吸附分离高分子材料资料.
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第二章 吸附分离功能高分子材料
2.1 概述
2.1.1 吸附及吸附分离功能高分子的概念 1、吸附及吸附分离
吸附？
吸附的分类（按吸附机理分类） 化学吸附 物理吸附 亲和吸附
2、高分子吸附剂的概念
• 是一种具有物质传递功能的高分子材料 • 利用高分子材料与被吸附物质之间的物理或者化学作用，
使两者发生暂时或者永久性结合，进而发生各种功效 • 物理或者化学作用包括物理吸附，范德华力，静电力，配
（4）强极性吸附树脂 强极性吸附树脂含有极性很强的基团，如吡啶、
氨基等。
2.2.3 吸附树脂的制备合成
次甲基丁二酸
2.2.4 大孔吸附树脂的吸附机理与解吸
(1)吸附树脂的吸附机理
• 非离子型共聚物，借助于范德华力从溶液中吸附 各种有机物，其吸附能力与树脂的化学结构、物 理性能以及与溶质、溶剂的性质有关。通常遵循 以下规律：
1、骨架结构的合成（成球和致孔）
为了保证吸附树脂在使用时不被溶解，其骨架结构通常需有一定程度的 交联，常常是由单乙烯基单体和多乙烯基交联单体共聚而成的交联结构，可 以有无定形、珠状和纤维状三种基本形态，其中珠状材料应用最为广泛。
• 成珠技术:
•
悬浮聚合
•
沉淀聚合
•
乳液聚合
50～1500μm 微米级 0.05～0.7μm
• 其中以悬浮聚合的应用最为广泛。
悬浮聚合所得的交联聚合物小球为凝胶型，凝胶型交联小球在干态时孔隙非 常小，只有在添加良溶剂后才会重构一定的孔隙。因此，凝胶型交联小球常常必 须在良溶剂中使用。如果在聚合反应过程中加入致孔剂，则可得到大孔型交联小 球，其多孔结构是永久的，在气相和不良溶剂中也可使用，并且大孔型交联小球 比凝胶型交联小球吸附能力更强，在进行化学改性时，更容易获得高的功能基引
2.2.2 吸附树脂的分类 吸附树脂有许多品种，吸附能力和所吸附物Fra Baidu bibliotek的
种类也有区别。但其共同之处是具有多孔性，并具有 较大的表面积。吸附树脂目前尚无统一的分类方法， 通常按其化学结构分为以下几类。 （1）非极性吸附树脂
指树脂中电荷分布均匀，在分子水平上不存在正 负电荷相对集中的极性基团的树脂。代表性产品为由 苯乙烯和二乙烯苯聚合而成的吸附树脂。
入率。
• 引入不同官能团调节极性Polarity
• 调整交联度(Cross-linking degree)改善溶胀 性(swelling capacity)
• 调节制备工艺以制备多规格多孔材料(Pore size and density)
• 2、致孔技术
•
•
（1） 惰性稀释剂致孔
•
•
（2）线形高分子致孔
（3）后交联成孔
（4）无机纳米微粒成孔
2.2 非离子型吸附树脂（吸附树脂）
2.2.1 吸附树脂的结构与特点
特点：脱色去臭效果理想；对有机物具有良好的选择性； 物化性质稳定；机械强度好；吸附速度快；解吸、再 生容易。
• 但价格昂贵，吸附效果易受流速以及溶质浓度等因素 的影响。
吸附树脂的外观一般为直径为0.3～1.0 mm的小圆 球，表面光滑，根据品种和性能的不同可为乳白色、 浅黄色或深褐色。吸附树脂的颗粒的大小对性能影响 很大。粒径越小、越均匀，树脂的吸附性能越好。但 是粒径太小，使用时对流体的阻力太大，过滤困难， 并且容易流失。粒径均一的吸附树脂在生产中尚难以 做到，故目前吸附树脂一般具有较宽的粒径分布。
（2）按其形态可分为无定形、珠状、纤维状；
按其孔结构的不同，可分为微孔型（凝胶型）、中孔型、大孔型、 特大孔型等。
（3）按来源分类
天然来源的吸附分离性能高分子 • 改性淀粉，纤维素，壳聚糖（Modified starch，cellulose, chitosan）
• 合成的吸附性高分子 • 离子交换树脂（聚苯乙烯骨架）ion exchange resin • 高分子螯合剂（骨架含O，N，P，S，可与金属形成配位键）polymeric
吸附树脂手感坚硬，有较高的强度。密度略大于 水，在有机溶剂中有一定溶胀性。但干燥后重新收 缩。而且往往溶胀越大时，干燥后收缩越厉害。使用 中为了避免吸附树脂过度溶胀，常采用对吸附树脂溶 胀性较小的乙醇、甲醇等进行置换，再过渡到水。吸 附树脂必须在含水的条件下保存，以免树脂收缩而使 孔径变小。因此吸附树脂一般都是含水出售的。
