤维） 放入圆柱状容器
中，然 后 注 入 离 子 溶 液，收 集 流 出
的离子溶液并测定其浓度。图中
纵坐标为 C / C0 的比值，其中 C0 为 离子溶液流入时的体积分数，C 为
离子溶液流出后的体积分数。横
坐标为柱床体积，为穿过吸附剂溶
图 3 为这些螯合纤维制作过 程示意图。采用两步法，第一步为 纤维纺丝过程，将丙烯腈与活性聚 合物共混以获得改性聚丙烯腈； 第 二步是取代基的引入过程，将螯合 基团引入活性聚合物中，通过选择 合适的取代基团参与反应可获得 不同类型的螯合纤维。
在第二步过程中，可大量生产 抗张强度足够大的纤维，如通过辐 照接枝聚合制成的聚烯烃螯合纤
Keywords： ion exchange，ion exchange fiber，chelating fiber
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张 遥 译 王依民 校
Ion exchange fibers
Yusuke Hirai，Kaneka Corporation Osaka / Japan
Abstract：
In recent years，many countries have been establishing effluent standards because of the escalating water pollution． For this reason the importance of water treatment is rapidly increasing． At the same time，air pollution is also a big problem． Ion exchange is one of the environmentally-conscious approaches towards these problems，which can apply to the metal removal，metal adsorption，and air purification．
当 C / C0 增大到一定值时，溶 液中的离子没有被完全吸附，这时
和聚苯乙烯皮芯纤维，以及含有氨 拌 1 h 后，溶液颜色几乎没有了， 停止溶液的流动并且开始再生吸
Hale Waihona Puke Baidu
基基团 的 聚 丙 烯 腈 螯 合 纤 维 等。 纤维由于吸附了金属离子而变得 附剂试验。这个点被称为突破点
但这些具有一定抗张强度且可大 有颜色［图 4（ b） ］了。
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离子交换纤维
Y． Hirai 钟渊化学工业株式会社（ 日本）
摘 要： 近几年，由于水污染急剧上升，很多国家不断提高本国的排污标准，污水处理 技术的重要性不断提高，与此同时，空气污染也是一个令各国头疼的问题。离 子交换是解决这两种问题的有效方法，它可以用来除去和吸收废水中的金属 物质，并能净化空气。
图 1 离子交换示例
图 2 是离子交换作用中的特 殊情况———螯合作用，是通过多点 协调的 配 位 作 用 俘 获 金 属 离 子。 相比于普通的离子交换材料，由于 螯合效应的存在，螯合材料对重金 属具有更高的选择性。
离子交 换 纤 维 是 纤 维 化 的 离 子交换材料。由于离子交换纤维 具有较大的表面积，因此吸附速率 更高； 又因为其纤维化的结构而具 有更好的加工性能。表 1 所示为 离子交换纤维与离子交换树脂的 比较。
由此可 见，KC31 的 离 子 吸 附 性能非常好，尤其在高速率流动情 况下，其吸附性能更是远远大于普 通的离子交换树脂。而且 Kanecaron 离子交换纤维还具有良好的加工 性能，可将纤维制成各种形式，如
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图 5 吸附曲线
图 6 Zn2 + 吸附曲线
图 7 Zn2 + 解吸附曲线
将纤维制成卷曲的丝束或短切纤 维，可以制成各种纤维制品，如纱
