螯合剂在化学化工中的应用

近年来，随着科学技术的日益发展，人们对环保意识的不断增强，螯合剂也得到了很广泛的应用。特别是在废水处理、分析化学、造纸化学品、纺织化学品、清洗剂等领域都得到了很好的应用。 1.　在废水治理中作为重金属捕集剂的应用 重金属污染问题历来是人们关注的焦点。一般来说，溶液中的重金属较易被稳定化。对于一些两性金属，如As，Cr，Pd，Zn等，可通过控制其pH值使其具有最低的溶解度，大部分重金属可用硫化物沉淀等法去除。但若溶液中的重金属处于不利价态，或以稳定可溶的螯合物如磷酸酯、柠檬酸盐、葡萄糖酸、氨基乙酸、EDTA或天然有机酸等存在，这将给稳定化带来困难，并且，普通的沉淀法所产生的污泥，在pH值改变的情况下会再度溶出，二次污染的可能性非常大。针对这些问题，近期国际上已经开始了应用有机重金属捕集剂来去除重金属的研究。 重金属捕集剂可为二烃基二硫代磷酸的铵盐、钾盐或钠盐，其活性基团(给电子基团)为二硫代磷酸，因活性基团中的硫原子电负性小、半径较大、易失去电子并易被极化变形产生负电场，故能捕捉阳离子并趋向成键，生成难溶于水的二烃基二硫代磷酸盐。当捕捉剂与某一金属离子结合时，均通过其结构中的2个硫与金属离子形成四元环，故形成的化合物为螯合物，并有较高的稳定性。 有实验表明，在原水中Hg2+为197 mg·L- 1，反应的搅拌时间为30 min，pH5.46，环境温度为24.2℃的条件下，随着捕集剂加入量的增加，去除率随之增加。在理论加入量的1.2倍时，去除率已达100%，处理后的Hg2+浓度均低于0.5 mg·L- 1。实验还表明，在pH1-13范围内，重金属螯合剂对各种金属离子的捕集效率都在99%以上。 总之，重金属螯合剂捕集重金属离子的效率较高，能使处理后的重金属废水达到排放标准，处理重金属废水时污泥沉淀快，含水率低，为后续的处理提供了方便。捕集效果不受碱金属和碱土金属共存的影响，也不受溶液pH值变化的影响。 2.　在无机高效液相色谱中的应用 高效液相色谱(HPLC)是有机、生化分析的重要工具，在无机分析方面也发展迅速。柱前衍生无机HPLC尤其引人注意，已成为一种重要的分离分析手段。它通过金属离子与螯合剂形成金属螯合物，将多种金属离子进行同时分离测定，具有以下优点：(1)分离能力优良，能使最大吸收波长相近、性质相似的金属螯合物得到分离，同时测定多种元素；(2)灵敏度高，能实现超高灵敏度分析。摩尔吸光系数达104的螯合剂，有吸光度满刻度(AUFS)0.01的量程，对原子量为60左右的金属离子能较容易地达到纳克级的高灵敏度；(3)效率高，一般只需10 - 20min即可分离测定。氨羧类螯合剂是分析化学中应用最广泛的试剂之一，其中EDTA也用于HPLC分离金属螯合物。雷志洪等用氨基聚羧酸在C18柱上分离了Bi、Co、Pb、Mn、和Ni，所用流动相为乙腈-水体系，检测波长为254 nm。这类试剂在HPLC上的应用尚未完全开发，如果能提高灵敏度，这类试剂在多元素同时测定上将有广泛的应用。 3.　作为掩蔽剂在分析化学中的应用 在分析化学中，干扰离子会影响分析结果的准确性，如何消除其它离子的干扰，提高分析结果的准确度，除了发展高选择性的试剂外，掩蔽剂的使用也是一个很重要的途径。在分析化学中的所谓“掩蔽”，是指离子或分子无须进行分离而仅经过一定的化学反应(通常是形成配合物)即可不再干扰分析反应过程。 掩蔽离子反应的主要类型有：沉淀掩蔽、氧化还原掩蔽、配合掩蔽。螯合剂作为掩蔽剂，在配合掩蔽反应中有广泛的应用。在配合掩蔽反应中，利用干扰离子与掩蔽剂形成稳定的螯合物，从而不再干扰分析反应。