离子交换纤维的开发及应用

周绍箕

离子交换纤维是一种纤维状离子交换材料，其功能包括离子交换、吸附、脱水、催化、脱色等。本文介绍了离子交换纤维的主要制备方法及其应用情况，表明其具有良好的发展前景。

Ion exchange fiber is a kind of material whose function covers ion exchange, absorption, dehydration, catalysis and decoloration. This article introduced the main preparation methods and application of IEF, and presented the prospect of this material.

离子交换纤维（IEF）的研究始于 20世纪 50年代，它是一种纤维状离子交换材料，本身含有固定离子以及和固定离子符号相反的活动离子，当与能解离化合物的溶液接触时，活动离子即可与溶液中相同符号的离子进行交换，故称离子交换纤维。离子交换纤维主要分为 5 类：强酸性阳离子交换纤维、弱酸性阳离子交换纤维、强碱性阴离子交换纤维、弱碱性阴离子交换纤维和两性离子交换纤维，广义上还包括螯合纤维。

离子交换纤维和颗粒状离子交换剂相比有以下特点：（1）几何外形不同，一般颗粒状的直径为 0.3 ～ 1.2mm，而纤维状的直径一般为 10 ～ 50 μm，近几年已开发出了直径小于 1 μm 的纤维；（2）具有较大的比表面积，交换与洗脱速度均较快；（3）可以多种形式应用，如纤维、短纤维、织物、非织造布、毡、网等，因此可用于各种方式的离子交换过程；（4）可以深度净化、吸附微量物质；（5）可吸附、分离有机大分子化合物。

离子交换纤维的发展已有几十年，尤其是近 20 年来发展很快，发表的文章、专利很多。目前国际上以白俄罗斯、俄罗斯、日本等国较成熟，已有相关产品面市。我国在该领域的研究单位包括郑州大学、天津工业大学、北京理工大学、中山大学、北京服装学院等，一些单位已有研制品或批量工业制品。

1离子交换纤维的制备

离子交换纤维的制备主要以化纤为基体经接枝聚合、大分子化学转换法实现，所用化纤主要是聚烯烃、聚丙烯腈、聚乙烯醇、聚氯乙烯、氯乙烯 － 丙烯腈共聚物等的纤维，也有采用聚合物共混纺丝再功能化的。

1.1高聚物化学转换法

以聚乙烯醇纤维为基体制备强酸性阳离子交换纤维和强碱性阴离子交换纤维，是将聚乙烯醇纤维进行氯代乙缩醛反应，使缩醛度达 47% ～ 50%。用硫化钠使纤维大分子交联，再进一步与亚硫酸钠反应，制得强酸性阳离子交换纤维。经缩醛化并交联的纤维和叔胺反应可制得强碱性阴离子交换纤维。以聚乙烯醇纤维为基体也可先经过半碳化反应，使大分子上的羟基进行部分脱水反应，然后再与浓硫酸反应制得强酸性阳离子交换纤维。而半碳化的纤维和环氧氯丙烷反应，再与叔胺反应，可制得强碱性阴离子交换纤维。

商品化聚丙烯腈纤维分子中主要含腈基，也含少量羧基、酯基，以其为基体可制取离子交换纤维。以二乙烯三胺或硫酸肼为交联剂，经水解反应可制得弱酸性阳离子交换纤维，交换量可达 3 ～ 7 mmol/g，也可调整反应条件制备同时含羧基和胺基的阴、阳两性离子交换纤维。

以聚氯乙烯纤维为基体经磺化反应可制得强、弱酸性混合阳离子交换纤维，磺化剂可用浓硫酸、氯磺酸或发烟硫酸，总交换容量可达 7 mmol/g。以聚氯乙烯纤维为基体还可制备弱碱性阴离子交换纤维，是以二乙烯三胺为胺化剂，在一定催化剂作用下，可制得交换容量为 4 ～ 6 mmol/g的弱碱性阴离子交换纤维。

1.2高聚物接枝单体法

以聚烯烃、聚乙烯醇、聚氯乙烯或聚己内酰胺纤维等为基体经接枝聚合反应可制备离子交换纤维，方法为辐射接枝或化学接枝法。如以聚烯烃纤维为基体，用辐射接枝苯乙烯再经磺化或氯甲基化、胺化反应制备阳离子或阴离子交换纤维。聚烯烃纤维接枝丙烯酸可制备弱酸性阳离子交换纤维，也可采用化学引发法接枝苯乙烯再功能化制备阳、阴离子交换纤维。

1.3聚合物混合成纤法

将离子交换剂分散到形成纤维的纺丝液中可形成离子交换纤维。而另一种方法是将两种聚合物混合成纤，如聚乙烯（或聚丙烯）– 聚苯乙烯复合纤维，以聚乙烯为岛成分，聚苯乙烯为海成分，成纤后再将聚苯乙烯交联，功能化后制备阴离子或阳离子交换纤维。

