磁性羧甲基殼聚糖微球吸附劑的合成及其性能

李宏，譚仲軒，趙苑婷，趙瑞，寧若妍，鄭懷禮

(重慶大學(xué) a.環(huán)境與生態(tài)學(xué)院；b.研究生院，重慶400045)

天然聚合物殼聚糖(CS)具有環(huán)境友好、可生物降解、低成本等優(yōu)點(diǎn)，在水處理吸附劑領(lǐng)域備受關(guān)注，但在酸性環(huán)境下因質(zhì)子化而結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的問題限制了它的應(yīng)用[1]。其水溶兩性衍生物羧甲基殼聚糖(CC)能夠有效克服這個(gè)問題，并常被用于保鮮劑、化妝品和藥品等領(lǐng)域。此外，CC具有豐富的羧基、氨基、羥基等活性基團(tuán)，為其提供了大量能與水中多種污染物結(jié)合的位點(diǎn)，故CC常用作廢水處理的吸附劑[2]。吸附劑的分離性能影響整個(gè)吸附過程的效率和效果，傳統(tǒng)的分離方法，如沉淀與過濾，難以同時(shí)保證分離的效率及經(jīng)濟(jì)性[3]。為此，筆者將快速高效、低能耗、低成本的磁分離技術(shù)與經(jīng)濟(jì)環(huán)保、活性基團(tuán)豐富的生物材料吸附劑結(jié)合起來，通過CC包裹磁性納米級(jí)Fe3O4并與戊二醛進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)，制備了環(huán)保、低成本、合成簡(jiǎn)便、易分離再生的新型吸附劑磁性羧甲基殼聚糖微球(MCCs)，并研究其對(duì)水中染料結(jié)晶紫(CV)的吸附性能，以及處理印染廢水[4]的可行性和應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

對(duì)MCCs的表征分析顯示，其紅外光譜上1 634 cm-1、571 cm-1的峰對(duì)應(yīng)CC上的氨基與戊二醛的醛基通過席夫堿反應(yīng)形成的C=N鍵及Fe3O4中的Fe—O鍵，證明了交聯(lián)反應(yīng)及包載Fe3O4的成功，并且3 447 cm-1及1 385 cm-1處的峰對(duì)應(yīng)MCCs上的O—H、N—H及—COO-基團(tuán)，表明其具有豐富的羥基、氨基、羧基等，能去除多種污染物活性基團(tuán)，如圖1所示；在其XRD衍射圖譜中，可清晰看到與Fe3O4的6個(gè)特征晶面對(duì)應(yīng)的衍射峰，說明交聯(lián)包載并沒破壞Fe3O4的晶形結(jié)構(gòu)，如圖2所示；MCCs、Fe3O4的飽和磁化強(qiáng)度分別為0.22、0.84 emu/g，前者因?yàn)镃C的包裹，磁性有所下降，但仍可通過外部磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)高效的固液分離，如圖3所示。

在25 ℃下，10 mg的MCCs對(duì)20 mL初始濃度為1 500 mg/L的CV吸附24 h后，其吸附容量隨著pH值的升高逐漸增加，且在pH值為11.0時(shí)達(dá)到1 625 mg/g，吸附效果良好；pH值為5.0～10.0時(shí)，吸附容量穩(wěn)定在1 100 mg/g左右，說明MCCs能廣泛適應(yīng)并高效處理pH值范圍寬泛的工業(yè)廢水，如圖4所示。

圖1 CC、MCCs紅外光譜圖Fig.1 FT-IR spectra of CC and MCCs

圖2 MCCs的XRD衍射圖譜Fig.2 XRD pattern of MCCs

圖3 MCCs、Fe3O4的磁滯回線圖Fig.3 Magnetization curves of MCCs and Fe3O4

圖4 pH值對(duì)吸附的影響Fig.4 Effect of pH on the adsorption of CV by MCCs

圖5 循環(huán)再生效率Fig.5 Reuse efficiency of MCCs

MCCs對(duì)CV的吸附過程符合Langmuir等溫線模型和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型，說明該吸附過程是以化學(xué)吸附為限速步驟的均勻單分子層吸附。由等溫線模型的分析可得，MCCs對(duì)水中CV的吸附在pH值為8.0，溫度為25、35 ℃時(shí)的理論最大吸附容量分別為942、1 144 mg/g，在目前的染料吸附劑中，其吸附效果突出。

合成的吸附劑MCCs具有綠色環(huán)保、低成本、合成簡(jiǎn)便、分離操作簡(jiǎn)單高效、節(jié)省能耗、吸附性能優(yōu)越和再生回用特性好等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于印染廢水處理和水環(huán)境治理中具有較大潛力，可為研究高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的吸附劑處理廢水提供參考和指導(dǎo)。