磁性壳聚糖材料对重金属离子的吸附作用

韩梅，韩艳爽，孙鸣谦，贺龙亭，贺景轩，毕韶丹

磁性壳聚糖材料对重金属离子的吸附作用

韩梅，韩艳爽，孙鸣谦，贺龙亭，贺景轩，毕韶丹

（沈阳理工大学 环境与化学工程学院，辽宁 沈阳 110159）

磁性壳聚糖材料是一种新兴的水处理吸附剂，对多种重金属离子都有优良的吸附效果，加上可磁性回收的特点，其受到了广泛关注。综述了磁性壳聚糖材料对铜、铅、铬、汞、镍等不同重金属离子的吸附规律，并对磁性壳聚糖材料的研究趋势进行了展望。

磁性壳聚糖；吸附；重金属离子

随着我国工业的迅速发展，重金属污染日益严重，其主要来源于金属冶炼、化工生产等。重金属离子具有毒性大、残留时间长、不易被生物降解等特点，对动植物和人体健康有很大的危害。

重金属处理通常有化学沉淀法、离子交换法、吸附法[1]、膜分离法、生物法等，其中吸附法由于操作简单、成本低、治理效果好等优点被广泛应用。本文综述了磁性壳聚糖微球的概况及其对重金属处理的研究现状，并对其发展进行了展望。

1 磁性壳聚糖材料的概述

壳聚糖是一种天然的碱性多糖，主要存在于虾蟹等动物的甲壳中，在自然界中来源广泛。壳聚糖分子中含有大量的氨基和羟基等配位基团，对很多重金属离子有良好的吸附作用，是一种生物相容、无毒害、可降解的吸附材料。但壳聚糖在酸性介质中易溶解，稳定性差，难于从吸附基质中分离，极大地限制了其在各个领域的应用[2]。

磁性壳聚糖材料是将壳聚糖与磁性微粒相容后，通过交联等反应制得的一种微米级甚至纳米级的吸附剂。磁性壳聚糖材料吸附污染物后，在磁场的作用下进行回收，经解吸处理，可重复利用。制备磁性壳聚糖材料的主要方法有交联法、共沉淀法、喷雾干燥法、微凝胶模板法等。壳聚糖复合磁性物质后，不仅增加了吸附剂的分离功能，还提高了机械强度和耐酸性，扩大了吸附剂的应用范围。

2 对重金属离子的吸附作用

磁性壳聚糖材料可用于吸附去除水中的多种重金属离子，主要通过鳌合作用、静电吸附、物理吸附等作用实现去除的目的。

2.1 对铜离子的吸附

崔京京[3]等制备了磁性壳聚糖微球，研究了其对铜离子的吸附性能。结果表明，该吸附剂具有优异的吸附能力，在25 ℃、pH=6时，对250 mg·L-1的铜溶液吸附6 h可达饱和状态。吸附符合准二级动力学模型和Langmuir模型，理论最大吸附量可达到256.62 mg·g-1，吸附剂回收再利用5次后，吸附量变化不大。傅明连[4]等以Fe3O4为磁核制备了磁性壳聚糖微球。结果表明，该微球在30 ℃、pH为5.0时，对50 mL 300 mg·L-1的铜溶液吸附24 h ，吸附量可达32.89 mg·g-1。吸附遵循 Langmuir 等温吸附模型和拟二级吸附动力学方程。

2.2 对铅离子的吸附

常会[5]等通过共沉淀法制备出磁性壳聚糖/氧化石墨烯吸附材料，用于吸附水体中的Pb（Ⅱ）。结果表明，室温下Pb（Ⅱ）的质量浓度为50 mg·L-1、pH为5时，吸附90 min吸附量达60.99 mg·g-1，吸附符合拟二级动力学模型和Langmuir等温模型，在外加磁场下，吸附剂具有较好的磁分离性能。吸附材料循环再生使用6次后，吸附量仅下降16.72%，具有优异的循环再生性能。FAN[6]等制备了磁性壳聚糖纳米粒子，该吸附剂的饱和磁化强度为 33.5 emu·g-1，有很好的吸附能力和较快的吸附速率。对Pb（II）的最大吸附容量为79.24 mg·g-1，经5次循环使用显示出极好的可重复利用性。

2.3 对铬离子的吸附

焦林宏[7]等制备了磁性壳聚糖吸附材料用于吸附铬离子。结果表明，该吸附剂在323 K、pH=3时，对初始质量浓度30 mg·L-1的铬（Ⅵ）溶液吸附 80 min，去除率可达 95%以上，吸附遵循准二级动力学模型。冯辉霞[8]等制得复合磁性壳聚糖材料。研究表明，在15 ℃、pH为3.0时，吸附剂对铬（Ⅵ）离子吸附6 h吸附量为47.8 mg·g-1，吸附过程符合Langmuir等温模型和准二级动力学模型，吸附为放热反应。吸附剂重复使用4次后，吸附量可达原来的79.1%。