通过上述几种方法可知，离子交换纤维与化纤品种及其纺丝技术有密切关系，化纤新品种的不断开发和纺丝技术的提升将为离子交换纤维的发展开辟新的渠道。

2离子交换纤维的应用研究

离子交换纤维的主要功能包括离子交换、吸附、脱水、催化、脱色等，其应用十分广泛，涉及水的软化和脱盐、填充床电渗析、废水处理（包括铀、重金属离子、核电站等）、气体净化（如CO₂、HCl、NH₃、SO₂、HF、Cl₂）等化工、轻工、食品、医药、生化多个领域。

2.1在水的软化、脱盐及净化上的应用

据不完全统计，离子交换材料（包括树脂和膜）的 50% ～ 80% 用于水的处理。下面介绍几个主要的应用领域。

2.1.1水的软化及脱盐

纤维状离子交换剂是一种新材料，它的交换速度为树脂的 10 ～ 100 倍，当处理量相同时，其充填量较少，从而使装置更紧凑小巧。此外，离子交换纤维对蛋白质等有机大分子、菌体和氧化铁等微粒的吸附能力优于树脂，净化彻底，因此处理后水质良好。国外一些公司已将离子交换纤维和反渗透膜或超滤膜组合成小型超纯水制造装置，用于电子行业超纯水的制备，并正在进行冷凝水及锅炉水的净化。可以预计，今后水处理设备中离子交换纤维的应用将更广泛。

2.1.2填充床电渗析

填充床电渗析又称电去离子（EDI）或连续去离子（CDI）。电渗析过程中，随着水中含盐量的减少，电导率降低，极化现象出现，但耗电而水质不提高。当在淡室中填充离子交换材料时，淡室电导值增加，电流效率和极限电流密度提高，从而加速了离子迁移速度，使水高度纯化。在淡室进水电阻率相同的情况下，填充纤维比填充树脂的效果好，其出水电阻率可提高一个数量级。

目前用含离子交换纤维的非织造布电去离子设备制纯水，水质可达 18 MΩ・cm（电阻率）。电去离子法和普通电渗析（ED）结合使用可处理核工业中的低浓放射性废水，总效率可达 99% 以上。

2.1.3净化工业废水

离子交换法是治理工业废水的重要方法之一，其特点是净化彻底，可深度净化。下面介绍几个应用实例。

（1）处理矿坑水中的微量铀

各种含铀废水都可用离子交换纤维吸附净化，可消除放射性污染，也可回收铀。利用离子交换纤维对矿坑水 （pH ＝ 7.5）中的微量铀进行净化，并与树脂进行对比（表 1）。

从表 1 可以看出，在实验范围内，离子交换纤维的穿透体积和饱和体积比离子交换树脂高几十倍。纤维与树脂对铀的吸附性能差别较大，可能是由于纤维纤度小，扩散通道短，交换基团能充分反应，比表面积大，因此吸附、解吸速度快。

（2）处理废水中微量金属离子

用弱酸性阳离子交换纤维净化工业废水中的微量铜，当pH值为 3 ～ 4 时，纤维对铜的交换容量可达 120 ～ 130 mg/g，交换 30 min 后可达平衡，而用相同基团的树脂，交换容量仅为 60 ～ 65 mg/g，平衡时间则需 8 h。强酸性阳离子交换纤维还可用于从粘胶纤维的生产废水中提取锌，而强碱性阴离子交换纤维可用于含铬废水的治理。

（3）净化核反应堆废水

有文献报道，核反应堆排出的冷凝液的过滤、脱盐、净化均可使用离子交换纤维，处理后铁离子的含量可由 15 μg/L降至 2 ～ 4 μg/L，而钠离子的含量则由 0.15 μg/L降至 0.025 ～ 0.03 μg/L。

除了各种含金属离子的废水外，离子交换纤维还可用于各种含酸性、活性、阳离子染料的废水的吸附和净化。

2.2在气体净化、分离方面的应用

离子交换纤维与颗粒状材料相比具有吸附、解吸速度快，净化、分离气体时阻力小的优点，用它做成的防毒面具的防护作用和活性炭相同，而呼吸阻力大大降低；同时由于可用普通方法再生，因此防毒面具的吸附过滤器可多次重复使用。用这种材料制成的织物、非织造布织物等可用于吸附、收集气体中的有害物如CO₂、HCl、NH₃、SO₂、H₂S、HF等以及液体水凝胶。

