第8章 高分子吸附剂
第八章 吸附性高分子材料
湿料
2HNOC
沉析
烘干
粉碎
纤维素吸水树 脂干料
淀粉与丙烯腈制造实例
原料
糊化
通氮净化
产品
AP的新方法——微波法
纸浆纤维
单体丙烯酸 高效节能，无环境污染 加热速度快、均匀、有选择性、无滞后效应
联
系
的污染。
共 同 点 均是葡萄糖的多聚体，可以采用 相类似的单体、引发剂、交联剂进行 吸水树脂的制备
甲壳质衍生物
四、SAP结构
从化学结构看： 主链或侧链上含有亲水性基团，如
-ＳＯ3Ｈ、 -ＣＯＯＨ、 -ＣＯＮＨ2、 -ＯＨ等 吸水能力：-ＳＯ3Ｈ>-ＣＯＯＨ>-ＣＯＮＨ2>-ＯＨ 从物理结构看： 丙烯酸类）。 低交联度的三维网络。网络的骨架可以
Molecular architecture design
• 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)
超强吸水高分子材料 一、吸 水 原 理 二、分类 三、基本结构 四、SAP结构
纤维素系
纯合成高分子 聚丙烯酸类 聚丙烯酸钠交联物 丙烯酸—乙烯醇共聚物 丙烯腈聚合皂化物 其它 聚乙烯醇交联聚合物 乙烯醇—其它亲水性单体接枝共聚物 其它
聚乙烯醇类
天然高分子加工产物
淀粉类
淀粉—丙烯腈接枝聚合水解物 淀粉—丙烯酸共聚物 淀粉—丙烯酰胺接枝聚合物 其它 纤维素类 纤维素接枝共聚物 纤维素衍生物交联物 其它 其它 多糖类(琼脂糖、壳多糖)、蛋白质类等
Super
第八章超强吸水高分子材料
第八章超强吸水高分子材料
阴离子交换树脂
在交联苯乙烯分子中的苯环上引入季铵碱基，则得到 阴离子交换树脂：
P
HCZHnOC2， l HCPl
交联苯乙烯
CH2Cl N(C3)H3 P
NaOH P
CH2N+(C3H)3OH-
非离子型吸附树脂
第八章超强吸水高分子材料
第八章超强吸水高分子材料
第八章超强吸水高分子材料
第八章超强吸水高分子材料
应用举例
（1）有机物的分离 由于吸附树脂具有巨大的比表面，不同的吸附树
脂有不同的极性，所以可用来分离有机物。例如，含 酚废水中酚的提取，有机溶液的脱色等等。
第八章超强吸水高分子材料
• 大孔型
树脂内部有永久微孔；不需溶胀的状态也
可使用
第八章超强吸水高分子材料
弱酸型阳离子大孔树脂 凝胶树脂
第八章超强吸水高分子材料
制备
• 一般采用常规的悬浮聚合方法
第八章超强吸水高分子材料
大孔型树脂母体的制备 大孔型树脂母体主要是通过在共聚单体中添加致
孔剂的方法制备的。一般合成过程如下
致孔剂通常是一类不参与聚合，能与单体混溶，使 交联共聚物溶胀或沉淀的有机溶剂。 聚合过程中， 致孔剂分布在单体及已聚合的共聚物中。随着聚合 转化率提高，油珠逐渐固化。聚合反应完成后，用 水蒸气蒸馏或溶剂提取方法除去致孔剂，结果留下 孔穴，形成具大孔第结八章构超强的吸水球高分状子材树料 脂母体。
强碱性阴离子交换树脂 水处理剂?
