代立波，馮 韌，趙宏亮

（1.福建工程學院生態(tài)環(huán)境與城市建設(shè)學院，福建 福州 350118；2.福建工程學院化工安全研究所，福建 福州 350118）

離子交換纖維是一類具有吸附分離作用的功能材料，纖維上的活性中心主要包括酸性、堿性、螯合等功能基團，可與帶化學電荷的目標離子進行交換[1]。離子交換纖維的表面積大，直徑小，具有明顯的動力學性能，如遷移距離短、吸附速率快、離子去除率高等。此外，離子交換纖維材料可以根據(jù)工業(yè)用途設(shè)計成口罩、單絲、網(wǎng)狀等形式。近年來，離子交換纖維已廣泛應(yīng)用于有害物質(zhì)的深度凈化、微量元素的分離、有害氣體的凈化保護等領(lǐng)域。本文對近年來離子交換纖維功能材料在各個領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀進行了分析和總結(jié)，以期為新型功能纖維材料的性能評價提供參考。

1 工業(yè)廢水和微量金屬處理

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，水污染對生態(tài)環(huán)境和人類健康構(gòu)成了嚴重威脅，其中重金屬污染是一個不可忽視的問題。近年來，政府有關(guān)部門越發(fā)重視環(huán)境保護，并提出了有效的法律法規(guī)和排放標準。離子交換纖維材料能有效去除水中的鉻、汞、鎂、鈣等重金屬離子，并具有良好的吸附動力學和吸附能力。Bouchoum 等[2]利用一種新型的聚丙烯腈基偕胺肟螯合纖維，對溶液中的六價鉻進行處理，通過靜態(tài)吸附實驗研究，發(fā)現(xiàn)六價鉻的吸附量最高可達32.57mg·g-1，吸附過程符合Langmuir 動力學模型，并且屬于物理吸附。Nam 等[3]通過柱吸附實驗，考察了聚丙烯腈基多胺離子交換纖維對溶液中六價鉻的吸附性能，最高吸附容量可達242.8mg·g-1，并且纖維再生5 次后性能仍保持良好。實驗中還發(fā)現(xiàn)，纖維中的部分伯胺基被六價鉻氧化為亞胺。Xu 等[4]以一種胺基磷酸螯合纖維為吸附劑，考察其對溶液中汞離子的靜態(tài)吸附性能。研究結(jié)果表明，在其他各種共存離子中，該材料在pH=3～11 范圍內(nèi)對汞離子具有良好的吸附效果，吸附量最高為434mg·g-1。Cui 等[5]評價了一種聚乙烯醇多胺離子交換纖維對溶液中鎳離子的吸附性能，當溶液pH 為7.0 時，吸附量為91.03mg·g-1，吸附過程符合準二級動力學模型。Deng 等[6]采用一種多胺螯合纖維去除水溶液中的鎘離子和鉛離子，當溶液pH=6.4 時，靜態(tài)吸附容量分別為1.47 mmol·g-1、1.01 mmol·g-1，吸附是自發(fā)進行的放熱過程。As(Ⅴ)是一種劇毒的微量金屬離子，姚化杰等[7]利用一種氮甲基咪唑螯合纖維，對溶液中的As(Ⅴ)進行去除，吸附15min 即可達到平衡，砷的殘留濃度低于國家飲用水標準。

近年來，離子交換纖維在工業(yè)廢水處理中的研究也進行得比較多。代立波等[8]設(shè)計了一種多柱串聯(lián)離子交換纖維柱工藝，對電鍍含鉻廢水進行資源化治理。廢水經(jīng)處理后可達標排放，纖維經(jīng)80 次循環(huán)再生后，仍保持良好的吸附性能。羅友元等[9]采用一種自制的伯胺基離子交換纖維，對印染廠的活性染料廢水進行治理，脫色率可達90%以上。宋艷陽等[10]考察了一種羧酸基弱酸性離子交換纖維對電鍍含鎳廢水的治理性能，濃度為100～300mg·L-1的含鎳電鍍廢水經(jīng)柱吸附處理后，可達到國家規(guī)定的排放標準。纖維經(jīng)100 次循環(huán)使用后，吸附性能基本保持不變。