条、短 切 纤 维、纱 线、非 织 造 布、过 滤介质、机织物、针织物、编织物等
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（ 图 9） 。 这种利用纺丝、聚合物共混及
聚合 物 反 应 相 结 合 的 技 术 生 产 Kanecaron 螯合纤维的方法制成的 纤维具有极好的吸附速率，能有效 吸附即使是稀溶液中的离子。
纤维的直径却只有 0． 01 mm。导 致相同质量下离子交换纤维的表 面积是离子交换树脂的 30 倍。
除这一优点外，离子交换纤维 可加工性好，可制成各种各样的形 式，如 非 织 造 布、纸 张 类、编 织 物 等，但这样的制品可能使离子的吸 附性能下降。
因此需 要 对 离 子 交 换 纤 维 进 行研究，使其具有合适的结构而吸 附速率损失不大，并能加工成各种 各样的形式。
图 8 为 Kanecaron 螯 合 纤 维 KC31 及商业上使用的螯合树脂对 碘离子的吸附曲线。初始碘的体 积分 数 为 280 × 10 － 6 ，SV = 500。 比 较 两 者 的 吸 附 曲 线，发 现： Kanecaron螯 合 纤 维 KC31 显 示 出 良好的吸附性能，在 5% 突破点上 的 SV 值为 1 500，而商业上使用的 螯合树脂该 SV 值 却 只 有 80。通 常情况下，SV 只要在 20 左右就可 用来制造离子交换树脂，而 Kanecaron 离子交换纤维的 SV 值则高达 500。
可 以 预 测，不
图 9 Kanecaron 离子交换纤维的各种形式
久 的 将 来， Kanecaron 螯合
重金属，或去除有害物质，以及用 纤维可应用于螯合树脂不能应用
于普通的污水处理和金属回收。
的场合。
此外，离子交换纤维还可制成
通过回收贵重金属、离子交换
制备纯净 水 和 超 纯 水，除 去 废 水 中 有害金属，以及净化空气，螯合纤维 会在将来环境治理方面做出重大贡 献（ 图 10） 。
合纤维———KC11、KC21 和 KC31， 属 离 子。 已
每种纤维所吸附离子的种类取决 证 实 了 这 种
于其离子交换基团或其螯合基团 纤 维 吸 附 速
（ 表 2） 。
表 2 Kanecaron 纤维及其
率及其加工 性能的优点。
吸附物质
试验中
Kanecaron
吸附物质
离子交换纤维 SC 阳离子
液的体积。本试验中，液体在圆柱
状容器内的停留时间是有限的，因
此在吸附剂饱和之前C /C0 值不断 上升。
由于溶液流动速率越高，溶液
停留的时间越短，因此图 5 中，曲
图 3 Kanecaron 离子交换纤维的生产过程
线由红色转变成黄色。
维，引入了离子交换基团的聚乙烯
和 KC31 螯合纤维，并在室温下搅
由图 6 还可看到 Kanecaron 螯 合树脂 KC11 在 高 流 动 速 率 下 可 以很好地吸附 Zn2 + 。试验结果显 示 5% 突破点的值为 1 300，这意味 着 1 L 的 KC11 离子交换纤维能够 处理 1 300 L 的水。
图 7 为使用 KC11 螯合纤维的 Zn2 + 解 吸 附 曲 线。 可 见，在 1 mol / L 盐酸作用下，被 吸 附 的 Zn2 + 发生了解吸附作用。在多次 耐用测试中，发现经 10 次重复使 用后，KC11 的吸附性能没有改变。
本文介 绍 了 钟 渊 化 学 工 业 株 式会社（ Kaneka） Kanekaron 分部生 产的离子交换纤维（ 尤其是螯合纤 维） 。这些离子交换纤维是由改良 过的丙 烯 酸 纤 维 制 成 的，纤 维 由 50 /50（ 质量分数比） 的丙烯腈和氯 乙烯共聚而成。根据组成成分可 知其具有优异的耐化学腐蚀性，并 可用于螯合作用。
表 1 离子交换纤维与树脂 的比较
树脂
纤维
外形 离子交换速率 加工性能 离子俘获性
颗粒状 中等 不好 好
纤维状 快 好
中等
图 2 螯合作用
相比于离子交换树脂，离子交 换纤维最大的特点是其交换速率 高，这 是 因 为 它 具 有 较 大 的 表 面 积。工业上使用的离子交换树脂 直径通常为0 ． 5 mm，但离子交换