SA/CTS复合吸附微球制备工艺的响应面优化研究

喻珍林， 李 晓， 罗锡恒， 张卫英， 叶卓亮

(福州大学石油化工学院， 福建 福州 350116)

0 引言

海藻酸钠(SA)是一种存在于褐藻中的阴离子多糖， 溶于水可形成带负电荷的羧基， 壳聚糖(CTS)系甲壳素脱乙酰而来， 溶于稀的醋酸溶液可形成带正电荷的氨基， 因此CTS和SA可通过正负电荷作用形成复合凝胶材料[1-2]. SA/CTS复合凝胶材料带有-OH、 -COOH、 -NH2等活泼官能团， 易与许多物质发生化学或物理作用， 且易降解、 无毒、 价格低廉， 所以在生物医药、 环境治理等领域得到广泛应用[3-6].

SA/CTS复合凝胶材料的制备方法大致可以分为两种， 一种是将壳聚糖乙酸溶液和海藻酸钠的盐水溶液直接混合进而交联形成凝胶[7]， 另一种是先制备SA微球(或CTS微球)， 再将微球转移至CTS溶液(或SA溶液)中复合制得[8]. 以SA/CTS复合凝胶材料作为药物载体的研究较多[3-4,9-10]， 作为吸附材料的报导较少[6,11-12]， 而且CTS和SA在水中使用存在易溶胀流失的问题. 因此本文采用成球-复合-交联的方法， 先引入钙离子使SA形成蛋盒结构[13]， 再将CTS与SA复合， 最后再施以后交联， 制备稳定的SA/CTS复合凝胶微球， 并将其用于吸附水中的铅离子.

本文在制备SA/CTS复合吸附微球的基础上， 采用响应面优化实验方法， 以Box-Behnken中心组合原理设计实验， 探究合适的微球制备工艺条件， 制备稳定性良好、 吸附量较高的SA/CTS复合吸附微球.

1 实验部分

1.1 主要原料与仪器

壳聚糖(CTS， BR)由国药集团化学试剂有限公司提供； 海藻酸钠(SA， CP)由国药集团化学试剂有限公司提供； 氯化钙(CaCl2， AR)由中国上海试剂总厂提供； 戊二醛 (GA， AR)由天津市福晨化学试剂厂提供； 原子吸收分光光度计(A3AFG-12)购自北京普析通用仪器有限责任公司； 傅立叶变换红外光谱仪(Spectrum-2000)购自美国Perkin-Elmer公司； 连续变倍体视光学显微镜(ZSA302)购自重庆光电仪器有限公司； 扫描电镜(HIROX SH-4000M)购自科士达中国.

1.2 SA/CTS复合吸附微球的制备

采用成球-复合-交联的合成方法， 先将SA溶液滴注到CaCl2溶液中得到海藻酸钙微球， 用去离子水洗去海藻酸钙微球表面的Cl-， 过滤后转移至CTS溶液中， 通过静电吸附作用进行复合， 然后再用GA交联. 以对Pb2+吸附量和在水中溶胀度作为指标， 来研究SA/CTS复合吸附微球的吸附性能和溶胀性能.

1.3 响应面实验设计

表1 响应面实验设计因素和水平表

以SA/CTS复合吸附微球对Pb2+吸附量和在水中溶胀度为响应值， 选择SA质量分数(A)、 CaCl2质量分数(B)、 CTS质量分数(C)为工艺参数， 运用Design-Expert8.05b响应面软件， 采用Box-Behnken中心组合原理设计实验， 进行3因素3水平的响应面优化实验， 建立响应值与因素间的预测模型以确定最佳制备工艺条件. 响应面实验设计因素与水平见表1.

1.4 性能测试

1.4.1 Pb2+吸附量的测定

称取约0.05 g干燥的复合吸附微球， 将微球加入到装有50 mL Pb2+溶液的锥形瓶中， 置于80 r·min-1空气恒温振荡器上， 恒温25 ℃， 振荡吸附24 h后取样稀释100倍， 利用原子吸收分光光度计测定其吸附后溶液中的Pb2+浓度， 计算平衡吸附量Qe(mg·g-1).

