海藻酸是一种高分子羧酸，可以与各种金属离子结合成盐。Smidsrod和Haug发现海藻酸对金属离子的亲和力：Pb2+＞Cu2+＞Cd2+＞Ba2+＞Sr2+＞Ca2+＞Co2+=Ni2+=Zn2+＞Mn2+。由于钙离子与海藻酸的结合力低于各种重金属离子，当海藻酸钙纤维与含有重金属离子的水溶液接触后，溶液中的重金属离子与纤维中的钙离子发生离子交换后使重金属离子在纤维中富集。利用该性能可以把海藻酸钙纤维应用于去除水体、酿酒、制药等行业中的微量重金属离子。
（1）海藻酸盐纤维吸附铜离子的性能。以海藻酸钙纤维为原料，用盐酸和硫酸钠水溶液处理后可以分别得到海藻酸纤维和海藻酸钙钠纤维。海藻酸、海藻酸钙、海藻酸钙钠的主要区别在于分子结构中的羧基分别与H+、Ca2+以及Ca2+或Na+结合，在离子交换过程中产生不同的性能。
图5-8为海藻酸、海藻酸钙及海藻酸钙钠纤维遇水后的溶胀率。可以看出，由于钙离子与海藻酸结合形成稳定的盐键，海藻酸钙纤维遇水后的结构比较稳定，其溶胀率为2.62。海藻酸钙钠纤维中含有水溶性的海藻酸钠，可以把大量的水分吸收进入纤维结构，其溶胀率高达15.0。海藻酸不溶于水，但是其分子间的结合力弱，因此海藻酸纤维遇水后的溶胀率高于海藻酸钙纤维。
图5-8 海藻酸纤维、海藻酸钙纤维和海藻酸钙钠纤维遇水后的溶胀率
在测试海藻酸纤维、海藻酸钙纤维和海藻酸钙钠纤维对铜离子吸附性能的过程中，称取15.6g CuSO4·5H2O溶解于去离子水中，定容至1000mL后得到铜离子含量为4g/L的水溶液。取该溶液50mL，稀释成1000mL后，分别加入1g海藻酸纤维、海藻酸钙纤维及海藻酸钙钠纤维，在磁力搅拌器上搅拌，开始计时。0、0.5h、1h、3h、8h、24h各取出10mL溶液，稀释成1000mL后测定溶液中的铜离子浓度。
图5-9为在含铜离子的水中加入海藻酸纤维、海藻酸钙纤维和海藻酸钙钠纤维后溶液中铜离子浓度随时间的变化。三种海藻酸类纤维均可以与铜离子结合后形成不溶于水的海藻酸铜，对铜离子均有很好的吸附性能。由于海藻酸钙钠纤维遇水后高度膨胀，铜离子可以很快进入纤维结构，因此在加入海藻酸钙钠纤维的溶液中，铜离子浓度迅速下降。在初始阶段，海藻酸钙钠纤维对铜离子的吸附性能高于海藻酸纤维和海藻酸钙纤维。随着吸附时间的延长，离子交换过程中产生的硫酸钠进入溶液，开始与纤维之间进行离子交换，使溶液中的铜离子浓度开始升高，并最终趋于平衡。
图5-9 加入海藻酸纤维、海藻酸钙纤维和海藻酸钙钠纤维后溶液中铜离子浓度随时间的变化
从图5-9可以看出，在纤维与含铜离子的水溶液接触后，溶液中的铜离子浓度在迅速下降后有所回升，这一现象在海藻酸钙纤维和海藻酸钙钠纤维中尤其明显。以海藻酸钙纤维为例，纤维与含硫酸铜的水溶液接触后发生如下反应：
海藻酸钙+硫酸铜══海藻酸铜+硫酸钙
由于该离子交换反应开始时纤维处于固体状态，因此在与铜离子接触时把大量的铜离子从溶液中吸附进入纤维，使溶液中的铜离子浓度有较大的下降。随着接触时间的延长，纤维的膨胀度增加，一部分已经吸附进纤维的铜离子再与硫酸钙反应后进入溶液，使溶液中的铜离子浓度有所上升。
表5-6为海藻酸纤维、海藻酸钙纤维和海藻酸钙钠纤维在不同时间段对铜离子的吸附量。可以看出，三种纤维对铜离子均有较好的吸附性能，24h后的平衡吸附量分别为68.6mg/g、81.7mg/g和71.0mg/g。尽管海藻酸钙钠纤维在初期的吸附量较其他两种纤维高，24h后，海藻酸钙纤维的平衡吸附量最高，达81.7mg/g。这是由于当海藻酸钙纤维与含硫酸铜的水溶液接触时，离子交换后形成的硫酸钙为微溶化合物，因而增加了纤维对铜离子的吸附容量。
表5-6 海藻酸纤维、海藻酸钙纤维和海藻酸钙钠纤维对铜离子的吸附量
续表
