磁性分离与功能化磁性粒子.doc

磁性分离与功能化磁性粒子 【摘要】磁性分离是“绿色分离”的一个例子，它能借助目标物本身磁性，或利用功能化磁性粒子、磁性做种技术进行有效的分离。报告主要对影响功能化磁性粒子分离能力，被分离能力与再生能力的因素做了总结，并举例说明了磁分离的实际应用。 【关键词】磁性分离 功能化磁性粒子 磁性做种 “环境友好”“绿色分离”等概念因有着深刻的现实意义与时代价值，在当下被广泛提及。要做到分离过程的“绿色”，就是要做到低能耗，少或无废弃物，而且分离过程应易实现。可以想象，如果能依赖分离物本身自然产生的驱动力实现分离，就可以实现对特定目标物的高选择性，也只需少量相对易回收再利用的吸附物就能完成分离过程，这恰好就是“绿色分离”的要求。磁性分离就是这样一个例子。 磁性分离就是利用粒子的磁性，在磁场作用下与原体系分离的技术方法，其分离效率高，速度快，能耗低，自动化程度高，已在科学研究、医药、工业生产上有较为广泛的应用。如果粒子本身具有磁性，如铁、钴、镍等，那么直接给予磁场即可，但并非所有待分离的粒子都是有磁性的，体系中还可能含有大量弱磁性、反磁性物质，例如藻类、细菌、二氧化硅、有机物等[1]，这时就需要实现弱磁性、反磁性物质的磁性化，常利用的手段是功能化磁性粒子与磁性做种。 相比之下，功能化磁性粒子是更加直接的方式。功能化磁性粒子是纳米或微米级固体，由磁核、外膜与表面修饰基团所构成（图）。使用这种粒子分离的步骤一般为[2]：通过粒子表面的选择性吸附从流体介质中结合目标物；通过磁性过滤器等沉积聚集含目标物的粒子，使之与流体介质分离；磁性粒子的回收。这三个步骤也分别对应着评价功能化磁性粒子的三个指标：分离能力，被分离能力与再生能力。 分离能力主要代表着功能化磁性粒子对目标物去除能力的高低，主要取决于选择性与吸附能力这两个基本因素。高选择性和大吸附量是“绿色”分离的要求。 对于选择性，由表面修饰的反应基团决定，即依靠表面基团与目标物发生特异性的吸附、离子交换等反应完成。例如，羧基[3]、巯基[4]等与重金属离子可发生离子交换，从而完成选择性吸附，(三甲基色氨酸戊烷)次膦酸[5]则与重金属发生螯合作用；表面活性剂能有效分离生物蛋白[6]；铜酞菁对多环有机染料有很好的选择性[7]等（见表1）。 结构 分离物 羧酸 重金属 聚环氧丙烷 有机物 二(三甲基戊基)-次膦酸 重金属 铜酞菁 多环有机染料 具体的基团选择除了要考虑目标物的种类和性质，也要考虑整体体系的情况，pH、非目标物、温度等操作环境都可能影响选择性吸附效率。 对于吸附量，除了与表面基团的反应性能有关，也取决于磁性粒子的外露表面积[2]。外露表面积受粒子尺寸、胶体稳定性和孔隙率所影响。一般来说，粒子半径越小，就有越大的表面积/体积比率，另外小粒子更容易流体化，利于增大传质速率。但是粒子不是越小越好，还要考虑到之后的分离过程，过小的粒子被分离能力较差。胶体稳定性决定了磁性粒子是否易团聚，聚集的大颗粒有效面积势必会减小，从而使吸附量大大下降。表面基团的修饰也有阻止粒子团聚的作用。孔隙率是影响表面积的第三个因素。多孔的粒子相比无孔粒子，其孔道内也会提供大量有效表面积，增加吸附量。不过使用多孔粒子会有传质阻力较大，吸附速率减慢的情况，应该视具体情况具体选择。 被分离能力指的是磁性粒子与目标物结合后，在外磁场作用下从原体系中脱离出来的能力，由粒子的磁场敏感度和尺寸决定。 磁场敏感度，即磁场对物质磁感应强度的影响，或者说是粒子对磁场的响应强弱，这是粒子被分离能力的主要决定性因素。物质磁性越强，对于去除所需的外部磁场越弱，一般消耗的能量也就越少。通常使用具强磁性的铁酸盐类，其中最高效、廉价、易得且化学稳定性好的是磁铁矿。有文献称质量少于1%的铁的少量磁铁矿就能使粒子容易去除[8]。 粒子尺寸影响被分离能力，是因为磁性过滤器捕获的带有目标物的磁性粒子还受到水压、重力、扩散力等从捕集器上“拉走”粒子的力，这些作用力与粒子大小有关，只有磁力足以与这些力抗衡才可以捕集粒子。一般粒子越小，越不易被捕集，因此微米级的磁性粒子的分离 技术远比纳米级粒子成熟，而纳米粒子有表面积/体积比率大等优点，发展功能化纳米磁性粒子用于磁分离是一项富有挑战性但很有价值的工作。另外，一些磁性粒子的磁敏感度也与粒子大小有关，例如外层为胶原质的磁性粒子[9]。 表面修饰基团与目标物作用力强弱影响力功能化磁性粒子的回收再生能力。过强的化学键或物理作用，会使得目标物与功能化磁性粒子不易分开，在分离过程中也会消耗大量能量，不符合“绿色分离”的要求。但过弱的作用力又会极大地降低对目标物的选择性吸附。这也再次体现了根据实际体系情况，选择合适的表面基团，是磁分离中最艰巨也最重要的任务。 已经提到，磁性分离在科研和工业生产等方面