苯乙烯交联而成，交联剂为二乙烯苯，又称芳香族吸附剂。
（2）中极性吸附树脂 这类树脂的分子结构中存在酯基等极性基团，树
脂具有一定的极性。甲基丙烯酸酯交联而成，交联剂亦 为甲基丙烯酸酯，故又称脂肪族吸附剂。
（3）极性吸附树脂 分子结构中含有酰胺基、亚砜基、腈基等极性基
团，这些基团的极性大于酯基。通常含有硫氧、酰胺、 氮氧等基团。
吸附树脂内部结构很复杂。从扫描电子显微镜下 可观察到，树脂内部像一堆葡萄微球，葡萄珠的大小 约在0.06～0.5μm范围内，葡萄珠之间存在许多空 隙，这实际上就是树脂的孔。研究表明葡萄球内部还 有许多微孔。葡萄珠之间的相互粘连则形成宏观上球 型的树脂。正是这种多孔结构赋予树脂优良的吸附性 能，因此是吸附树脂制备和性能研究中的关键技术。
chelator • 高吸水树脂（骨架上含亲水基团，如-OH，-COOH，COOM，-NH2等）
Super water-absorbent resin
（4）按组成分
无机
分子筛、硅胶、活性炭
有机
比较而言，有机高分子吸附剂
有什么优势？
•（5）按性质分类
2.1.2 影响吸附分离功能的因素 1、内因
1、基本元素组成的影响 2、官能团结构的影响
3、高分子链结构和超分子结构 4、吸附高分子的宏观结构
溶解、溶胀影响吸附 量和选择性
孔径分布、孔隙率、比表面积
2、影响吸附分离功能的外部因素
1、温度
2、周围介质 竞争吸附作用
稀释分散作用和盐析作用 3、pH
3、其他影响因素（动力学因素）
粘度、流动速度和扩散系数等
2.1.3 吸附分离功能高分子的合成
位键及离子键的形成
吸附分离功能高分子主要包括离子交换树脂和吸附树脂。从 广义上讲，吸附分离功能高分子还应该包括高分子分离膜材 料。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，因此将在后面的章中详细介绍。
3、吸附分离功能高分子分类 （1）按其吸附机理可分为化学吸附、物理吸附和亲和
吸附高分子三大类；
2.1 概述
2.1.1 吸附及吸附分离功能高分子的概念 1、吸附及吸附分离
吸附？
吸附的分类（按吸附机理分类） 化学吸附 物理吸附 亲和吸附
2、高分子吸附剂的概念
• 是一种具有物质传递功能的高分子材料 • 利用高分子材料与被吸附物质之间的物理或者化学作用，
使两者发生暂时或者永久性结合，进而发生各种功效 • 物理或者化学作用包括物理吸附，范德华力，静电力，配
（4）强极性吸附树脂 强极性吸附树脂含有极性很强的基团，如吡啶、
氨基等。
2.2.3 吸附树脂的制备合成
次甲基丁二酸
2.2.4 大孔吸附树脂的吸附机理与解吸
(1)吸附树脂的吸附机理
• 非离子型共聚物，借助于范德华力从溶液中吸附 各种有机物，其吸附能力与树脂的化学结构、物 理性能以及与溶质、溶剂的性质有关。通常遵循 以下规律：
1、骨架结构的合成（成球和致孔）
为了保证吸附树脂在使用时不被溶解，其骨架结构通常需有一定程度的 交联，常常是由单乙烯基单体和多乙烯基交联单体共聚而成的交联结构，可 以有无定形、珠状和纤维状三种基本形态，其中珠状材料应用最为广泛。
• 成珠技术:
•
悬浮聚合
•
沉淀聚合
•
乳液聚合
50～1500μm 微米级 0.05～0.7μm
• 其中以悬浮聚合的应用最为广泛。
悬浮聚合所得的交联聚合物小球为凝胶型，凝胶型交联小球在干态时孔隙非 常小，只有在添加良溶剂后才会重构一定的孔隙。因此，凝胶型交联小球常常必 须在良溶剂中使用。如果在聚合反应过程中加入致孔剂，则可得到大孔型交联小 球，其多孔结构是永久的，在气相和不良溶剂中也可使用，并且大孔型交联小球 比凝胶型交联小球吸附能力更强，在进行化学改性时，更容易获得高的功能基引
2.2.2 吸附树脂的分类 吸附树脂有许多品种，吸附能力和所吸附物Fra Baidu bibliotek的
种类也有区别。但其共同之处是具有多孔性，并具有 较大的表面积。吸附树脂目前尚无统一的分类方法， 通常按其化学结构分为以下几类。 （1）非极性吸附树脂