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（2）海藻酸盐纤维吸附和释放锌离子的性能。锌是人体必需的微量金属元素之一，临床上缺锌可以严重影响伤口愈合。陈国贤等研究了伤口患者血清中的锌离子浓度在伤口愈合过程中的动态变化，结果显示正常人血清中锌离子的平均浓度为（1.03±0.21）mg/L，伤后第3天下降到（0.76±0.17）mg/L。研究显示，通过创面局部补锌可以促进伤口的愈合。
锌离子是二价金属离子，可以与海藻酸结合形成不溶于水的海藻酸锌。把海藻酸加工成海藻酸锌纤维后可以制备具有缓释锌离子的功能纤维，在医用敷料的生产中有特殊的应用价值。
表5-7为在用硫酸锌水溶液处理海藻酸钙纤维后，处理时间对纤维中锌离子含量的影响。处理0.5h后纤维中的锌离子含量为116.0mg/g，24h后上升到122.6mg/g。0.5h纤维中的锌离子含量是24h的94.6%，说明海藻酸纤维对锌离子的吸附是一个较快的过程。
表5-7 处理时间对海藻酸盐纤维中锌离子含量的影响
表5-8显示，处理液中ZnSO4·7H2O浓度对海藻酸盐纤维中锌离子含量的影响。当使用过量的ZnSO4·7H2O时，纤维中的锌离子含量可以达到128.5mg/g。与此同时，用氯化锌为凝固剂通过湿法纺丝得到的海藻酸锌纤维中的锌离子含量为164.4mg/g。二者相比后可以看出，在用ZnSO4·7H2O水溶液处理海藻酸钙纤维时，纤维中的大部分羧基可以与锌离子结合成海藻酸锌。从表5-8的结果也可以看出，通过控制反应过程中海藻酸钙纤维与溶液中ZnSO4·7H2O的质量比可以制备含不同量锌离子的海藻酸锌钙纤维。
表5-8 ZnSO4·7H2O用量对海藻酸盐纤维中锌离子含量的影响
表5-9显示处理温度对海藻酸盐纤维中锌离子含量的影响。处理温度为30℃、40℃、50℃、60℃、80℃时得到的纤维中的锌离子含量分别为103.0mg/g、109.5mg/g、110.8mg/g、119.8mg/g和127.9mg/g。从中可以看出，提高处理温度有利于海藻酸盐纤维对锌离子的吸附。在用高M和高G型海藻酸盐纤维进行比较时得到的结果显示，在相同处理条件下，高M和高G型海藻酸盐纤维中的锌离子含量分别为127.9mg/g和132.5mg/g，说明M和G含量对吸附锌离子有一定的影响，高G型海藻酸盐纤维能更好地吸附锌离子。
表5-9 处理温度对海藻酸盐纤维中锌离子含量的影响
图5-10为在不同温度下把海藻酸锌纤维放入A溶液后溶液中锌离子浓度的变化。可以看出，海藻酸锌纤维释放锌离子是一个相对较快的过程，溶液中锌离子的浓度在3h后达到平衡。值得指出的是，海藻酸锌纤维在低温下释放锌离子的量比在高温下高。放置0.5h后，20℃时溶液中的锌离子浓度为708mg/L；而在相同时间段，65℃下溶液中锌离子的浓度为324mg/L。放置24h后，20℃和65℃下溶液中锌离子的浓度分别为818mg/L和457mg/L。
图5-11显示37℃下把海藻酸锌纤维放入不同浓度的蛋白质水溶液后溶液中锌离子浓度的变化。0.5h后，在浓度分别为1.0%、2.9%和5.0%的蛋白质水溶液中锌离子浓度分别为92mg/L、347mg/L和626mg/L，24h后三种溶液中的锌离子浓度分别上升到170mg/L、1384mg/L和1924mg/L，说明蛋白质分子的螯合作用促进了锌离子从海藻酸锌纤维上的释放。
图5-10 海藻酸锌纤维放入不同温度的A溶液后溶液中锌离子浓度的变化
图5-11 37℃下海藻酸锌纤维放置在不同浓度的蛋白质水溶液后溶液中锌离子浓度的变化
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