[發明專利]采用經過表面處理的干凝膠進行離子分離

無效

• 申請號: 99804927.1
• 申請日: 1999-02-03
• 公開（公告）號: CN1302224A
• 公開（公告）日: 2001-07-04
• 發明（設計）人: A·J·－M·楊
• 申請（專利權）人: 工業科學技術網絡公司
• 主分類號: B01J13/00
• 分類號: B01J13/00
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 盧新華,王其灝

為供美國委派的管理處使用，由小企業管理局的政府撥款為本發明提供一部分資金，所以美國政府對本發明擁有一定的權利。

本申請要求專利保護1998年2月9日提交的美國臨時申請序號60-074026的優先權，又在此引入其全部公開內容作為參考。

技術背景及與現有技術的比較：

從溶液中除去金屬離子最有效的方法，是先將離子吸附到固體的表面上，在其充分吸附目標離子以后，然后分離或再生固體?？梢砸赃B續操作的方式，將這種方法應用于水的凈化，使水流過固體吸附劑的柱或固定床。市售離子交換樹脂就是這種方法的實例。本技術領域的最新發展包括在各種無機和有機載體材料的表面上引入分子識別官能團物質(即結合金屬的配位體)，以便從本底離子中選擇性吸附指定種類的離子。在這個應用領域內研究的所有載體材料中，研究得最廣泛的是合成的硅膠。這是因為合成的納米大小的二氧化硅在表面上含有大量的活性硅烷醇基團，這些基團是引入結合金屬的配位體所必須的，也是形成所需的高表面積所必須的，以便迅速達到高吸附容量。

雖然基于在具有納米孔隙的二氧化硅的表面上引入結合金屬離子的官能團的原理已經開發出許多現有技術，但所制備的二氧化硅-配位體復合產物的特性可顯著不同1,2,3,4,5,6,7，其視加工的方法而定。不同的加工方法，都可從在多孔性和比表面積(每克二氧化硅的表面積)上相似的硅膠開始，但卻以產物具有顯著不同的配位基團負載量而告終?；蚨N復合物可包含相同量的官能團負載，但吸附效率卻顯著不同。由于高界面應力以及在高應力下表面硅烷醇基團縮合反應的影響，對高表面積二氧化硅的化學改性主要存在這些差異。界面張力在固體基質上產生的應力是相當高的。根據下列假設，我們知道毛細管的應力與孔隙的尺寸成反比。對于納米大小的孔隙，應力可能在100Mpa范圍內。

孔隙尺寸≈r，表面張力=σ

應力=力/表面積

應力≈σr/r²≈σ/r

由于毛細管應力過大和表面上硅烷醇基團的縮合作用，可能發生結構坍塌。收縮和隨后的縮合反應不僅減少了表面積，而且還封閉了許多孔道，減少了大分子擴散到內表面的機會。

二氧化硅-配位體復合物表面形態的細節，決定了復合吸附劑的吸附效率，因為，高吸附效率要求下列條件：

(ⅰ)有大量的孔隙，

(ⅱ)在孔隙的表面上官能團(配位體)的負載量高，

(ⅲ)有許多連接這些孔隙的敞開孔道；使目標離子容易達到和結合到孔隙的表面上的配位體。

在制備二氧化硅-配位體復合物時，保持連接孔隙的敞開孔道，是最重要的挑戰性任務，是達到高吸附性能所要求的。然而，因為孔道的敞開程度與傳輸物質的大小有關，所以復合產物互相連接的孔道的敞開性通常是不夠的。在二氧化硅-配位體復合物中孔道敞開夠或不夠的最終檢驗，是其在吸附效率實驗中的性能。

低密度的二氧化硅濕硅膠通常包含敞開孔隙的多孔結構。在這一類的敞開結構中，水能自由地流動，離子能夠自由地擴散。因此能夠迅速地靠近這些孔的所有表面。在水處理操作中，這種敞開的多孔結構會提高離子吸附的效率和速度。另外，這種敞開的結構是在整個表面上引入大官能團所必須的。沒有敞開的結構，在制備二氧化硅-配位體復合物時官能團的引入，以及在處理操作中目標離子在這些配位體上的結合極其緩慢，效率很低。對于特定離子的吸附，現有技術包括許多在多孔二氧化硅的表面上接枝各種配位基團的嘗試。然而，由于效率低，這些配位體的負載量和吸附容量總是低于每克二氧化硅1mM^{8,9,10,11,12,13,14, 15,16}。

在凝膠干燥過程中，由孔內彎月面表面張力產生的毛細管應力可能使具有納米孔隙的材料收縮和破裂。在利用表面上硅烷醇基團的縮合反應進行交聯時，收縮是不可逆的。為了減少收縮，已知的處理方法包括降低界面張力和將表面硅烷醇基團中發生的縮合反應降低到最小。凝膠的收縮會使孔道變窄，無論何時，只要可能都應防止。保持敞開結構的一種方法是用表面活性劑分子形成的膠粒支持孔結構來防止收縮。表面活性劑分子還能有效地降低表面應力，降低收縮和表面縮合反應的推動力。