指树脂中电荷分布均匀，在分子水平上不存在正 负电荷相对集中的极性基团的树脂。代表性产品为由 苯乙烯和二乙烯苯聚合而成的吸附树脂。
入率。
• 引入不同官能团调节极性Polarity
• 调整交联度(Cross-linking degree)改善溶胀 性(swelling capacity)
• 调节制备工艺以制备多规格多孔材料(Pore size and density)
• 2、致孔技术
•
•
（1） 惰性稀释剂致孔
•
•
（2）线形高分子致孔
（3）后交联成孔
（4）无机纳米微粒成孔
2.2 非离子型吸附树脂（吸附树脂）
2.2.1 吸附树脂的结构与特点
特点：脱色去臭效果理想；对有机物具有良好的选择性； 物化性质稳定；机械强度好；吸附速度快；解吸、再 生容易。
• 但价格昂贵，吸附效果易受流速以及溶质浓度等因素 的影响。
吸附树脂的外观一般为直径为0.3～1.0 mm的小圆 球，表面光滑，根据品种和性能的不同可为乳白色、 浅黄色或深褐色。吸附树脂的颗粒的大小对性能影响 很大。粒径越小、越均匀，树脂的吸附性能越好。但 是粒径太小，使用时对流体的阻力太大，过滤困难， 并且容易流失。粒径均一的吸附树脂在生产中尚难以 做到，故目前吸附树脂一般具有较宽的粒径分布。
（2）按其形态可分为无定形、珠状、纤维状；
按其孔结构的不同，可分为微孔型（凝胶型）、中孔型、大孔型、 特大孔型等。
（3）按来源分类
天然来源的吸附分离性能高分子 • 改性淀粉，纤维素，壳聚糖（Modified starch，cellulose, chitosan）
• 合成的吸附性高分子 • 离子交换树脂（聚苯乙烯骨架）ion exchange resin • 高分子螯合剂（骨架含O，N，P，S，可与金属形成配位键）polymeric
吸附树脂手感坚硬，有较高的强度。密度略大于 水，在有机溶剂中有一定溶胀性。但干燥后重新收 缩。而且往往溶胀越大时，干燥后收缩越厉害。使用 中为了避免吸附树脂过度溶胀，常采用对吸附树脂溶 胀性较小的乙醇、甲醇等进行置换，再过渡到水。吸 附树脂必须在含水的条件下保存，以免树脂收缩而使 孔径变小。因此吸附树脂一般都是含水出售的。
苯乙烯交联而成，交联剂为二乙烯苯，又称芳香族吸附剂。
（2）中极性吸附树脂 这类树脂的分子结构中存在酯基等极性基团，树
脂具有一定的极性。甲基丙烯酸酯交联而成，交联剂亦 为甲基丙烯酸酯，故又称脂肪族吸附剂。
（3）极性吸附树脂 分子结构中含有酰胺基、亚砜基、腈基等极性基
团，这些基团的极性大于酯基。通常含有硫氧、酰胺、 氮氧等基团。
吸附树脂内部结构很复杂。从扫描电子显微镜下 可观察到，树脂内部像一堆葡萄微球，葡萄珠的大小 约在0.06～0.5μm范围内，葡萄珠之间存在许多空 隙，这实际上就是树脂的孔。研究表明葡萄球内部还 有许多微孔。葡萄珠之间的相互粘连则形成宏观上球 型的树脂。正是这种多孔结构赋予树脂优良的吸附性 能，因此是吸附树脂制备和性能研究中的关键技术。
chelator • 高吸水树脂（骨架上含亲水基团，如-OH，-COOH，COOM，-NH2等）
Super water-absorbent resin
（4）按组成分
无机
分子筛、硅胶、活性炭
有机
比较而言，有机高分子吸附剂
有什么优势？
•（5）按性质分类
2.1.2 影响吸附分离功能的因素 1、内因
1、基本元素组成的影响 2、官能团结构的影响
3、高分子链结构和超分子结构 4、吸附高分子的宏观结构
溶解、溶胀影响吸附 量和选择性
孔径分布、孔隙率、比表面积
2、影响吸附分离功能的外部因素
1、温度
2、周围介质 竞争吸附作用
稀释分散作用和盐析作用 3、pH
3、其他影响因素（动力学因素）
粘度、流动速度和扩散系数等
2.1.3 吸附分离功能高分子的合成
位键及离子键的形成
吸附分离功能高分子主要包括离子交换树脂和吸附树脂。从 广义上讲，吸附分离功能高分子还应该包括高分子分离膜材 料。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，因此将在后面的章中详细介绍。
3、吸附分离功能高分子分类 （1）按其吸附机理可分为化学吸附、物理吸附和亲和
吸附高分子三大类；