基于纖維素/殼聚糖的磁性材料吸附重金屬離子應(yīng)用研究

李京城

摘 要： 隨著工業(yè)化和城市化的發(fā)展，廢水中的重金屬離子的污染問(wèn)題成為環(huán)境保護(hù)亟待解決的問(wèn)題。自然界中常見(jiàn)的大分子物質(zhì)纖維素與殼聚糖用于吸附廢水中的重金屬離子，具有生物相容性，可降解性，對(duì)環(huán)境友好的特點(diǎn)，而且對(duì)重金屬離子具有很強(qiáng)的吸附性。因此，我們研究了這類(lèi)磁性凝膠材料的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： 纖維素;殼聚糖;磁性;凝膠

1 研究背景

近年來(lái)環(huán)境污染嚴(yán)重威脅人類(lèi)健康與可持續(xù)發(fā)展，其中含有重金屬離子的工業(yè)生活廢水是導(dǎo)致危害最大的污染源之一，因此設(shè)計(jì)合成高效、經(jīng)濟(jì)、無(wú)二次污染的材料用于水體系中重金屬污染的處理被廣泛研究。目前有多種物理和化學(xué)方法用于處理水體中的重金屬離子，例如化學(xué)沉淀法，凝結(jié)-聚沉法，氧化法，膜分離法，離子交換法，吸附法等等。在這些處理手段中，吸附法由于其低成本，高效率，環(huán)境友好并且具有多種功能試用于不同水體，在眾多研究中被認(rèn)為是一種有效的水體污染處理方式。除重金屬污染物的吸附劑有活性炭材料，碳納米管材料以及近期發(fā)展迅速的生物吸附劑。

隨著生命科學(xué)的迅速發(fā)展，對(duì)于探索和了解生物體系的多樣性和形態(tài)的復(fù)雜性的要求日益迫切。纖維素是是由葡萄糖組成的大分子多糖，通過(guò)將纖維素溶解、改性、交聯(lián)生成的即為纖維素凝膠。殼聚糖（Chitosan）是甲殼素（Chitin）在堿性條件下水解并脫去部分乙酰基后生成的衍生物，又名殼多糖、氨基多糖、甲殼糖等。[1]通過(guò)將殼聚糖溶解、改性、交聯(lián)生成的即為殼聚糖凝膠。通過(guò)自然界中常見(jiàn)的大分子物質(zhì)纖維素與殼聚糖合成具有吸附重金屬能力的磁性復(fù)合凝膠材料，用于吸附廢水中的重金屬離子。[2]

2 纖維素吸附應(yīng)用

在處理水體系污染的復(fù)合材料中，以纖維素、殼聚糖、海藻酸鈉為主的多糖類(lèi)大分子已經(jīng)被證明是一種高效、低成本的良好吸附劑。纖維素是一種地球上最廣泛存在的生物質(zhì)，文獻(xiàn)中已報(bào)道具有廣泛的重金屬吸附性能。與傳統(tǒng)吸附劑如活性炭和商品樹(shù)脂相比，基于纖維素的吸附劑有如下優(yōu)點(diǎn)。

（1）纖維素從天然的原材料中獲取，無(wú)需化工原料制備，在自然界中儲(chǔ)量豐富。纖維素目前纖維素的最大的來(lái)源是植物和海藻，纖維素主要以聚多糖的形式存在于植物的細(xì)胞壁和海藻中。

（2）纖維素分子中存在眾多的-OH可以與多種重金屬離子進(jìn)行絡(luò)合，具有很好的吸附性能，吸附范圍廣，吸附的離子種類(lèi)多。

（3）纖維素分子對(duì)人體無(wú)害。纖維素分子可以通過(guò)人體血液，即使進(jìn)入人體也可以通過(guò)血液運(yùn)輸，運(yùn)出體外，所以對(duì)人體無(wú)害。

3 殼聚糖吸附應(yīng)用

殼聚糖分子由于含有大量的氨基，因此在酸性或近中性的水體中除去重金屬離子具有應(yīng)用前景，是一種良好的生物吸附材料，在近年來(lái)受到廣泛的研究。殼聚糖對(duì)于重金屬良好的吸附性能可以歸結(jié)于以下幾點(diǎn)：