2.4 对汞离子的吸附

张显[9]等合成了磁性壳聚糖微球，考察了其对Hg2+的吸附性能。结果表明，该磁性吸附剂对Hg2+的饱和吸附量为0.83 mmol·g-1，10 min内即可达到吸附平衡，可通过外加磁场对吸附剂进行分离，该吸附剂具有良好的循环利用能力。饶琛[10]制备了磁性壳聚糖微球MCTS-g-AT，研究表明，该吸附剂对Hg（Ⅱ）的饱和吸附量为228.2 mg·g-1，吸附过程符合准二级动力学模型和Langmuir模型，吸附是自发的吸热反应。

2.5 对其他重金属离子的吸附

商娟[11]等制备了磁性壳聚糖吸附剂用于吸附Cd（Ⅱ）。结果表明，当pH为7.0时，对50 mL质量浓度为50.0 mg·L-1的Cd（Ⅱ）溶液吸附12 h，吸附量为42.58 mg·g-1。吸附过程符合准二级动力学模型，吸附材料再生循环使用5次后，去除率仍在80%以上，其再生性能较好。韩小茜[12]等用制备的壳聚糖磁性微球吸附Ni2+。结果表明，pH =5.0时，对 0.1 mmol·L-1Ni2+吸附60 min，平衡吸附量为 4.725 mg·g-1。所测等温吸附数据既符合Langmuir 模型，也符合Freundlich 模型。

3 结束语

目前，磁性壳聚糖材料处理重金属离子已经进行了许多研究，但多数还局限于实验室规模，还有很多需要深入研究的领域。

1）磁性壳聚糖微球的制备过程中，还常用到一些有毒有害的化合物，今后应注重环保型吸附材料的研制。

2）目前，多数学者研究对一种重金属离子的吸附性能，应加强对水体中多种重金属的吸附研究，以及对实际废水的吸附研究。

3）大多数磁性壳聚糖材料缺乏选择功能，解吸后的混合物难以得到有效利用。开发具有选择性的吸附剂，方便富集、分离和回收水体中的重金属离子。

[1] 李海芹，王静.重金属废水污染及其处理方法研究[J].中国资源综合利用，2017，35（12）：51-52.

[2] CHAUHAN D S, SRIVASTAVA V,JOSHI P G, et al. PEG cross-linked chitosan: a biomacromolecule as corrosion inhibitor for sugar industry[J]., 2018,9:363-377.

[3] 崔京京. 磁性壳聚糖改性及其对铜离子吸附性能的研究[D].长沙：湖南大学，2016.

[4] 傅明连，高果，韩煜，等.磁性交联壳聚糖微球对Cu2+的吸附性能研究[J].化学研究与应用，2020，32（4）：664-670.

[5] 常会，范文娟，曾成华，等.磁性壳聚糖/氧化石墨烯吸附材料的制备及其对Pb(Ⅱ)的吸附[J].冶金分析，2018，38（11）：34-42．

[6] FAN H L, ZHOU S F, JIAO W Z.Removal of heavy metal ions by magnetic chitosan nanoparticles prepared continuously via high-gravity reactive precipitation method [J].,2017,147：1192-1200.

[7] 焦林宏，王江北，陈宣汉，等.磁性壳聚糖/膨润土的制备及其对铬(Ⅵ)的吸附研究[J].辽宁化工，2019，48（6）：507-509．

[8] 冯辉霞，杨洋，李全珍，等.硅藻土复合磁性壳聚糖对铬(Ⅵ)离子吸附性能[J].精细化工，2018，35（4）：668-675．

[9] 张显，吴天星，宋小平，等.一步溶剂热法合成磁性壳聚糖微球及其对汞离子的吸附[J].硅酸盐学报，2015，43（8）：1143-1149.

[10] 饶琛. 磁性壳聚糖微球的制备和改性及其在食品重金属汞检测中的应用[D].杭州：浙江工商大学，2013.

[11] 商娟，赵军.壳聚糖改性对磁性Fe3O4吸附去除Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的影响研究[J].环境污染与防治，2017，39（7）：746-751.

[12] 韩小茜，刘文华，李臻，等.功能化壳聚糖磁性微球的制备及其对Cr3+、Ni2+的吸附[J].现代化工，2017，37（4）：63-66.

Adsorption of Heavy Metal Ions by Magnetic Chitosan Materials

,,,,

（Shenyang Ligong University, Shenyang Liaoning 110159, China）

Magnetic chitosan material is a new kind of water treatment adsorbent, which has excellent adsorption effect on a variety of heavy metal ions, coupled with the characteristics of magnetic recovery, it has attracted wide attention. In this article, the adsorption law of magnetic chitosan materials to different heavy metal ions,such as copper, lead, chromium, mercury and nickel,were reviewed, and the research trends of magnetic chitosan materials was prospected.

Magnetic chitosan; Adsorption; Heavy metal ions

辽宁省大学生创新创业训练计划项目支持（项目编号：201910144004）。

2020-08-26

韩梅（1998-），女，辽宁省辽阳市人。

毕韶丹（1968-），女，副教授，研究方向：天然高分子材料。

TQ050.4+25

A

1004-0935（2021）01-0036-02