黃原膠的改性及其在水處理中的應用

金小琳

(沈陽建筑大學市政與環境工程學院，遼寧 沈陽 110168)

黃原膠(XG)是一種由革蘭氏陰性菌野油菜黃單胞桿菌生產的微生物胞外多糖，具有陰離子結構[1]。黃原膠理化性能優異，具有良好的水溶性、穩定性、生物相容性，獨特的流變性，優異的乳化性和懸浮性[2]。并且黃原膠來源于自然界，在2d內可完全生物降解，無污染可持續。因此黃原膠可作為增稠劑、懸浮劑、乳化劑、穩定劑等，廣泛應用于食品包裝、水處理、生物醫學、農業等多個領域。

然而，由于黃原膠表面積小、機械性能差、溶解速度慢[3]等限制，使其在特定環境中的應用受到了阻礙。同時，黃原膠在主、側鏈上有大量的活性官能團，如羥基、羧基等，可以通過多種改性方式，如物理改性、化學改性、疏水改性、水凝膠的合成、接枝共聚等對其進行修飾或功能化，以增強其理化性質，從而使其能夠滿足不同應用的需要[4]。大量實驗與數據顯示，改性后的黃原膠對飲用水、廢水等有很好的處理效果，且能降低處理成本，減輕對環境的壓力，實現綠色可持續的發展要求。

1 黃原膠的改性

1.1 物理改性

有許多不同的物理方法用于改變黃原膠的性質，如熱處理、高壓處理、輻射和超聲法等。其中，熱處理是一種重要的方法，隨著周圍溫度的升高，黃原膠分子間的相互作用逐漸減弱，形成無序結構[5]。Yoshida等[6]表示黃原膠水溶液在溶膠態充分退火后形成凝膠態是因為溶液的均質化，即黃原膠分子通過退火解吸非凍結水而脫離其分子組合。此外，超聲改性方法也是一種有效、快速、綠色、節能的物理改性方法。Li等[7]將天然黃原膠和無丙酮酸黃原膠共混物超聲30min，并通過粘度測定法評估其分子量降解情況。

1.2 化學改性

黃原膠具有羥基(-OH)和羧酸(-COO-)活性官能團，這些活性官能團是對黃原膠進行化學改性以改善其理化性質和流變性能的重要基礎和良好選擇。

乙酰化和羧甲基化是常見的化學改性黃原膠的方法，乙酰化過程將乙酰基轉移到氨基酸側鏈基團上，羧甲基黃原膠一般由黃原膠與氯乙酸進行醚化反應得到[8]。如，Bhatia等[9]以巰基丙酸和巰基乙酸為酯化劑，對黃原膠多糖進行了巰基衍生化反應進行改性，溶液與硫代黃原膠之間形成二硫鍵，提高了黃原膠的粘接性能。

1.3 疏水改性

黃原膠的疏水改性也受到了各個方面的高度關注。黃原膠可以通過與水溶性多糖進行醚化、酯化、和酰胺化[10]等不同的化學反應，使其具有兩親性。如，Sara等[11]利用Williamson合成技術，在乙醇和二甲基亞砜2種不同的反應介質中，使辛基氯化物與黃原膠的羥基發生醚化反應，將辛基鏈接枝到黃原膠主鏈上，從而開發出具有兩親性的黃原膠疏水改性衍生物。表征結果表明，改性后黃原膠的形貌和結晶度發生了一定的變化，在乙醇中制備的黃原膠衍生物比在二甲基亞砜中制備的黃原膠衍生物具有更高的取代度和分子量，但具有較高的乳液穩定能力。

1.4 水凝膠改性

水凝膠被認為是親水的三維聚合物網絡，沿聚合物鏈含有各種親水基團，因此其可以溶脹并在其結構中保留大量的水而不會溶解。水凝膠具有極好的特性，包括可逆性、滅菌性和生物相容性[12]。同時，黃原膠作為具有良好理化性質、可持續發展的綠色材料，人們將黃原膠與其他聚合物形成水凝膠。劉宛宜等[13]以丙烯酸、丙烯酰胺為單體，在過硫酸鹽引發下制備聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)水凝膠以吸附水中染料亞甲基藍和孔雀石綠。