例如EDTA以及其他氨羧类配合剂能与金属离子形成稳定的1∶1的螯合物，而且多数螯合物能在瞬间形成，是容量分析常用的一类重要滴定剂。氨羧螯合剂大多数具有与EDTA相类似的性质，即能与许多金属离子形成螯合物，只是不同的试剂与金属离子螯合能力各不相同，这便为我们提供了选择使用这类试剂作为某些金属离子掩蔽剂的可能性。 例如植酸(C6H6\[OPO(OH)2\]6)的六元环联着六个磷酸酯基团- OPO(OH)2，这一独特的结构赋予它比较强的配合能力，这一点在它的许多应用(如作为食品添加剂以防止金属离子沉淀或除去放射性污染物，作为除锈剂、清洁剂和有毒金属的解毒剂等)中已体现出来了。试验表明，在pH5.5或pH4.5，以5-\[(5-溴- 2-吡啶)偶氮\]- 2，4-二氨基甲苯(5- Br- PA- DAT)为指示剂，用EDTA滴定Cu2+时，可以用植酸掩蔽Fe3+、Al3+、Sn4+、Ti4+、Th4+、La3+和Ce3+。应用本法测定锡青铜、磷青铜和铝青铜中的铜，结果满意。与具有近似掩蔽性能的氟化钾比较，植酸具有不腐蚀玻璃仪器和不影响pH玻璃电极性能的优点。 4.　在印染工业中的应用 在纺织化学品加工过程中，处理液中或多或少都存在一些阳离子，Ca2+、Mg2+、Fe2+、Fe3+、Cu2+、Zn2+等，这些阳离子有时对加工过程产生不利影响，当产生消极作用时，就必须除掉这些金属离子，改变金属离子的存在状态，螯合法是最常用的方法之一。螯合法就是加入螯合剂，使之与金属离子形成螯合物，改变了金属离子在溶液中的存在状态，这样就抑制了金属离子的作用。 无机螯和剂中的多聚磷酸盐，例如三聚磷酸钠(STPP)其配合能力属于中等，与重金属离子、钙土金属离子配合生成具有高温稳定的螯合物，能用于净洗剂及纺织品前处理。染色中，也可以减少因重金属离子存在而造成的色差。 金属离子的存在也会影响阳离子染色，比如：Ca2+、Mg2+等金属离子会与染料阳离子相互争夺纤维上的染座，从而降低了染色速度。此外Fe3+、Cu2+等对染色物的色光也有影响，加入适当量的螯合剂即可消除这些不利影响。 5.　在制浆造纸中的应用 有的工厂用螯合剂来控制树脂障碍，把螯合剂加入磨木机使用水中，每吨浆使用1.14-2.27 kg，在磨浆提高白度的同时，还有控制树脂的效果，减少树脂对金属表面的粘附。正是由于吸附在金属表面的螯合剂，阻止树脂的吸留，当存在高的Ca2+和适当温度条件下，纸浆的pH值自碱性转变为中性或酸性时，纸浆中树脂粒子会变得富有粘性和易于吸附。其次把螯合剂当成稳定剂加入APMP浆中，在H2O2漂白时螯合金属离子，吨浆耗0.15 kg，漂白白度提高2%。实验证明，加入螯合剂EDTA，漂白时间60 min，白度可提高2%。在废纸脱墨工艺中的使用：按每吨折干浆废纸的重量计算，螯合剂用量1.5-2.0 kg，在碎浆机内脱墨药剂同时加入，碎浆完成前5 min投放双氧水，洗涤后白度提高4%-5%。金属螯合剂具有无味、无刺激、安全无毒的特性，而且加入量少，可降低成本，同时生产出的纸张白度有所增加。 另外，CDTA(环己二胺四乙酸)作为一种新型的螯合剂，有比EDTA、DTPA更好的螯合能力。而且将CDTA用于纤维素纸浆中来去除过渡金属离子，得到了很好的效果。试验结果表明，经CDTA处理的纤维素纸浆，过渡金属离子浓度大大降低，其中Fe和Mn减少50%，Cu减少70%。 总之，螯合剂在分析、印染、化工、食品、皮革、废水处理等方面都有着广泛的应用。随着科技的发展，必将出现螯合能力更强、性能更好的新型螯合剂。