Qe=[V(C0-Ce)]/1 000m

(1)

式中：Qe为静态平衡吸附量(mg·g-1)；C0为吸附液的初始浓度(μg·mL-1)；Ce为吸附平衡时吸附液的浓度(μg·mL-1)；V为吸附液的体积(mL)；m为吸附剂的质量(g).

1.4.2 溶胀度的测定

准确称取约0.5 g的干态复合吸附微球， 置于50 mL的去离子水中溶胀24 h后， 抽滤并用滤纸吸去微球表面的水分， 称量， 计算溶胀度S(%).w0和w分别为微球溶胀前后的质量(g).

S(%)=[(w-w0)/w0]×100

(2)

2 结果与讨论

2.1 响应面实验设计与结果

对于作为重金属吸附材料的SA/CTS复合吸附微球， 必须充分利用复合微球上的功能基团使之与Pb2+有效结合， 提高复合微球对水环境中铅离子的吸附量， 同时要求复合微球具有良好的稳定性， 保证可多次再生重复利用. 因此， 本实验以Pb2+吸附量Q( mg·g-1)来评价复合微球吸附铅离子的能力， 其值越大越好； 用溶胀度S(%)来评价其稳定性， 其值越小越好. 响应面实验设计及结果如表2所示.

表2 响应面实验设计及结果

利用Design-Expert8.05b响应面软件对表2实验数据(吸附量Q)进行二元回归拟合， 得到SA/CTS复合吸附微球铅离子吸附量(Q)的预测方程：

Q=30.78+2.89×A-0.41×B+2.40×C-0.59×A×B-1.39×A×C-0.55×B×C-1.93×A2-0.20×B2-1.62×C2

回归模型的方差分析如表3所示. 由表3可看出， 模型的F值是11.22，P<0.005， 意味着模型是显著的， 相关系数R2为0.935 1， 说明模型的拟合效果较好， 因此二次模型成立. 从回归方程的F值和P值可看出， 一次项A、C对实验结果影响极显著(P<0.01)， 二次项A2、C2对实验结果影响显著(P<0.05)， 交互项AB、AC、BC对实验结果影响不显著(P>0.05)， 说明各因素与铅离子吸附量之间不是简单的线性关系， 影响产物吸附量的主次因素为： SA质量分数 > CTS质量分数 > 氯化钙质量分数.

表3 响应值(吸附量Q)的二次回归模型方差分析

利用Design-Expert8.05b响应面软件对表2实验数据(溶胀度S)进行二元回归拟合， 得到产物溶胀度(S)的预测方程：

S=91.91+9.81×A-0.92×B+32.09×C-3.03×A×B-6.88×A×C+3.43×B×C+1.46×A2+19.06×B2+33.97×C2

回归模型的方差分析如表4所示. 由表4可看出， 模型的F值是14.66，P=0.000 9， 意味着模型是显著的， 相关系数R2为0.949 6， 说明模型的拟合效果较好， 因此二次模型成立. 从回归方程的F值和P值可看出， 一次项C(CTS质量分数)， 二次项B2、C2对实验结果影响极显著(P<0.01)， 一次项A(SA质量分数)对实验结果影响显著(P<0.05)， 交互项AB、AC、BC对实验结果影响不显著(P>0.05)， 说明各因素与微球在水中溶胀度之间不是简单的线性关系， 影响产物吸附量的主次因素为： CTS质量分数 > SA质量分数 > 氯化钙质量分数.

综上所述， 利用响应面法建立的回归模型拟合度高， 可较好地描述各因素与响应值之间的关系.

表4 响应值(溶胀度S)的二次回归模型方差分析

2.2 响应面分析

根据表3和表4作出的响应面分析图如图1、 图2所示. 从图1(a)可知， 响应面为开口向下的凸形曲面， SA质量分数和CTS质量分数之间的交互作用明显， 固定氯化钙质量分数， 改变SA质量分数和CTS质量分数能够确定一组最佳的SA质量分数和CTS质量分数. 同理从图1(b)中可得出一组最佳的CTS质量分数和氯化钙质量分数， 且CTS质量分数对吸附量的影响比氯化钙质量分数显著. 由图1(c)可得出一组最佳的SA质量分数和氯化钙质量分数， 且SA质量分数的影响明显大于氯化钙质量分数.