1.5 接枝共聚

接枝共聚可以通過共價鍵接在黃原膠鏈上形成各種官能團，接枝率(GY%)和接枝效率(GE%)是評價接枝過程的主要參數，受多種因素的影響[14]。黃原膠接枝共聚物的方法包括乙烯基在黃原膠上的接枝和導電聚合物在黃原膠上的接枝。其中，可以通過微波輻照輔助的嫁接方法使時間消耗、成本效益和環境方面友好高效。Pandey[15]研究了在水介質中過硫酸銨(APS)在微波條件引發下，將苯胺(ANi)接枝到黃原膠(XG)上，合成復合材料mwXG-g-PANi，可作為NH3的化學傳感器，具有良好的重現性、穩定性和靈敏度。

2 黃原膠在水處理中的應用

天然來源的材料由于其豐富度高、成本效益高、可生物降解性和可持續性，近年來已被廣泛應用于人類生活的幾乎所有領域。其中，黃原膠由于其加工簡單和批量可重復性，在市場上占有重要的份額，在水處理中也發揮著重要的作用。

2.1 重金屬的去除

在危害人類健康的物質中，有毒重金屬由于致癌性以及缺乏可降解性而受到特別關注。人們提出多種方法來處理有毒重金屬廢水，吸附法因操作簡單、對有毒物質不敏感、效率高、成本低而受到青睞。在這種情況下，殷曉春等[16]通過氧化還原聚合反應，分別以黃原膠、丙烯酸、羥基磷灰作為接枝骨架、單體、無機組分制備了高分子改性黃原膠/羥基磷灰石復合水凝膠，將XG-g-PAA/HAP作為吸附劑吸附水中重金屬，可在30min內去除90%以上的重金屬離子。Pandey等[17]使用自由基引發聚合法，以過氧化二硫酸鉀(KPS)作為引發劑將丙烯酸乙酯(EA)嫁接到黃原膠(XG)上，制備XG-g-PEA，以去除水中的鋅離子(Zn2+)。

2.2 染料的去除

除了有毒重金屬的去除，改性黃原膠還可以從水溶液中吸附染料。水凝膠由于表面積大、機械強度高，也表現出較好的吸附性。因此，Zheng等[18]為了提高黃原膠的熱穩定性和吸附性能，以PPS為引發劑采用丙烯酰胺對黃原膠進行改性合成了水凝膠XG-g-pam，以吸附水中的結晶紫(CV)染料。表征結果表明黃原膠水凝膠具有較好的熱穩定性和較好的多孔結構。Njuguna等[19]以黃原膠和馬來酸酐為原料交聯反應合成了陰離子型聚黃原膠水凝膠，并將其作為廢水中染料的有效吸附劑。結果表示，黃原膠基水凝膠對陽離子染料有顯著的選擇性，且該水凝膠在再生后可重復使用至少20次，染料去除效率和回收率保持在95%以上。

3 結論與展望

黃原膠因其優異的流變特性、生物相容性、無毒性、生物降解性等被作為關注的研究對象，廣泛應用于多個領域。并且可以利用其豐富的表面官能團對其進行改性，以解決工業黃原膠存在的表面積低、溶解速度慢、機械性能差等問題。本文綜述了物理改性、化學改性、疏水改性、水凝膠改性，以及接枝共聚幾種常見的黃原膠改性方法，并綜述了近年來改性黃原膠在水處理方面的應用，改性的黃原膠材料可作為良好的吸附劑應用于去除污染水體中的各種重金屬離子和有毒染料。

通過多種改性來提高黃原膠的性能，從而將其投入特定應用的研究仍在進行中。黃原膠具有巨大的發展潛力，也將在未來進一步的用于各種領域。然而，如何將改性后的黃原膠材料高效地投入實際生產應用中仍是需要解決的問題。