基于纤维素/壳聚糖的磁性材料吸附重金属离子应用研究

李京城

摘 要： 随着工业化和城市化的发展，废水中的重金属离子的污染问题成为环境保护亟待解决的问题。自然界中常见的大分子物质纤维素与壳聚糖用于吸附废水中的重金属离子，具有生物相容性，可降解性，对环境友好的特点，而且对重金属离子具有很强的吸附性。因此，我们研究了这类磁性凝胶材料的应用。

关键词： 纤维素;壳聚糖;磁性;凝胶

1 研究背景

近年来环境污染严重威胁人类健康与可持续发展，其中含有重金属离子的工业生活废水是导致危害最大的污染源之一，因此设计合成高效、经济、无二次污染的材料用于水体系中重金属污染的处理被广泛研究。目前有多种物理和化学方法用于处理水体中的重金属离子，例如化学沉淀法，凝结-聚沉法，氧化法，膜分离法，离子交换法，吸附法等等。在这些处理手段中，吸附法由于其低成本，高效率，环境友好并且具有多种功能试用于不同水体，在众多研究中被认为是一种有效的水体污染处理方式。除重金属污染物的吸附剂有活性炭材料，碳纳米管材料以及近期发展迅速的生物吸附剂。

随着生命科学的迅速发展，对于探索和了解生物体系的多样性和形态的复杂性的要求日益迫切。纤维素是是由葡萄糖组成的大分子多糖，通过将纤维素溶解、改性、交联生成的即为纤维素凝胶。壳聚糖（Chitosan）是甲壳素（Chitin）在碱性条件下水解并脱去部分乙酰基后生成的衍生物，又名壳多糖、氨基多糖、甲壳糖等。[1]通过将壳聚糖溶解、改性、交联生成的即为壳聚糖凝胶。通过自然界中常见的大分子物质纤维素与壳聚糖合成具有吸附重金属能力的磁性复合凝胶材料，用于吸附废水中的重金属离子。[2]

2 纤维素吸附应用

在处理水体系污染的复合材料中，以纤维素、壳聚糖、海藻酸钠为主的多糖类大分子已经被证明是一种高效、低成本的良好吸附剂。纤维素是一种地球上最广泛存在的生物质，文献中已报道具有广泛的重金属吸附性能。与传统吸附剂如活性炭和商品树脂相比，基于纤维素的吸附剂有如下优点。

（1）纤维素从天然的原材料中获取，无需化工原料制备，在自然界中储量丰富。纤维素目前纤维素的最大的来源是植物和海藻，纤维素主要以聚多糖的形式存在于植物的细胞壁和海藻中。

（2）纤维素分子中存在众多的-OH可以与多种重金属离子进行络合，具有很好的吸附性能，吸附范围广，吸附的离子种类多。

（3）纤维素分子对人体无害。纤维素分子可以通过人体血液，即使进入人体也可以通过血液运输，运出体外，所以对人体无害。

3 壳聚糖吸附应用

壳聚糖分子由于含有大量的氨基，因此在酸性或近中性的水体中除去重金属离子具有应用前景，是一种良好的生物吸附材料，在近年来受到广泛的研究。壳聚糖对于重金属良好的吸附性能可以归结于以下几点：

（1）聚葡萄糖单元含有的大量羟基使其具有良好的亲水性;

（2）存在大量的功能基团（乙酰氨基、伯氨基以及羟基）;

（3）功能基团的高化学活性;

（4）聚合物链的可变型的灵活结构。高活性的氨基几乎能与所有的第三主族的过渡金属元素成键，但不能与第一和第二主族的元素成键（碱金属和碱土金属）。

并且由于壳聚糖分子在水溶液中带有正电，具有阳离子行为，质子化的氨基通过离子交换作用吸附金属阴离子。[3]与传统吸附剂如活性炭和商品树脂相比，基于壳聚糖吸附剂有如下优点。

（1）壳聚糖吸附剂是从天然的原材料中获取，而商品树脂多由化工原料制备，多为非清洁工艺生产，是环境友好型吸附剂。可根据实际需要制成不同的形状，如微球、凝胶、膜、囊和纤维等，不同形态的壳聚糖材料具有不同的吸附特性。

（2）壳聚糖吸附剂生产成本低，交联剂多为常用试剂，易于制备。

（3）壳聚糖吸附剂能够适用于较宽金属离子浓度范围，具有较高的吸附速率和吸附容量，以及高选择性和吸附效率。而活性炭与交换树脂通常选择性欠佳，仅适用于低浓度范围下的金属离子吸附。壳聚糖吸附剂的吸附选择性通常高于常规树脂。壳聚糖分子链上具有多种吸附功能基团，因此对染料、芳香化合物和重金属均有良好的吸附性，并且通过接枝或改性引入新的功能基团，可进一步提高吸附容量和吸附的选择性。

（4）壳聚糖吸附剂具有较好的亲水性，可在水中快速溶胀，从而能够快速吸附金属离子。合成树脂一般亲水性较差，必须经改性或溶剂活化处理。活性炭对亲水性物质的吸附性能往往较差。

4 总结

吸附劑的成本是影响吸附剂使用的一个重要因素，改性壳聚糖纤维素应用于重金属废水处理的同时应注重吸附剂性能的恢复，选择适宜的解吸方法可以有效提高吸附剂的重复使用次数。与传统的生物吸附剂相比，磁性材料复合的生物吸附剂能在外加磁场作用下，用简易的手段将吸附剂与水体分离，回收吸附剂并尝试重复利用，从而不产生二次污染并可循环使用，其低成本、原料来源广泛、效率高且具有良好生物相容性，因此在水处理，食品，医药中都有着灵活的应用方式，并有工业化生产的潜力。[4]

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]黄丽莎，李加新，周宁怀，等.壳聚糖在废水处理中的应用.环境污染与防治，2001，23（5）：245.

[3]李杰，马凤国，谭惠民.羧甲基纤维素接枝聚磺甲基化丙烯酰胺的制备及其吸附性能的研究[J].化工进展，2004，23（5）：532-535.

[4]李倩.新型阳离子聚合物/膨润土复合吸附材料的制备、表征及其吸附性能研究[D].山东大学，2008.