此外，離子交換纖維材料也可用于貴金屬和痕量金屬的富集與檢測。Zhang 等[11]通過靜態(tài)吸附實驗，分析氨基咪唑功能纖維對溶液中Au(Ⅲ) 的富集能力，在研究范圍內(nèi)，吸附量最高為130.58mg·g-1，材料用4mol·L-1的鹽酸再生5 次后，性能仍能保持穩(wěn)定。Li 等[12]利用聚苯乙烯弱堿性纖維，從氰化物溶液中浸取Au(Ⅰ)，實驗考察了溶液溫度、濃度等因素對吸附性能的影響，吸附能力為2.8～3.5mmol·g-1。Xing 等[13]設(shè)計了一種對溶液中的Ag+具有高識別能力的變色纖維，銀離子的檢測限為5.53×10-12mol·L-1。

2 空氣凈化防護

工業(yè)生產(chǎn)過程中，不可避免地會產(chǎn)生二氧化硫、氟化氫、氨和氮氧化物等氣體污染物。近年來，離子交換纖維材料在空氣凈化和保護方面也發(fā)揮了重要作用。He 等[14]合成設(shè)計了一種對二氧化碳具有良好吸附效果的聚丙烯基多胺纖維材料，室溫條件下，胺基官能團的利用率為88.2%，最高吸附容量為5.64mmol·g-1。甄誠等[15]分別將3 種弱酸性、強酸性、強堿性離子交換纖維用于汽車尾氣中顆粒粉塵的去除，3 種材料對PM 2.5 均有明顯的捕集能力，其中弱酸性離子交換纖維的捕集率最高為87.5%。原思國等[16]針對空氣中的HF、SO2、HCl 等酸性污染物的去除做了大量的工作，研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)FA-1 型離子交換纖維對酸性氣體具有良好的耐酸、抗氧化性能，在不同濕度環(huán)境中均發(fā)揮了優(yōu)異的去除性能。凌達仁等[17]以Fiban AK-22 弱堿性纖維為吸附劑，設(shè)計了一套凈化空氣中的酸性介質(zhì)的設(shè)備，研究了空氣流速、酸性介質(zhì)HCl 的濃度等因素對該設(shè)備吸附HCl 尾氣的影響，結(jié)果表明，吸附過程中存在著強鍵和弱鍵兩種作用方式。

3 食品脫色及醫(yī)藥分離

離子交換纖維還可用于食品脫色以及中藥有效成分的提取，相關(guān)研究呈熱門的趨勢。脫色是食品工業(yè)中非常重要的環(huán)節(jié)，李明愉等[18]將聚苯乙烯離子交換纖維用于蔗糖青汁的色素脫除，考察了陰陽離子交換纖維的裝填比例對色素脫除率的影響。裝填陰離子交換纖維的脫色效果最好，脫色率為89.15%。徐勇虎等[19]研究了離子交換纖維對菊芋汁的脫色能力，強酸型離子交換纖維與強堿型離子交換纖維按6∶4 體積比混合處理時，脫色性能最佳，比單一強堿型離子交換纖維的色值降低41%。

離子交換纖維在中藥有效成分的提取、純化等方面也有較多的文獻報道。劉廷岳等[20]將強堿性離子交換纖維用于溶液中葛根素的提取，通過靜態(tài)吸附和柱吸附實驗，確定了最佳的工藝方案，難溶性藥物與離子交換纖維的復合物起到了改善難溶性藥物溶出度的作用。車鑫[21]通過研究聚乙烯醇陽離子交換纖維的載藥釋藥機制，發(fā)現(xiàn)離子交換纖維由于其獨特的表面結(jié)構(gòu)，可有效提高載藥和釋藥的速度，改善難溶性藥物的溶出度，是一種比較理想的藥物輔料。紅霉素工業(yè)生產(chǎn)中的發(fā)酵液需要進行脫色處理，以保證產(chǎn)品質(zhì)量和純度。陳濤等[22]采用一種聚丙烯基強堿性陰離子交換纖維對紅霉素發(fā)酵液進行脫色，考察了脫色時間、pH 值等因素對脫色性能的影響，在適宜的操作條件下，脫色率可達80%以上，并且紅霉素的損耗率不高于1.5%，有效保證了產(chǎn)品質(zhì)量。

4 結(jié)語

近年來，離子交換纖維在廢水處理、空氣凈化等環(huán)保領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，未來可以從以下幾個方面開展研究：1）合理選擇離子交換纖維材料的種類，盡量對目標組分具有良好的選擇性吸附性能，以提高其純度；2）進一步優(yōu)化廢水、廢氣等治理工藝，降低處理成本，提高工業(yè)化應(yīng)用的可能性；3）擴大離子交換纖維材料的應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是考慮在附加值高的生物醫(yī)藥方面的應(yīng)用。隨著纖維功能基團及種類的擴展，相信離子交換纖維將會在多個領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。