图1 不同因素交互影响吸附量的响应面曲线图Fig.1 Response surface of interactions of different factors on adsorption capacity (Q)

由图2(a)可看出， 响应面为开口向下的凸形曲面， 能够确定一组最佳的SA质量分数和氯化钙质量分数， 并可看出SA质量分数的影响略强于氯化钙质量分数. 同理， 由图2(b)可得出一组最佳的SA质量分数和CTS质量分数， 此时CTS质量分数的影响明显大于SA质量分数； 由图2(c)可得出一组最佳的CTS质量分数和氯化钙质量分数， CTS质量分数的影响同样明显大于氯化钙质量分数.

图2 不同因素交互影响溶胀度的响应面曲线图Fig.2 Response surface of interactions of different factors on swelling degree

2.3 合成工艺参数的结果验证

综合吸附量和溶胀度这两个评价指标以及交互作用的影响趋势， 利用Design-Expert8.0b软件， 结合二次回归分析， 得出最佳合成工艺参数为： SA质量分数2.68%， CTS质量分数0.94%， 氯化钙质量分数为1.43%， 此时吸附量的预测值为31.48 mg·g-1， 水中溶胀度的预测值为93.7%. 为了验证响应面法的可靠性， 在最佳合成工艺条件下平行实验三次， 测得吸附量为30.09 mg·g-1， 水中溶胀度为97.5%， 与预测值基本一致， 说明该方程拟合程度较好， 能够反映实际情况， 可用于对实验结果进行预测.

2.4 复合吸附微球形貌

在水中溶胀后的SA/CTS复合吸附微球的体视光学显微镜观察结果如图3中(a)(b)所示， 可明显看出复合微球为水凝胶状态， 具有一定的含水量， 表面光滑， 大小均匀. 干态复合吸附微球的扫描电镜形貌观测结果见图3中的(c)(d)， 可看出复合微球的表面存在不同程度的褶皱.

图3 SA/CTS复合吸附微球的表观形貌Fig.3 SA/CTS complex adsorbent spheres images

2.5 傅里叶红外测试

图4 红外光谱图 Fig.4 FTIR spectra

对SA/CTS复合吸附微球进行红外测试， 其谱图如图4所示. 从图4可以看出， SA/CTS复合微球的红外谱图与SA较为相似， 说明复合微球的主要成分为海藻酸盐. 谱图中在波数947.08 cm-1处存在一个峰， 该峰为羧酸二聚物的特征吸收峰， 说明复合微球中的-COO-在复合过程中参与了静电反应. 而对于CTS， -OH及-C-H的伸缩振动峰分别为3 440.32 cm-1及2 875.59 cm-1， 当CTS与SA复合后， 两个特征吸收峰峰位移至3 445.22 cm-1及2 925.29 cm-1， 1 656.76 cm-1和1 590.66 cm-1为壳聚糖中由于脱乙酰化不完全而存在的酰胺基的特征吸收峰. 从红外谱图可得出， SA/CTS复合吸附微球成分中海藻酸盐占主体部分， SA和CTS两种材料通过离子间的作用复合到一起.

3 结语

以SA和CTS为主要材料， 通过成球-复合-交联的合成方法制备稳定的SA/CTS复合吸附微球， 采用响应面优化实验考察SA/CTS复合吸附微球的制备工艺条件， 分别针对铅离子吸附量和水中溶胀度建立二次回归方程， 通过方差分析和响应面分析确定主次因素， 得出最佳制备工艺参数， 即SA质量分数2.68%、 CTS质量分数0.94%、 氯化钙质量分数为1.43%， 此时吸附量的预测值为31.48 mg·g-1， 水中溶胀度的预测值为93.7%， 与实测值基本一致， 说明回归方程能够反映并预测实际情况. 最后对制备的复合吸附微球进行FTIR和形貌表征.

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