研究D354樹脂與游離酸的相互作用

摘要： 目的 研究氯化鈉、乙醇等介質(zhì)對D354樹脂吸附低濃度游離酸的影響，優(yōu)化生產(chǎn)工藝。方法 利用電導(dǎo)法、固―液相互作用方程，求取吸附劑?吸附質(zhì)相互作用能。結(jié)果 D354樹脂吸附鹽酸的表觀吸附速率常數(shù)隨著外加氯化鈉、乙醇濃度的增大而減小。結(jié)論 表觀吸附速率常數(shù)與吸附劑―吸附質(zhì)相互作用能存在線性相關(guān)性。

關(guān)鍵詞： D354樹脂 吸附 游離酸 吸附劑―吸附質(zhì)相互作用能

D354大孔弱堿性陰離子樹脂（簡稱D354樹脂）含大量的叔胺功能基團［-N(CH3)2］，對游離酸、有機酸及酸性物質(zhì)等具有很強的吸附能力；具有良好的生物相容性，無毒無味，選擇性地吸附、富集、純化，可再生利用等優(yōu)點；在廢水處理，食品、生物制品和藥物的分離純化等領(lǐng)域的應(yīng)用日益顯示其獨特的效果［1-3］。文獻［4］研究了三元體系D354樹脂的吸附，四元體系的吸附未見有文獻報道。本文以D354樹脂為吸附劑，研究氯化鈉、乙醇等介質(zhì)對D354樹脂吸附性能及分離效率的影響，利用電導(dǎo)實驗技術(shù)，根據(jù)陳炳稔［5］建立的固?液相互作用方程，求取四元體系吸附劑?吸附質(zhì)相互作用能的實驗參數(shù)，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，為設(shè)計最佳的食品、生物制品和藥物分離純化生產(chǎn)工藝方案，提供有價值的參數(shù)和理論依據(jù)。
　　1 儀器、材料與試劑
　　
　　85?2型恒溫磁力攪拌器（上海司樂儀器廠），DDS?11型電導(dǎo)率儀（杭州亞美電子儀器廠），VT?10信號處理儀（南京師范大學(xué)）與IBM?PC586計算機組成的CACE（計算機輔助化學(xué)實驗測量）系統(tǒng)［6］。D354樹脂（杭州凈光化工集團公司生產(chǎn)），質(zhì)量全交換量6. 5 mmol/g，選用粒度為0.45～0.65 mm，樹脂參照文獻［7］的方法處理，在飽和NaCl溶液的干燥器中恒重，備用。實驗所用試劑皆為分析純。
　　2 實驗方法
　　2.1 吸附質(zhì)吸附分率的求取
　　
　　在100 mL燒杯中加入已知濃度的鹽酸50 mL，置恒溫磁力攪拌器中的水浴鍋內(nèi)，將電極浸入待測樣品中，啟動磁力攪拌轉(zhuǎn)子，恒定所需溫度，加入已稱重的吸附劑，開動CACE測量系統(tǒng)，自動采集、記錄、儲存實驗數(shù)據(jù)，跟蹤D354樹脂吸附劑吸附游離酸的行為，并以式（1）計算t時刻吸附質(zhì)的吸附分率αt：
　　αt=（γ0-γt）·γ0-1(1)

　　式中γ0為吸附起始時的電導(dǎo)值，γt為時間t時的電導(dǎo)值。
　　2.2 固―液界面吸附的動力學(xué)方程［8］

　　從質(zhì)量作用定律出發(fā)，遵循單分子層吸附機制，從理論上導(dǎo)出已得到實驗驗證的固―液界面吸附的動力學(xué)方程：

　　tαt=MARVK tαe（2）

　　如果實驗結(jié)果滿足式（2），則以t/αt對t作圖應(yīng)得直線，從直線的截距和斜率分別求得k和αe，k為表觀吸附速率常數(shù)，αe為吸附平衡時被吸附物的吸附分率，MAR為吸附劑活性基團的分子量，V為吸附體系體積。
　　2.3 吸附劑―吸附質(zhì)的相互作用能［9］

　　為求取吸附劑?吸附質(zhì)的相互作用能，利用固?液相互作用方程：
　　θ/(1-θ) ln［θ/(1-θ)］-lnCe=U/RT k1·θ （3）
　　
　　式中Ce=C0(1-αe)，C0、Ce分別為吸附初始、平衡時的濃度，θ為覆蓋度，θ=αt/αe。若實驗結(jié)果服從式（3），則以θ/(1-θ) ln［θ/(1-θ)］ - lnCe對θ作圖應(yīng)得直線，從直線的截距可求得吸附劑?吸附質(zhì)的相互作用能(U)，是表征吸附劑與吸附質(zhì)相互作用能大小的指標(biāo)，其數(shù)值越大表示它們之間相互作用越大。
　　3 結(jié)果與討論
　　3.1 三元吸附體系
　　3.1.1 不同離子濃度的鈉鹽對吸附的影響

　　D354樹脂吸附低濃度游離鹽酸的過程，可用下列反應(yīng)式表示：
　　R-N(CH2) HCl?R-N(CH3)2HCl

　　實驗條件：吸附溫度30 ℃，吸附劑D354樹脂0. 100 g，吸附質(zhì)為鹽酸（濃度為8.620×10-3 mol/L），吸附體系是HCl?水?NaCl三元體系，介質(zhì)為4種不同離子濃度的NaCl：C1=0.004 mol/L、C2=0. 008 mol/L、C3=0.012 mol/L、C4=0.016 mol/L。按“2.1”、“2.2”項下方法處理實驗結(jié)果，得到圖1。結(jié)果表明：隨著外加NaCl離子濃度的增加，D354樹脂吸附游離鹽酸速率明顯降低。黃子卿［10］指出，Na 是小離子，對水分子有很強的吸引力，使它不易轉(zhuǎn)動，造成溶液介電常數(shù)降低，H 離子遷移速率減慢，因此，溶液介電常數(shù)隨著外加NaCl離子濃度的增加而明顯降低，導(dǎo)致D354樹脂吸附游離酸的速率降低。將圖1吸附分率αt與時間t的動力學(xué)曲線轉(zhuǎn)化為相應(yīng)離子濃度t/αt與t的關(guān)系，得到圖2所示的一組直線，各直線均成良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)都在0.999以上，說明在HCl?水?NaCl三元體系中，D354樹脂吸附游離鹽酸的行為遵循固?液界面吸附動力學(xué)方程式（2）的規(guī)律，按單分子層機制進行吸附。
　　圖1 αt與t的動力學(xué)曲線（略）
　　Figure 1 Dynamic curve between αt and t
　　圖2 t /αt與t的關(guān)系（略）
　　Figure 2 Relation between t/αt and t
　　3.1.2 不同濃度的乙醇對吸附的影響

　　實驗條件如“3.1.1”項，吸附體系是HCl?水?乙醇三元體系，介質(zhì)分別是質(zhì)量分?jǐn)?shù)0%、5%、15%、25%的乙

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