壳聚糖对重金属离子C u和P b的吸附研究

雷志丹 雷 琳 李 龙 张晓青 惠华英 雷志钧▲

1.湖南中医药大学药学院，湖南长沙 410208；2.长沙环保职业技术学院，湖南长沙 410014

壳聚糖对重金属离子C u和P b的吸附研究

雷志丹1雷 琳2李 龙1张晓青1惠华英1雷志钧1▲

1.湖南中医药大学药学院，湖南长沙 410208；2.长沙环保职业技术学院，湖南长沙 410014

目的处理实验室废水中的重金属离子。方法 本文对壳聚糖对模拟废水中的微量重金属离子Cu和Pb的吸附进行了研究，确定了最佳吸附条件。结果 在实验室条件下，Cu2+的最佳pH=9，Pb2+的最佳pH=6，壳聚糖最佳用量均为10 g/L，最佳吸附时间均为20 min，温度均为常温，壳聚糖脱乙酰度均为85%。结论 壳聚糖对水中微量重金属离子有较好的吸附效果，可作为重金属离子的吸附剂用于实验室重金属离子废水的处理。

壳聚糖；重金属离子；吸附；Cu2+；Pb2+

在教学和科研过程中，实验室产生很多的废弃物，在实验废弃物中以废水的排放量最大，实验废水中含有许多化学物质，特别是含多种低浓度的重金属离子，其浓度虽然较小，但危害却不容小视，其极易通过食物链在人体或其他生物体内富集，目前对痕量重金属的去除主要通过离子交换[1]、吸附法[2-4]等方法进行处理。壳聚糖具有无毒、无味、耐碱、耐腐蚀的特点，并以其良好的环境相容性、可再生性、资源丰富、不产生二次污染及价廉易得等优点而受到人们的关注。壳聚糖是甲壳素经脱乙酰化的产物，对许多物质有螯合吸附作用，其分子中的氨基和氨基相邻的羟基与许多金属离子能形成稳定的螯合物，且其特殊的多孔结构，使其具有较大的比表面积，吸附金属离子的容量大[5-6]，因而可将其用于重金属废水的处理。本文探讨了溶液的pH值，吸附时间，壳聚糖的用量，壳聚糖的脱乙酰度以及温度对壳聚糖吸附痕量Cu2+性能的影响。

1 仪器与试药

1.1 仪器与设备

AAnalyst 100型原子吸收分光光度计，THZ-82恒温振荡器，AR140·C电子天平，梅特勒-托利多Delta 320 pH计，80-1型离心沉淀机。

1.2 药品与试剂

壳聚糖（由上海陶和生物科技发展有限公司提供）：脱乙酰 度 为 97%、90%、85%，80%、75%，CuSO4·5H2O（AR），Pb（NO3）2（AR），0.1 mol/L HCl与 0.1 mol/L NaOH 标准溶液。

2 实验与结果

2.1 溶液的配制

取适量 CuSO4·5H2O、Pb（NO3）2配制成 0.005%的溶液。

2.2 实验方法

根据参考文献[7]，取一定量的不同脱乙酰度的壳聚糖加入到含有100 mL的一定浓度和酸度的Cu2+，Pb2+溶液250 mL的碘量瓶中，在一定温度的水浴锅中震荡一定时间，静置后过滤，用原子吸收分光光度法测定其中的Cu2+和Pb2+浓度。

2.2.1 pH值对吸附过程的影响：分别取0.01%25.00 mL的Cu2+，Pb2+溶液加入250 mL的碘量瓶中，加入适量的壳聚糖粉末，用0.1 mol/L NaOH与蒸馏水分别调节溶液pH值为3、4、5、6、7、8、9，溶液总体积调节为 50.00 mL，在 30℃的恒温水浴锅中振荡1 h，静置后过滤，用原子吸收分光光度法测定其中的Cu2+和Pb2+浓度，计算吸附率。

实验结果表明：在强酸性条件下，壳聚糖对金属离子几乎不产生吸附作用，pH值较小时，壳聚糖分子链上 -NH2结合H+，形成 -NH3+，与金属阳离子产生排斥作用，抑制了壳聚糖对金属离子的螯合作用，使吸附率较低，随着pH值的逐渐增加，释放出 -NH2，有利于壳聚糖对金属离子的吸附[8]，不同的金属的最佳吸附pH值是不同的，Cu2+在pH=9时达到最大吸附率，Pb2+在pH=6时达到最大吸附率。pH=10以后，金属离子沉淀严重。见表1。

2.2.2 吸附剂用量对吸附过程的影响：调节Cu2+溶液pH=9，Pb2+溶液 pH=6 时，分别加入 0.2、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 g壳聚糖，按照“2.2”项下方法实验。实验结果表明：随壳聚糖用量的增加，参与吸附的-NH2数量增加，吸附率也相应增加，在该浓度下，Cu2+和Pb2+的壳聚糖最佳用量均为10 g/L。见表2。

表1 不同pH值对吸附率的影响（%）

表2 吸附剂用量对吸附率的影响（%）

2.2.3 吸附时间对吸附过程的影响：调节Cu2+溶液pH=9，Pb2+溶液pH=6时，分别加入2.0g壳聚糖，控制吸附时间为1、5、10、15、20、25 min，按照“2.2”项下方法实验。 实验结果表明：20 min已达到最大吸附，时间继续增加对吸附率没有影响。