CH2N+(C3H)3Cl-
阴离子交换树脂——能交换阴离子的离子交换 树脂。
高分子定义及简介
功能高分子材料一般指具有传递、转换或贮存物质、能量和信息作用的高分子及其复合材料，或具体地指在原有力学性能的基础上，还具有化学反应活性、光敏性、导电性、催化性、生物相容性、药理性、选择分离性、能量转换性、磁性等功能的高分子及其复合材料。
功能高分子材料是上世纪60年代发展起来的新兴领域，是高分子材料渗透到电子、生物、能源等领域后开发涌现出的新材料。
近年来，功能高分子材料的年增长率一般都在10％以上，其中高分子分离膜和生物医用高分子的增长率高达50％。
按照功能来分类1化学功能离子交换树脂、螯合树脂、感光性树脂、氧化还原树脂、高分子试剂、高分子催化剂、高分子增感剂、分解性高分子等.2.物理功能导电性高分子（包括电子型导电高分子、高分子固态离子导体、高分子半导体）、高介电性高分子（包括高分子驻极体、高分子压电体）、高分子光电导体、高分子光生伏打材料、高分子显示材料、高分子光致变色材料等.3.复合功能高分子吸附剂、高分子絮凝剂、高分子表面活性剂、高分子染料、高分子稳定剂、高分子相溶剂、高分子功能膜和高分子功能电极等.4.生物、医用功能抗血栓、控制药物释放和生物活性等 .按照功能特性通常可分成以下几类（1）分离材料和化学功能材料（2）电磁功能高分子材料（3）光功能高分子材料（4）生物医用高分子材料编辑本段离子交换树脂它是最早工业化的功能高分子材料。
经过各种官能化的聚苯乙烯树脂，含有H 离子结构，能交换各种阳离子的称为阳离子交换树脂，含有OH一离子结构能交换各种阴离子的称为阴离子交换树脂。
它们主要用于水的处理。
离子交换膜还可以用于饮用水处理、海水炎化、废水处理、甘露醇、柠檬酸糖液的钝化、牛奶和酱油的脱盐、酸的回收以及作为电解隔膜和电池隔膜。
编辑本段高分子催化剂和高分子试剂催化生物体内多种化学反应的生物酶属于高分子催化剂。
它具有魔法般的催化性能，反应在常温、常压下进行，催化活性极高，几乎不产生副产物。
目前，人们试图用人工合成的方法模拟酶，将金属化合物结合在高分子配体上，开发高活性、高选择性的高效催化剂，这种高分子催化剂称为高分子金属催化剂。
第八章产物的分离和纯化
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3. 凝聚与絮凝
采用凝聚和絮凝技术能有效改变细胞、细 胞碎片及溶解大分子物质的分散状态，使其聚 结成较大的颗粒，便于提高过滤速率。除此之外， 还能有效地除去杂蛋白质和固体杂质，提高滤 液质量。因此，凝聚和絮凝是目前工业上最常用 的预处理方法之一。常用于菌体细小而且粘度 大的发酵液的预处理。
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• 工业上常用的过滤分离设备有板框压 滤机、膜过滤机和离心沉降分离机等。
• 这些过滤装置各有其优缺点，根据不 同产品的具体实际加以选择。
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6 其它方法
• 1. 高 价 无 机 离 子 的 去 除 （ Ca2+ 、 Mg2+ 、 Fe2+等）
6/4溶/202液4 称为萃取液。
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• 工业上萃取的操作包括三个步骤：
• 一是混合
• 将料液和萃取剂充分混合形成乳浊液， 让溶质自料液转入萃取剂中，此过程通常 在搅拌罐中进行，也可以在很高速度的管 道内混合。
例如：在枯草芽孢杆菌发酵液中，加入氯化
钙和磷酸氢二钠，两者生成庞大的凝胶，把蛋白 质、菌体及其他不溶性粒子吸附并包裹在其中而 除去，从而可加快过滤速率。
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③变性法
蛋白质由有规则的排列到无规则结构的变化过程成为变性。变 性的蛋白溶解性小。
使蛋白质变性的方法有：加热，大幅度调节pH，加酒精等有机 溶剂或表面活性剂等 。
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2
• 2)、培养液是复杂的多相分散体系：
•
