殼聚糖及其磁性復(fù)合材料在水處理中應(yīng)用的研究進(jìn)展

陳力+祝向榮+李國(guó)超+陳秋榮

摘 要：本文首先綜述了改性殼聚糖在水處理中對(duì)含重金屬污水或含磷污水的研究進(jìn)展；其次介紹了殼聚糖磁性復(fù)合材料在含重金屬污水處理應(yīng)用的研究進(jìn)展以及其去除水中污染物的作用機(jī)理；最后對(duì)改性殼聚糖在水處理中的進(jìn)一步應(yīng)用進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：殼聚糖 磁性復(fù)合材料 廢水 重金屬 磷

中圖分類號(hào)：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）11（b）-0107-02

隨著地球人口的不斷增多以及工業(yè)社會(huì)的飛速發(fā)展，水污染也越來(lái)越嚴(yán)重。水中重金屬含量的超標(biāo)以及水體富營(yíng)養(yǎng)化使得我國(guó)逐漸成為一個(gè)水質(zhì)型缺水國(guó)家。水中的重金屬離子不僅對(duì)動(dòng)物及人體造成“三致”影響，還能使人慢性中毒；而且由于氨氮、COD、總磷的增加而導(dǎo)致的水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題，也使得水體發(fā)黑變臭不能飲用。水質(zhì)污染與人們對(duì)水質(zhì)更高要求的沖突愈演愈烈，而有關(guān)水處理技術(shù)的研究也因此得到廣泛開(kāi)展。到目前為止，在所有污水凈化的方法中吸附法是最受歡迎的一種方法，其不僅可以通過(guò)吸附而去除或回收污水中的重金屬，同時(shí)也可以用于水中磷的去除等，從而使水質(zhì)得到提高。

而用于吸附法的吸附劑有很多種，其中殼聚糖被認(rèn)為是“綠色的水處理劑”，而且其在自然界中具有相當(dāng)豐富的供應(yīng)源[1]。應(yīng)用研究表明，單純地使用殼聚糖進(jìn)行水體凈化的效果不佳，往往先通過(guò)對(duì)殼聚糖進(jìn)行某種改性，再去使用，這樣可以達(dá)到更佳的水處理效果。通過(guò)改性后的殼聚糖可螯合吸附重金屬離子，從而在重金屬的回收和含重金屬離子的工業(yè)廢水處理上具有巨大作用，如Hg2+、Cu2+、Cr6+等；在一定的條件下，也可以處理大量的含磷污水，對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化過(guò)程也能產(chǎn)生有效的遏制效果。另外，在使用單一改性的殼聚糖時(shí)，仍然有其局限之處。比如在對(duì)污水進(jìn)行凈化處理后，還不能高效地分離出殼聚糖。由于目前在水處理行業(yè)中磁分離技術(shù)已被廣泛使用，故可將殼聚糖與磁性材料進(jìn)行交聯(lián)復(fù)合，制備出殼聚糖磁性復(fù)合材料，使得其吸附性能、化學(xué)穩(wěn)定性、再生與分離等特點(diǎn)都得到提高，因此殼聚糖磁性復(fù)合材料具有很大的研究?jī)r(jià)值[2]。本文將重點(diǎn)綜述改性殼聚糖及基于殼聚糖的磁性復(fù)合材料在水處理中應(yīng)用的研究。

1 改性殼聚糖在水處理中應(yīng)用的進(jìn)展

1.1 在處理含重金屬?gòu)U水中的應(yīng)用

目前，通過(guò)對(duì)殼聚糖進(jìn)行各種方式的處理從而制備出相應(yīng)的改性殼聚糖，其吸附重金屬離子的效果往往比單純地使用殼聚糖要好多。羅道成等人制備出香草醛改性殼聚糖（VCG），研究了其對(duì)重金屬離子的吸附性能，結(jié)果表明，在溫度為25℃，溶液pH值為4，吸附時(shí)間為2h，初始濃度為30mg/L時(shí)，該吸附劑對(duì)重金屬具有較好的吸附性能，即對(duì)Pb2+、Cu2+、Cd2+、Zn2+、Ni2+等的去除率達(dá)97%以上[3]。馬全紅等人制備了丙酮酸改性殼聚糖（PCTS），該吸附劑具有較高取代性的羧基并且容易在水中溶解，并研討了其對(duì)重金屬離子的吸附特性。結(jié)果表明，其對(duì)含有較低濃度的Cu2+、Zn2+、Co2+等金屬離子的去除率達(dá)到了100%、99.8%和40.5%，與未經(jīng)處理的殼聚糖和水楊醛改性的殼聚糖相比，該吸附劑的吸附性能和溶解性能都有較大的提高[4]。

1.2 在處理含磷污水中的應(yīng)用

國(guó)內(nèi)外研究表明，對(duì)殼聚糖進(jìn)行質(zhì)子化處理后，其吸附重金屬和污水中的磷都有一定的效果。Wei Yao等人制備出用季銨交聯(lián)的磁性殼聚糖，過(guò)程中加入醋酸進(jìn)行質(zhì)子化處理，并用其吸附以陰根離子形態(tài)存在的Cr（VI）和P（V）（如HCrO4-、H2PO4-），結(jié)果表明，兩者的飽和吸附量分別為2.323mmol/g和2.783mmol/g，均具有較好的處理效果[5]。