（1）聚葡萄糖單元含有的大量羥基使其具有良好的親水性;

（2）存在大量的功能基團(tuán)（乙酰氨基、伯氨基以及羥基）;

（3）功能基團(tuán)的高化學(xué)活性;

（4）聚合物鏈的可變型的靈活結(jié)構(gòu)。高活性的氨基幾乎能與所有的第三主族的過(guò)渡金屬元素成鍵，但不能與第一和第二主族的元素成鍵（堿金屬和堿土金屬）。

并且由于殼聚糖分子在水溶液中帶有正電，具有陽(yáng)離子行為，質(zhì)子化的氨基通過(guò)離子交換作用吸附金屬陰離子。[3]與傳統(tǒng)吸附劑如活性炭和商品樹(shù)脂相比，基于殼聚糖吸附劑有如下優(yōu)點(diǎn)。

（1）殼聚糖吸附劑是從天然的原材料中獲取，而商品樹(shù)脂多由化工原料制備，多為非清潔工藝生產(chǎn)，是環(huán)境友好型吸附劑?？筛鶕?jù)實(shí)際需要制成不同的形狀，如微球、凝膠、膜、囊和纖維等，不同形態(tài)的殼聚糖材料具有不同的吸附特性。

（2）殼聚糖吸附劑生產(chǎn)成本低，交聯(lián)劑多為常用試劑，易于制備。

（3）殼聚糖吸附劑能夠適用于較寬金屬離子濃度范圍，具有較高的吸附速率和吸附容量，以及高選擇性和吸附效率。而活性炭與交換樹(shù)脂通常選擇性欠佳，僅適用于低濃度范圍下的金屬離子吸附。殼聚糖吸附劑的吸附選擇性通常高于常規(guī)樹(shù)脂。殼聚糖分子鏈上具有多種吸附功能基團(tuán)，因此對(duì)染料、芳香化合物和重金屬均有良好的吸附性，并且通過(guò)接枝或改性引入新的功能基團(tuán)，可進(jìn)一步提高吸附容量和吸附的選擇性。

（4）殼聚糖吸附劑具有較好的親水性，可在水中快速溶脹，從而能夠快速吸附金屬離子。合成樹(shù)脂一般親水性較差，必須經(jīng)改性或溶劑活化處理。活性炭對(duì)親水性物質(zhì)的吸附性能往往較差。

4 總結(jié)

吸附劑的成本是影響吸附劑使用的一個(gè)重要因素，改性殼聚糖纖維素應(yīng)用于重金屬?gòu)U水處理的同時(shí)應(yīng)注重吸附劑性能的恢復(fù)，選擇適宜的解吸方法可以有效提高吸附劑的重復(fù)使用次數(shù)。與傳統(tǒng)的生物吸附劑相比，磁性材料復(fù)合的生物吸附劑能在外加磁場(chǎng)作用下，用簡(jiǎn)易的手段將吸附劑與水體分離，回收吸附劑并嘗試重復(fù)利用，從而不產(chǎn)生二次污染并可循環(huán)使用，其低成本、原料來(lái)源廣泛、效率高且具有良好生物相容性，因此在水處理，食品，醫(yī)藥中都有著靈活的應(yīng)用方式，并有工業(yè)化生產(chǎn)的潛力。[4]

參考文獻(xiàn)：

[1]姚瑞華，孟范平，張龍軍，等.改性殼聚糖對(duì)重金屬離子的吸附研究和應(yīng)用進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2008，22（4）：65-70.

[2]黃麗莎，李加新，周寧懷，等.殼聚糖在廢水處理中的應(yīng)用.環(huán)境污染與防治，2001，23（5）：245.

[3]李杰，馬鳳國(guó)，譚惠民.羧甲基纖維素接枝聚磺甲基化丙烯酰胺的制備及其吸附性能的研究[J].化工進(jìn)展，2004，23（5）：532-535.

[4]李倩.新型陽(yáng)離子聚合物/膨潤(rùn)土復(fù)合吸附材料的制備、表征及其吸附性能研究[D].山東大學(xué)，2008.