是多相体系，一般情况下，分散介质是水。
分散在其中的固体和胶体物质组成复杂，不仅
高分子吸附剂
高分子吸附剂的应用及其发展[摘要]高分子吸附剂的研制和应用是近年吸附工艺研究的一个重要课题。
介绍了高分子吸附剂在水处理、医药卫生、机械加工、农业园艺、日用化工用品等不同领域的研究进展情况，对其吸附机理及其应用上的优越性作了简单论述，并对高分子吸附剂的进一步发展及应用进行了展望。
近年来随着科学技术的发展，吸附分离法的技术目前已经得到了广泛应用，吸附分离不仅在化学工业中已发展成一种必不可少的单元操作过程，而且在其他领域也显示出了很强的实用性，尤其在环境治理过程中已成为一门独特的技术，在废水治理的过程中已经有了广泛应用。
吸附技术在应用上有很多优点，但其主要缺点是固体吸附剂的吸附容量小，因而需要大量的吸附剂，使设备体积庞大;吸附剂是固体，使连续操作设备结构复杂化川;一般吸附剂价格都比较高，所以其使用费也较高。
吸附剂的化学组成和表面性质是吸附操作能否正常进行的决定性因素，所以吸附剂就成了吸附能否广泛应用的关键所在。
多年来人们对吸附剂一直进行着广泛深人的研究，随着高分子工业的飞速发展和人们对高分子化工产品的需求日益扩大，高分子吸附剂以其性能好、价格低的优点推动了吸附工艺的进一步广泛应用，并且在水处理、卫生医疗、农业园艺、建筑、食品加工等各个方面显示出了不可替代的作用。
当前，研制性能良好、选择性强和价格低廉、降低生产成本的高分子吸附剂成为高分子吸附剂工艺研究的重要方向。
1商分子吸附荆的主要用途1.1高分子吸附剂在水处理方面的应用随着工农业的发展，近岸海域的污染日趋严重，其中重金属离子浓度较大洋海水高数十倍甚至数百倍，因此吸附水中污染物及重金属离子成为高分子吸附剂进行水处理的重要任务。
高分子吸附剂去除水中的重金属离子可以采用“动态流水”和“半静态”吸附原理。
“动态流水吸附”即让水按照一定的流速通过装有高分子吸附剂的管子，水经吸附去除重金属离子后进行排放。
“半静态吸附”其原理见图图1半静态吸附原理半静态吸附装置是由5个吸附床、吊绳、重陀组成，其中吸附床是用无毒塑料制成的框架、固定筛绢内外衬里、将高分子吸附剂装人其中.并用吊绳及重舵悬挂于水中，垂直水流水平放置，依靠水中均匀充气使水流形成垂直方向对流，透过交错设置的吸附床通过多次水循环，直至基本吸附去除水中重金属离子。
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高分子吸附剂也叫合成吸附剂或吸附树脂， 它与活性炭、硅胶、沸石等不同，一般是直径为 0.3—l mm的白色—淡黄色不透明小球，球内有 许多直径为10-3 — 10-l µ m的微孔，比表面积为 数百平方米，与活性炭相比，其表面积不大，但 孔径大，可以用溶剂将被吸附的物质溶出。而吸 附树脂本身由于具有主体网状的交联结构，则不 溶于水和有机溶剂，加热也不熔融。
将有色成分引入高分子的侧链或主链中而制成的着色剂，称 为高分子染、颜料或高分子色素。高分子染、颜料的特点如下。 1. 不迁移 一般的低分子染料，特别是偶氮染料和蒽醌染料易迁 移的较多，高分子化以后能显著改善此缺点。
2. 耐溶剂 高分子染料在溶剂中的溶解度比低分子染料低得多， 有的则完全不溶。
3. 无毒 高分子染料一般不能透过细胞膜，也不易被酶或细菌分 解，所以在生物体内不会被吸收，能原封不动地排泄出来，很 少有毒。 4. 耐热 至于耐光性和与被着色物的相容性，则随情况而异，有 的较好，有的较差。一般说来，使染、颜料高分子化所用的单 体若与被着色塑料的单体相同，则相容性好。
染、颜料高分子化的方法
• 用具有不饱和键的染料和颜料进行加成 聚合 • 用含有偶和组分的高分子与重氮盐反应 • 用反应性高分子与低分子染、颜料反应 • 用低分子染料与相关组分进行缩聚 • 用低分子染、颜料的重氮盐作为引发剂 与其它单体进行聚合
高分子染料和颜料的应用
1. 塑料着色 由于它不迁移，安全无毒，故适用于食品 包装材料、玩具、医疗用品 (如软接触镜片等)的着色 和加印标记。 2. 化妆品着色 由于它不会透过细胞膜，故适用于化妆 品、头发定型胶、指甲油等的着色。 3. 食品色素 经小鼠口服试验证明，高分子色素可完全 从体内通过，而不被肌体吸收，故而有可能用作食品 色素。
功能高分子材料(罗祥林-主编)思考题
