基于纖維素/殼聚糖的磁性材料吸附重金屬離子應用研究

李京城

摘 要： 隨著工業化和城市化的發展，廢水中的重金屬離子的污染問題成為環境保護亟待解決的問題。自然界中常見的大分子物質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，對環境友好的特點，而且對重金屬離子具有很強的吸附性。因此，我們研究了這類磁性凝膠材料的應用。

關鍵詞： 纖維素;殼聚糖;磁性;凝膠

1 研究背景

近年來環境污染嚴重威脅人類健康與可持續發展，其中含有重金屬離子的工業生活廢水是導致危害最大的污染源之一，因此設計合成高效、經濟、無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方法用于處理水體中的重金屬離子，例如化學沉淀法，凝結-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展迅速的生物吸附劑。

隨著生命科學的迅速發展，對于探索和了解生物體系的多樣性和形態的復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，通過將纖維素溶解、改性、交聯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]通過將殼聚糖溶解、改性、交聯生成的即為殼聚糖凝膠。通過自然界中常見的大分子物質纖維素與殼聚糖合成具有吸附重金屬能力的磁性復合凝膠材料，用于吸附廢水中的重金屬離子。[2]

2 纖維素吸附應用

在處理水體系污染的復合材料中，以纖維素、殼聚糖、海藻酸鈉為主的多糖類大分子已經被證明是一種高效、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，文獻中已報道具有廣泛的重金屬吸附性能。與傳統吸附劑如活性炭和商品樹脂相比，基于纖維素的吸附劑有如下優點。

（1）纖維素從天然的原材料中獲取，無需化工原料制備，在自然界中儲量豐富。纖維素目前纖維素的最大的來源是植物和海藻，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行絡合，具有很好的吸附性能，吸附范圍廣，吸附的離子種類多。

（3）纖維素分子對人體無害。纖維素分子可以通過人體血液，即使進入人體也可以通過血液運輸，運出體外，所以對人體無害。

3 殼聚糖吸附應用

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用前景，是一種良好的生物吸附材料，在近年來受到廣泛的研究。殼聚糖對于重金屬良好的吸附性能可以歸結于以下幾點：

（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（乙酰氨基、伯氨基以及羥基）;

（3）功能基團的高化學活性;

（4）聚合物鏈的可變型的靈活結構。高活性的氨基幾乎能與所有的第三主族的過渡金屬元素成鍵，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，具有陽離子行為，質子化的氨基通過離子交換作用吸附金屬陰離子。[3]與傳統吸附劑如活性炭和商品樹脂相比，基于殼聚糖吸附劑有如下優點。

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

（2）殼聚糖吸附劑生產成本低，交聯劑多為常用試劑，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樹脂。殼聚糖分子鏈上具有多種吸附功能基團，因此對染料、芳香化合物和重金屬均有良好的吸附性，并且通過接枝或改性引入新的功能基團，可進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。合成樹脂一般親水性較差，必須經改性或溶劑活化處理。活性炭對親水性物質的吸附性能往往較差。

4 總結

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

參考文獻：

[1]姚瑞華，孟范平，張龍軍，等.改性殼聚糖對重金屬離子的吸附研究和應用進展[J].材料導報，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用.環境污染與防治，2001，23（5）：245.

[3]李杰，馬鳳國，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].化工進展，2004，23（5）：532-535.

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