表3 吸附剂时间对吸附率的影响（%）

2.2.4 吸附温度对吸附过程的影响：调节Cu2+溶液pH=9，Pb2+溶液pH=6时，分别加入2.0 g壳聚糖，吸附时间为20 min，恒温震荡仪中控制吸附温度分别为 20、25、30、40、50、60℃，按照“2.2”项下方法实验。实验结果表明：随着温度升高，吸附量下降，壳聚糖对重金属离子的吸附为放热反应，确定吸附最佳温度为常温。

表4 吸附温度对吸附率的影响（%）

2.2.5 壳聚糖脱乙酰度对吸附过程的影响：调节Cu2+溶液pH=9，Pb2+溶液 pH=6，吸附时间为 20 min，吸附温度为常温，加入2.0 g脱乙酰度分别为97%、90%、85%，80%、75%的壳聚糖，按照“2.2”项下方法实验。实验结果表明：脱乙酰度为85%时吸附率达到最高。

表5 不同脱乙酰度对吸附率的影响（%）

3 讨论

3.1 pH值是影响壳聚糖对重金属离子的吸附的最重要的因素

pH值会影响壳聚糖上活性位点的功能，pH值增大，壳聚糖对金属离子的吸附率会增大，但超过一定临界pH值，金属离子会沉淀。

3.2 化学吸附的确定

在较低温度下，壳聚糖对重金属离子的吸附能较好地满足Freundlich等温吸附式，根据温度和pH值对壳聚糖对金属离子的吸附作用的影响，可以确定该吸附过程为化学吸附。

3.3 不同金属离子达到吸附平衡所需时间的规律

虽然不同金属离子达到吸附平衡所需时间不同，但笔者在研究过程中发现有一规律存在，即吸附曲线中部均有1个平台区，在平台区吸附量随时间的增加变化不大。吸附过程中开始速率较快，中后期较慢。

3.4 一定脱乙酰度的壳聚糖作为吸附剂与pH值、吸附温度等的相关性

一定脱乙酰度的壳聚糖可作为重金属离子的吸附剂用于实验室重金属离子废水的处理，吸附量随pH值、吸附剂用量、吸附时间、吸附温度、脱乙酰度的不同而变化，且不同种类的金属离子的绝对吸附量不同。

[1]黄君涛，熊帆，谢伟立，等.吸附法处理重金属离子废水研究进展[J].水处理技术，2006，32（2）：9-12

[2]Kraemer SM，Xu J，Raymond K N，et al.Adsorption of Pb （Ⅱ） and Eu（Ⅱ）by Oxide Minerals in the Presence of Natural and Synthetic Hydroxamate Siderophores[J].Environ Sci Technol，2002，36（6）：1287-1291.

[3]崔晓宁，侯伟华，杨晓萍，等.茶叶纤维对Cu2+的吸附性能研究[J].茶叶科学，2010，30（4）：259-262.

[4]郭学益，梁莎，冯宁川，等.化学改性橘子皮对Cu2+吸附性能的研究[OL].http：//www.paper.edu.cn.

[5]丁纯梅.壳聚糖对印染废水吸附性能的研究[J].环境与健康，2008，25（8）：685-690.

[6]韩德艳，蒋霞，谢长生.交联壳聚糖磁性微球的制备及其对金属离子的吸附性能[J].环境化学，2006，25（6）：748-751.

[7]黄建宏.壳聚糖吸附废水中重金属离子初探[J].福建轻纺，2005，（7）：15-17.

[8]陈忻，袁毅桦，陈晓刚，等.壳聚糖对痕量重金属离子铅、铬、镍的吸附研究[J].广东化工，2007，34（5）：11.

Study on adsorption properties of chitosan to heavy metal ions of Cu,Pb

LEI Zhidan1LEI Lin2LI Long1ZHANG Xiaoqing1HUI Huaying1LEI Zhijun1▲
1.Hunan University of Traditional Chinese Medicine,Changsha 410208,China;2.Changsha Environmental Protection College of Hunan Province,Changsha 410014,China

Objective In order to deal with heavy metal ion in the waste water of laboratory.Methods Investigated the adsorption properties of chitosan for heavy metal ions of Pb and Cu.The best condieion of absorbing these two kinds of heavy metal ions had been studied.Results In lab condition,in room temperature chitosan which deacetylation degree was 85%,the best adsorption duration was 20 min,the dosage of chitosan was all 10 g/L,the pH value of liquor was 9,7 in the process of deal with Cu2+and Pb2+.Conclusion The absorbent has a favorable adsorbing effect to heavy metals ion.Chitosan is a material with good exploitation future in deal with heavy metal ion in the waste water of laboratory.

Chitosan;Heavy metal ion;Adsorption;Cu2+;Pb2+

X703

A

1674-4721（2012）05（b）-0025-02

湖南省科技厅科研项目（2010FJ4101）；湖南省长沙市科技局科研项目（K1003069-31）；湖南省教育厅科研项目（11C0949）。

雷志丹（1972-），女，湖南安乡人，在读博士生，主要从事中药新制剂工艺与质量标准的研究。

▲通讯作者

2012-03-09 本文编辑：赵丽萍）