功能高分子思考题第一章绪论1．什么是功能高分子或功能高分子材料？功能高分子的特点有哪些？与常规的聚合物相比具有明显不同的物理化学性能，并且具有某些特殊功能（如化学活性、光敏性、导电性等）的聚合物大分子都属于功能高分子材料。
特点：a. 产量小、产值高、制造工艺复杂；b. 具有与常规聚合物明显不同的物理化学性能，并具有某些特殊功能；c. 既可以单独使用，也可以与其他材料复合制作成结构件，实现结构 /功能一体化。
2．试述功能高分子、特种高分子、精细高分子之间的区别和联系。
特种高分子：具有高强度、耐冲击、耐高温、特优电绝缘性能或兼而有之的一类高分子。
精细高分子：包括高分子化的精细化学品，和有特殊性能的功能高分子材料。
3．功能高分子材料应具有哪些功能？物理功能（导电、超塑性、磁记录等）、化学功能（离子交换、催化、氧化还原等）、介于化学和物理之间的功能（吸附、膜分离、表面活性等）、生物或生理功能（组织适应性、血液适应性、非吸附性等）。
4．按照功能划分功能高分子材料可以分哪些类别？物理功能高分子材料、化学功能高分子材料、生物功能和医用高分子材料、其他功能高分子材料。
5．按照性质和功能划分，功能高分子材料可以分为哪些类型？反应型高分子、光敏型高分子、电活性高分子、膜型高分子材料、吸附型高分子、高性能功能材料、高分子智能材料、医用高分子、其他功能高分子。
6．功能高分子材料的主要结构层次有哪些？元素组成、官能团结构、链结构和分子结构、微观构象和聚集态、宏观结构。
7．在功能高分子中官能团所起的作用有哪些？（1）官能团的性质对材料的功能性起主要作用；（2）官能团与聚合物骨架的协同作用决定了功能高分子的功能性；（3）聚合物骨架本身具有官能团的作用；（4）官能团对功能高分子的功能起辅助作用。
8．在功能高分子中常见高分子效应有哪几种？物理效应、支撑作用、模板效应、邻位效应、包络作用和半透性、其他效应。
9．举一例说明从已知结构和功能的化合物设计功能的高分子。
吸附分离功能高分子
广泛使用，例如活性氧化铝、硅藻土、白土和硅胶、
分子筛、活性炭等。而吸附树脂是吸附剂中的一大分
支，是吸附剂中品种最多、应用最晚的一个类别。
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吸附树脂出现于上一世纪60年代，我国于1980年 以后才开始有工业规模的生产和应用。目前吸附树脂 的应用已遍及许多领域，形成一种独特的吸附分离技 术。由于结构上的多样性，吸附树脂可以根据实际用 途进行选择或设计，因此发展了许多有针对性用途的 特殊品种。这是其他吸附剂所无法比拟的。也正是由 于这种原因，吸附树脂的发展速度很快，新品种，新 用途不断出现。吸附树脂及其吸附分离技术在各个领 域中的重要性越来越突出。
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吸附过程
• 分离：被吸附的物质或分子（吸附质）从
原先所在的一相中被分离出来→
• 富集：在另一相（即吸附相，吸附剂的表
面）堆积或富集。
2
依据吸附机理：吸附质和吸附剂之间的吸附分为： 化学吸附，是指形成了化学键的吸附。可以是离子键、 共价键和配位键。 物理吸附，通过范德华力、偶极-偶极相互作用、氢键 等较弱的作用力吸附物质。 亲和吸附，是指一些生物分子对某些物质的吸附呈现 专一性或高选择性，如抗原-抗体、配体-受体、酶底物、互补DNA链等的特异性相互作用。
★③水溶性单体的反相悬浮聚合
★④线形高分子的悬浮交联成球反应
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• 吸附树脂的成孔技术
★①惰性溶剂致孔
★②线形高分子致孔
★③后交联成孔
★④无机纳米微粒致孔
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2.2 吸附树脂
吸附树脂是指通过物理相互作用，如范氏力，偶极-偶极 相互作用，氢键等较弱的作用力是吸附质吸附的高分 子树脂。 是在离子交换树脂基础上发展起来的一类新型树脂，是 一类多孔性的、适度交联的高分子共聚物，又称高分 子吸附剂。这类高分子材料具有较大的比表面积和适 当的孔径，可从气相或溶液中吸附某些物质。 在吸附树脂出现之前，用于吸附目的的吸附剂已
