壳聚糖仿生合成纳米复合材料及其生态环境修复性能的研究

崔海波，常永芳

(1.石家庄职业技术学院，河北 石家庄 050081；2.石家庄学院，河北 石家庄 050035)

壳聚糖特殊的化学结构,使其具有许多优良的物质功能被广泛地应用到人们日常生活中的各个领域。以下是我在壳聚糖仿生合成纳米复合材料及其生态环境修复性能的研究的一些成果。

1 壳聚糖膜系列仿生复合材料产品

1.1 壳聚糖反渗透膜

反渗透膜具有较高的通量和选择性，尤其是对二价金属盐的脱效果更佳。李秀等制备了壳聚糖的均质膜，并用2,4-甲苯二异氰酸酯与之联后用作反渗透膜。研究结果表明:随着壳聚糖脱乙酰度的增大，膜的脱击提高，而水的通量下降。交联膜不溶于酸和碱,其脱盐率高于均质膜，想情况下，其脱盐率可达98.7%壳聚糖反渗透膜对碱土金属盐的脱除能力高于对碱金属的脱除能力，而且壳聚糖膜能耐强碱，交联后具有耐酸性，不易繁衍微生物,因此较醋酸纤维素膜和聚酰胺膜等而言，它是更优越的硬水软化的反渗透膜。壳聚糖反渗透膜的研究报道目前还比较少。

1.2 壳聚糖超滤膜

由壳聚糖制备的超滤膜，对尿素、尿酸、葡鹤精等显示出良好的渗透性能，但膜强度较差。N-酰基壳聚糖冯冰凌等以戊二醛、TRC为添加剂，在一定浓度和温度的沉淀浴中进行凝胶处理，制备出具有一定强度和抗水溶胀性好的壳聚糖超滤膜。

2 壳聚糖膜系列仿生复合材料在是食品废水处理方面的应用

壳聚糖是自然界唯一一种带正电荷的高分子聚合物，无毒无味，可生物降不会造成二次污染，是一种优良的絮凝剂。目前,其作为絮凝剂已在食C业中获得应用。其作为絮凝剂主要有2种用途:一是作为加工助剂，固液分离，从浓缩的液体产品中除去悬浮的固体微粒,增加透明度,提高产品质量;或者从溶液中分离出悬浮的固体产品的微粒,提高固体产品率。二是作为絮凝剂处理食品加工厂的废水,回收蛋白质作为动物饲料减少污染。壳聚糖因其天然、无毒、安全性，除可进行废水处理外，还可用于饮用净化。

3 壳聚糖磁性复合材料在水处理中应用的进展

3.1 壳聚糖磁性复合材料在处理含重金属废水方面的应用

将壳聚糖与磁性颗粒进行复合后，在处理重金属污水时有广泛的用途。YANG Wei-chun等人用简单一步法合成磁性壳聚糖并将其用于Cr6+的吸附，随着壳聚糖质子化度的提高，Cr6+吸附容量也从10.771mg/g增加到21.040mg/g，最佳吸附pH范围为3～5[6]。胡曼等人研究Fe3O4复合改性壳聚糖对Pb2+吸附性能的影响，结果表明，该磁性壳聚糖微粒对Pb2+离子的吸附性能得到很大的提高，当吸附时间为80min，溶液pH值为4.5，温度为25℃时，废水中Pb2+去除率可达99%以上[7]。

3.2 壳聚糖磁性颗粒在水处理中的作用机理

首先，根据壳聚糖磁性颗粒本身的结构特点，多孔以及大的比表面积等，这就使得其在污水净化上有较佳的吸附效果；再者，由于壳聚糖表面带有大量的氨基和羟基等官能团，这些活性基团可以对多种重金属离子产生选择性的螯合吸附作用，结合氨基螯合树脂的特性可知，壳聚糖磁性材料对Au3+、Cu2+、Ni2+、Zn2+、Mn2+和Hg2+有较好的选择性螯合吸附作用；并且，当壳聚糖上的氨基通过质子化而带正电荷时，其可以吸附带负电荷物质，如磷酸根离子。

其次，也有研究表明，弱碱离子交换树脂的原则也可应用于壳聚糖的吸附作用，当壳聚糖的氨基在强酸溶液中先被质子化，并且在反应溶液中负离子浓度较高时，金属离子便可以与氨基部位进行螯合作用而被吸附。所以，氨基等活性基团对壳聚糖吸附作用具有重要的影响。目前国内外学者通常会对壳聚糖进行交联、接枝等某种的改性，增加氨基的数量，从而使得吸附剂对重金属离子和磷的吸附容量得到扩大。

最后，在进行水体净化的实际操作中，溶液pH值、反应时间、磁性壳聚糖用量与废水初始浓度比等都具有重要的影响作用。其中pH值是最重要的影响因素，一般而言对水中重金属离子或磷吸附的最佳pH值都小于7，过低或过高的pH值都对壳聚糖的吸附性能产生不利影响。

4 结语

目前关于壳聚糖及改性壳聚糖的研究很多，尤其是磁性壳聚糖复合材料的研究，已达到比较深入的阶段。然而壳聚糖磁性复合材料的应用目前主要还是针对污水中重金属离子的去除，对于去除水中磷的研究和应用还比较少，加之关于其去除重金属与磷的作用机理的研究也不够。故壳聚糖磁性复合材料在水处理中的研究应用还可以从以下几个方面进一步展开工作。(1)考虑将用于去除重金属离子的壳聚糖磁性材料通过某种改性，比如质子化处理，使其同时可去除污水中的磷，制备出能多功能去除水中污染物的壳聚糖磁性复合材料。(2)研究壳聚糖磁性材料去除重金属和磷的作用机理，考察其质子化处理的pH值、吸附时间、温度、污水浓度、壳聚糖与磁性颗粒的质量比及均匀度等因素的影响，探讨出最佳的因素组合。(3)在保证壳聚糖磁性复合材料功能基团含量的条件下，降低微球大小而提高吸附性能。(4)探索新的复合材料制备工艺，增加其饱和磁感应强度及磁稳定性能，以提高其分子回收性能，为其规模化应用的实现提供技术支持。

参考文献：

[1] 姚瑞华，孟范平，张龙军，等.改性壳聚糖对重金属离子的吸附研究和应用进展[J].材料导报，2008，22(4)：65-70.

[2] 杜雪岩，路翠萍，马应霞，等.磁性微/纳米材料处理水溶液中金属离子研究进展[J].材料导报，2013，27(23)：66-70.

[3] 罗道成，易平贵，刘俊峰，等.改性壳聚糖对电镀废水中重金属离子的吸附[J].材料保护，2002，35(1)：11-12.