2 殼聚糖磁性復(fù)合材料在水處理中應(yīng)用的進(jìn)展

2.1 殼聚糖磁性復(fù)合材料在處理含重金屬?gòu)U水方面的應(yīng)用

將殼聚糖與磁性顆粒進(jìn)行復(fù)合后，在處理重金屬污水時(shí)有廣泛的用途。YANG Wei-chun等人用簡(jiǎn)單一步法合成磁性殼聚糖并將其用于Cr6+的吸附，隨著殼聚糖質(zhì)子化度的提高，Cr6+吸附容量也從10.771mg/g增加到21.040mg/g，最佳吸附pH范圍為3～5[6]。胡曼等人研究Fe3O4復(fù)合改性殼聚糖對(duì)Pb2+吸附性能的影響，結(jié)果表明，該磁性殼聚糖微粒對(duì)Pb2+離子的吸附性能得到很大的提高，當(dāng)吸附時(shí)間為80min，溶液pH值為4.5，溫度為25℃時(shí)，廢水中Pb2+去除率可達(dá)99%以上[7]。

2.2 殼聚糖磁性顆粒在水處理中的作用機(jī)理

首先，根據(jù)殼聚糖磁性顆粒本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，多孔以及大的比表面積等，這就使得其在污水凈化上有較佳的吸附效果；再者，由于殼聚糖表面帶有大量的氨基和羥基等官能團(tuán)，這些活性基團(tuán)可以對(duì)多種重金屬離子產(chǎn)生選擇性的螯合吸附作用，結(jié)合氨基螯合樹(shù)脂的特性可知，殼聚糖磁性材料對(duì)Au3+、Cu2+、Ni2+、Zn2+、Mn2+和Hg2+有較好的選擇性螯合吸附作用；并且，當(dāng)殼聚糖上的氨基通過(guò)質(zhì)子化而帶正電荷時(shí)，其可以吸附帶負(fù)電荷物質(zhì)，如磷酸根離子。

其次，也有研究表明，弱堿離子交換樹(shù)脂的原則也可應(yīng)用于殼聚糖的吸附作用，當(dāng)殼聚糖的氨基在強(qiáng)酸溶液中先被質(zhì)子化，并且在反應(yīng)溶液中負(fù)離子濃度較高時(shí)，金屬離子便可以與氨基部位進(jìn)行螯合作用而被吸附。所以，氨基等活性基團(tuán)對(duì)殼聚糖吸附作用具有重要的影響。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者通常會(huì)對(duì)殼聚糖進(jìn)行交聯(lián)、接枝等某種的改性，增加氨基的數(shù)量，從而使得吸附劑對(duì)重金屬離子和磷的吸附容量得到擴(kuò)大。

最后，在進(jìn)行水體凈化的實(shí)際操作中，溶液pH值、反應(yīng)時(shí)間、磁性殼聚糖用量與廢水初始濃度比等都具有重要的影響作用。其中pH值是最重要的影響因素，一般而言對(duì)水中重金屬離子或磷吸附的最佳pH值都小于7，過(guò)低或過(guò)高的pH值都對(duì)殼聚糖的吸附性能產(chǎn)生不利影響。

3 結(jié)語(yǔ)

目前關(guān)于殼聚糖及改性殼聚糖的研究很多，尤其是磁性殼聚糖復(fù)合材料的研究，已達(dá)到比較深入的階段。然而殼聚糖磁性復(fù)合材料的應(yīng)用目前主要還是針對(duì)污水中重金屬離子的去除，對(duì)于去除水中磷的研究和應(yīng)用還比較少，加之關(guān)于其去除重金屬與磷的作用機(jī)理的研究也不夠。故殼聚糖磁性復(fù)合材料在水處理中的研究應(yīng)用還可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)一步展開(kāi)工作。endprint

（1）考慮將用于去除重金屬離子的殼聚糖磁性材料通過(guò)某種改性，比如質(zhì)子化處理，使其同時(shí)可去除污水中的磷，制備出能多功能去除水中污染物的殼聚糖磁性復(fù)合材料。（2）研究殼聚糖磁性材料去除重金屬和磷的作用機(jī)理，考察其質(zhì)子化處理的pH值、吸附時(shí)間、溫度、污水濃度、殼聚糖與磁性顆粒的質(zhì)量比及均勻度等因素的影響，探討出最佳的因素組合。（3）在保證殼聚糖磁性復(fù)合材料功能基團(tuán)含量的條件下，降低微球大小而提高吸附性能。（4）探索新的復(fù)合材料制備工藝，增加其飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度及磁穩(wěn)定性能，以提高其分離回收性能，為其規(guī)?；瘧?yīng)用的實(shí)現(xiàn)提供技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)

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