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• 第一节 吸附性高分子概述 根据吸附性高分子材料的性质和用途,主要分为以下
几类: 1)非离子型高分子吸附树脂 这种树脂中不含有特殊
的离子和官能团,吸附主要依靠分子间的范德华力， 对非极性和弱极性的有机化合物有特殊吸附作用。 分析化学和环境保护领域应用。
2）吸水性的高分子吸附剂 具有亲水性的网状分子 结构，并可以被水以较大倍数溶胀，具有较大吸 收和保持水分的能力。土壤保湿 生理卫生用品
离子型吸附树脂应该满足一下基本 要求
• 良好的耐溶剂性质 • 良好的稳定性 • 良好的机械性能 • 具有一定的离子交换容量 • 对特定离子有选择性吸附能力 • 具有较大的比表面积、适宜的孔径和孔隙
率。
阳离子型吸附树脂
阳离子型离子交换树脂的应用
• 脱除阳离子 • 进行离子交换 • 在酸催化反应方面的应用
团 • 聚合物应该具有较高的分子量。
高吸水性树脂的作用机制
1、首先由于树脂内亲水性基团的作用，水作 为溶胀剂将树脂溶胀。
2、进入体系内部的水将树脂的可解离基团水 解离子化，这样在体系内外由于离子浓度 差别产生渗透压，渗透压的作用促使更多 水分子通过界面进入体系内部。
3、水的表面张力和聚合物网络共同作用，吸 水后体系形成类似凝胶状结构，吸收的水 分呈固化状态。
高吸水树脂的应用
• 在农业方面的应用 • 在建筑和环保方面的应用 • 其他
• 第二节 非离子型吸附树脂 非离子型吸附树脂主要是指在分子结构中不包含离子性基团，
主要依靠分子间的范德华力进行吸附的高分子树脂。
一、聚苯乙烯—二乙烯苯交联树脂 苯环易于改性，为了降低溶解性，提高空隙率和机械强度，
交联。多孔性和表面吸附性。
1、结构特点和吸附性质 交联度，溶胀，机械强度，空隙度。
2、树脂的宏观结构 3、极性特点
3）金属阳离子配位型吸附剂 骨架上有配位 原子或配位基团,能对特定金属离子进行络 合反应,两者间形成配位键而结合.对多种过 渡金属离子有吸附和富集作用.也称为高分 子螯合剂.
4)离子型吸附树脂 骨架中含有某些酸性或碱 性基团,在溶液中解离后分别有与阳离子或 阴离子相互以静电引力生成盐而结合的趋 势,例如离子交换树脂.水的去离子化.
氮为配位原子的高分子螯合剂
• 含有胺基的高分子螯合剂
• 含有肟结构的高分子螯合剂 • 席夫碱类高分子螯合剂
• 高分子偶氮型螯合树脂
第四节 离子型高分子吸附树脂
• 离子型吸附树脂的结构主要包括两个部分， 一部分为高分子骨架，其作用是担载离子 交换基团和为离子交换过程提供必要的空 间和动力学条件；结构的另外一个部分为 离子交换基团，通常为在介质中具有一定 解离常数的酸性或碱性基团。
影响高吸水性树脂的性能的因素
• 化学结构的影响 亲水性基团 可离子化基 团
• 聚合物链段结构的影响 适度交联 • 外部影响因素、淀粉与纤维素型高吸水性树脂的制备 2、壳聚糖型高吸水性树脂 3、聚丙烯酸型高吸水性树脂 4、聚乙烯醇型高吸水性树脂 5、复合型高吸水材料的制备
4、被吸附物质的脱吸附过程 二、聚甲基丙烯酸-双甲基丙烯酸乙二酯交联体吸附树脂
• 第三节 高分子鳌合剂
具有鳌合功能的高分子要满足两方面的要求： 首先要含有配位基团，其次是配位基团在 高分子骨架上排布合理，保证鳌合过程对 构型的要求。
氧为配位原子的高分子螯合剂
• 醇类螯合树脂
2、β—二酮类螯合树脂 3、酚类螯合树脂 4、羧酸型螯合树脂 5、冠醚型螯合树脂
阴离子型吸附树脂
第五节 高吸水性高分子材料
• 目前高吸水性树脂已开发出淀粉衍生物系 列、纤维素衍生物系列、甲克质衍生物系 列、聚丙烯酸系列、和聚乙烯醇系列等。
• 从原料的角度出发，分为天然高分子改性 高吸水性树脂和全合成高吸水性树脂。
高吸水性树脂的结构特点
• 分子中具有强亲水性基团 • 树脂具有交联型结构 • 聚合物内部应该具有浓度较高的离子性基
• 聚合物化学结构与吸附性能的关系 • 吸附作用主要来自分子间的范德华力、氢键力、
配位键力和静电引力。 • 1、化学组成与功能基团
元素组成：配位原子—络合能力—鳌合剂； 功能基团；分子极性： 2、聚合物的链段结构和超分子结构 交联—溶胀；孔径大小对被分离物质 3、吸附树脂的宏观结构 孔隙率；孔径分布；比表面积 四、影响吸附树脂性能的外界因素 温度 周围介质 其他