[发明专利]功能化材料及其生产工艺与使用

说明书

本发明涉及含聚羧酸、酯、胺的功能化材料的生产工艺及使用，该材料可用于从产品流、工艺流和废液中去除有机和无机化合物、阳离子和阴离子交换剂、金属层析材料、固相净化或萃取材料以及生物分子、固相合成材料和色谱材料的固定材料。本发明也涉及新型聚羧酸盐硅烷衍生物。

本发明涉及包含聚羧酸及其衍生物基团的功能化材料的生产工艺及其使用，该材料可用来从产品流、工艺流和废液中去除有机和无机化合物，也可用作阳离子和阴离子交换剂、金属层析材料、固相净化或萃取材料以及生物分子及随后的控释、固相合成材料和色谱材料的固定材料。本发明也涉及新型聚羧酸与有机功能化硅烷衍生物及其各自的金属盐与嫁接后的使用。

各领域的科技发展以及市场应用对化学组分的纯度有了更高的需求，而这些化学组分正是这些技术的基础。例如，医药和生物技术行业中的有机和无机物杂质需被移除至更低浓度，同时在电子工业，产品中一般残留的金属如钠、钙、镁和铁的浓度必须低于1ppm。此外，固体、镀层和薄膜接枝官能团的产品被使用和开发，为大量应用提供额外性能或改进其性能，包括实现更低径流损失的控释药物、控释农药，以及捕获空气中有毒气体的专门材料。

当下不论是从社会还是法律方面来讲，保护环境的需求都在日益增强：因此需要更清洁的方法、避免或降低废弃物，尤其是降低环境中有毒金属和化合物的残留量。

不同行业的众多应用领域越来越多地使用稀土金属，如钪、钇、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱和镥，这也突显了对更新、更好回收技术的迫切需求，从而实现从产品流、工艺流和废液中高效回收这些金属并实现再利用。

在最近的报告(《战略能源技术中的关键金属》(Critical metals in strategicenergy technologies)ISBN978-92-79-20698-6)中，强调指出对特定金属的使用日益增长，这些金属的短缺可能是限制低碳能源技术部署的潜在因素。这些行业包括核能、太阳能、风能、生物能、碳的捕获与存储和电网。十四种金属被标记为关键金属，已经确定这些金属存在潜在风险，其中五种存在高风险(即钕、镝、铟、碲和镓)。该报告提出了一些解决方案，包括更好的金属回收技术以实现再利用。

高价值有机化合物或聚合物常常在多步骤过程中产生，常常伴随着副产物、同分异构体、杂质生成。在很多案例中，所需产品必须进一步纯化，市场对更高效的纯化技术的需求日益增强，从而移除预期产品中伴随的特定副产物、同分异构体和杂质。现有的技术如结晶可导致产品的大量损失。

为了满足这些高需求开发出数种方法，功能化材料是其中之一。功能化材料可以纯化产品，从混合物中选择性去除预期组分，从产品流、工艺流和废液中去除有毒和/或高价值金属或化合物。使用功能化材料解决方案需要让废液通过功能化材料，然后期望的组分被选择性去除。活性炭即是此类功能化材料的一例。取决于不同的工艺条件，炭的表面有若干含氧有机基团。活性炭很廉价，但缺点是高比例产品流失，由于不确定的键合属性和表面官能团差的属性，因此很难实现从最终产品中移除低含量的不需要的化合物或金属。

功能化有机聚合物是可以用于产品纯化的一种功能化材料。有机聚合物骨架包括聚苯乙烯和聚烯烃，仅有很少量简单的单官能团可以被嫁接到骨架上，如磺酸或胺基官能团，主要通过离子交换机理实现，而这些官能团对特定金属仅具很低的亲和力。因此，使用带有有机骨架的现有材料无法实现一直不变地高性能需求。有机树脂有多个关键限制，其中之一是不能在有机聚合物骨架上嫁接特定应用的所需官能团，这是因为可以作用于这些聚合物的化学方法有限。因而在未来，将若干不同的、多官能团嫁接到这些有机聚合物骨架上以实现预期性能的可能性很低。有机树脂的其他限制还包括化学稳定性与热稳定性不佳、在有机溶剂中易膨胀和收缩。总的来说，基于这些有机骨架去开发所需技术有很多限制。