2.2.1吸附气体中的HCl

用商品聚丙烯腈纤维为基体制备的弱酸性阳离子交换纤维（钠型）吸附气体中的HCl，取 2 g纤维（交换容量为 7.5 mmol/g）和 2 g树脂（交换容量为 8.4 mmol/g）。纤维穿透需 100 min，而树脂仅 80 min，完全穿透时纤维的平均交换容量为 9.11 mmol/g，吸附率则达 121%，估计除化学吸附外，还存在一定量的物理吸附。树脂的平均交换容量为 8.27 mmol/g，吸附率为 98%。据估算，每克纤维能吸附HCl 208 mg，而每克树脂只能吸附HCl 189 mg。

2.2.2其他气体的吸附和净化

据实验，弱酸性阳离子离子交换纤维（氢型）对氨的吸附容量为 3.9 mmol/g。

空气中的SO₂可用离子交换纤维吸附净化，如用强碱阴离子交换纤维（HCO₃^－或CO₃^2－型）净化空气或废气中的SO₂，当SO₂浓度为 200 mg/m³时，纤维的吸附能力为 200 ～ 230 mg/g。也可用弱酸性阳离子交换纤维（钠型）吸附空气中的SO₂，吸附容量可达 3.13 mmol/g。

弱碱性阴离子交换纤维可用于吸附HF，比树脂吸附快，且能与HF形成络合物，因而吸附容量高。

用不同品种的离子交换纤维可选择性地吸附CO₂或H₂S，从而达到分离的目的。

用离子交换纤维和二氧化锰催化剂组合为过滤器，可用于室内通风和空气净化，去除氨、硫化氢、胺等。此外还可用于呼吸面具和防毒面具，具有比活性炭面具更低的阻力，且重量轻，结构简单。

2.3在化工、轻工、冶金等方面的应用

离子交换纤维用聚乙烯纤维增强后制成毡状物，作为固体酸催化剂用于反应性蒸馏；离子交换纤维作为离子色谱固定相，与树脂柱的效率相当，但流通阻力只有它的 1/10。

阴离子交换纤维用于糖的脱色，比一般同类的树脂容量低，但交换速度快 14 倍，由于色素的分子量大，不能扩散入树脂内部，而纤维的扩散通道短，脱色性能好。

含弱酸、弱碱基团的两性离子交换纤维对氨基酸有较好的分离性能，在碱性介质中对组氨酸吸附性强，在酸性介质中对丙氨酸吸附性强，而在弱酸介质中对谷氨酸有较好的吸附作用。

铅蓄电池正极放电过程受电极活性物质（PbO₂）微孔内氢离子的扩散所控制，将阳离子交换纤维与此物复合成型，可在放电过程中释放大量氢离子，从而提高放电容量。

离子交换纤维在金、银等贵金属的湿法冶炼领域有着广阔的应用前景，从矿渣浸提液、矿坑水等稀溶液中回收金属效果较好。

以聚丙烯纤维为基体的离子交换纤维可用于吸附金，在其他金属氰化物离子存在的情况下，对金的选择性好，而强碱或含有胍基的离子交换纤维比对应的树脂要好。

稀土元素的分离回收与纯化一直是离子交换技术发挥重要作用的领域之一。例如在分离钐 – 钕 – 镨混合物时，在流速相同的情况下，使用离子交换纤维可得到纯度为 85% 的钐氧化物，而用离子交换树脂其纯度不超过 58%。

2.4在卫生及医疗领域的应用

用离子交换纤维对生物活性物质（尤其是药物）进行提取、分离、纯化等，一直较受关注。例如：用毛发酸水解制造胱氨酸过程中需要脱色，如用活性炭脱色，用量多、耗时长，且需加热，脱色不彻底；而离子交换树脂法存在污染物易堵塞树脂孔隙、不易再生、寿命短等缺点；而使用离子交换纤维则能有效避免上述不足。据报道，中药中的生物硷、黄酮等组分都可用离子交换纤维进行分离和浓缩。

离子交换纤维填充的色谱法，分离效率高，可应用于生物活性物质的提取，如胰岛素和猪凝血酶的分离、纯化。最近，离子交换纤维柱还被应用于提取具有降血糖、食疗保健作用的南瓜多糖。

此外，具有杀菌除臭、吸湿排汗等功能的卫生保健织物从其化学结构来看，也可归入离子交换纤维范围。这些纤维除了采用辐射接枝和功能基改性的方法外，还可利用纤维浸渍芳香物质进行屏蔽或与螯合纤维与铁、铜离子配位的形式作为抗菌除臭成分。

3离子交换纤维的发展展望

近年来，离子交换纤维发展较快，目前比较成熟的品种主要以聚烯烃、聚丙烯腈为基体制备的系列产品，随着工业制备的发展及应用领域的开拓，其工程装备和流程将会逐步完善，而质量和成本也将得到进一步优化。