黄原胶的改性及其在水处理中的应用

金小琳

(沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110168)

黄原胶(XG)是一种由革兰氏阴性菌野油菜黄单胞杆菌生产的微生物胞外多糖，具有阴离子结构[1]。黄原胶理化性能优异，具有良好的水溶性、稳定性、生物相容性，独特的流变性，优异的乳化性和悬浮性[2]。并且黄原胶来源于自然界，在2d内可完全生物降解，无污染可持续。因此黄原胶可作为增稠剂、悬浮剂、乳化剂、稳定剂等，广泛应用于食品包装、水处理、生物医学、农业等多个领域。

然而，由于黄原胶表面积小、机械性能差、溶解速度慢[3]等限制，使其在特定环境中的应用受到了阻碍。同时，黄原胶在主、侧链上有大量的活性官能团，如羟基、羧基等，可以通过多种改性方式，如物理改性、化学改性、疏水改性、水凝胶的合成、接枝共聚等对其进行修饰或功能化，以增强其理化性质，从而使其能够满足不同应用的需要[4]。大量实验与数据显示，改性后的黄原胶对饮用水、废水等有很好的处理效果，且能降低处理成本，减轻对环境的压力，实现绿色可持续的发展要求。

1 黄原胶的改性

1.1 物理改性

有许多不同的物理方法用于改变黄原胶的性质，如热处理、高压处理、辐射和超声法等。其中，热处理是一种重要的方法，随着周围温度的升高，黄原胶分子间的相互作用逐渐减弱，形成无序结构[5]。Yoshida等[6]表示黄原胶水溶液在溶胶态充分退火后形成凝胶态是因为溶液的均质化，即黄原胶分子通过退火解吸非冻结水而脱离其分子组合。此外，超声改性方法也是一种有效、快速、绿色、节能的物理改性方法。Li等[7]将天然黄原胶和无丙酮酸黄原胶共混物超声30min，并通过粘度测定法评估其分子量降解情况。

1.2 化学改性

黄原胶具有羟基(-OH)和羧酸(-COO-)活性官能团，这些活性官能团是对黄原胶进行化学改性以改善其理化性质和流变性能的重要基础和良好选择。

乙酰化和羧甲基化是常见的化学改性黄原胶的方法，乙酰化过程将乙酰基转移到氨基酸侧链基团上，羧甲基黄原胶一般由黄原胶与氯乙酸进行醚化反应得到[8]。如，Bhatia等[9]以巯基丙酸和巯基乙酸为酯化剂，对黄原胶多糖进行了巯基衍生化反应进行改性，溶液与硫代黄原胶之间形成二硫键，提高了黄原胶的粘接性能。

1.3 疏水改性

黄原胶的疏水改性也受到了各个方面的高度关注。黄原胶可以通过与水溶性多糖进行醚化、酯化、和酰胺化[10]等不同的化学反应，使其具有两亲性。如，Sara等[11]利用Williamson合成技术，在乙醇和二甲基亚砜2种不同的反应介质中，使辛基氯化物与黄原胶的羟基发生醚化反应，将辛基链接枝到黄原胶主链上，从而开发出具有两亲性的黄原胶疏水改性衍生物。表征结果表明，改性后黄原胶的形貌和结晶度发生了一定的变化，在乙醇中制备的黄原胶衍生物比在二甲基亚砜中制备的黄原胶衍生物具有更高的取代度和分子量，但具有较高的乳液稳定能力。

1.4 水凝胶改性

水凝胶被认为是亲水的三维聚合物网络，沿聚合物链含有各种亲水基团，因此其可以溶胀并在其结构中保留大量的水而不会溶解。水凝胶具有极好的特性，包括可逆性、灭菌性和生物相容性[12]。同时，黄原胶作为具有良好理化性质、可持续发展的绿色材料，人们将黄原胶与其他聚合物形成水凝胶。刘宛宜等[13]以丙烯酸、丙烯酰胺为单体，在过硫酸盐引发下制备聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)水凝胶以吸附水中染料亚甲基蓝和孔雀石绿。

1.5 接枝共聚

接枝共聚可以通过共价键接在黄原胶链上形成各种官能团，接枝率(GY%)和接枝效率(GE%)是评价接枝过程的主要参数，受多种因素的影响[14]。黄原胶接枝共聚物的方法包括乙烯基在黄原胶上的接枝和导电聚合物在黄原胶上的接枝。其中，可以通过微波辐照辅助的嫁接方法使时间消耗、成本效益和环境方面友好高效。Pandey[15]研究了在水介质中过硫酸铵(APS)在微波条件引发下，将苯胺(ANi)接枝到黄原胶(XG)上，合成复合材料mwXG-g-PANi，可作为NH3的化学传感器，具有良好的重现性、稳定性和灵敏度。

2 黄原胶在水处理中的应用

天然来源的材料由于其丰富度高、成本效益高、可生物降解性和可持续性，近年来已被广泛应用于人类生活的几乎所有领域。其中，黄原胶由于其加工简单和批量可重复性，在市场上占有重要的份额，在水处理中也发挥着重要的作用。

2.1 重金属的去除

在危害人类健康的物质中，有毒重金属由于致癌性以及缺乏可降解性而受到特别关注。人们提出多种方法来处理有毒重金属废水，吸附法因操作简单、对有毒物质不敏感、效率高、成本低而受到青睐。在这种情况下，殷晓春等[16]通过氧化还原聚合反应，分别以黄原胶、丙烯酸、羟基磷灰作为接枝骨架、单体、无机组分制备了高分子改性黄原胶/羟基磷灰石复合水凝胶，将XG-g-PAA/HAP作为吸附剂吸附水中重金属，可在30min内去除90%以上的重金属离子。Pandey等[17]使用自由基引发聚合法，以过氧化二硫酸钾(KPS)作为引发剂将丙烯酸乙酯(EA)嫁接到黄原胶(XG)上，制备XG-g-PEA，以去除水中的锌离子(Zn2+)。

2.2 染料的去除

除了有毒重金属的去除，改性黄原胶还可以从水溶液中吸附染料。水凝胶由于表面积大、机械强度高，也表现出较好的吸附性。因此，Zheng等[18]为了提高黄原胶的热稳定性和吸附性能，以PPS为引发剂采用丙烯酰胺对黄原胶进行改性合成了水凝胶XG-g-pam，以吸附水中的结晶紫(CV)染料。表征结果表明黄原胶水凝胶具有较好的热稳定性和较好的多孔结构。Njuguna等[19]以黄原胶和马来酸酐为原料交联反应合成了阴离子型聚黄原胶水凝胶，并将其作为废水中染料的有效吸附剂。结果表示，黄原胶基水凝胶对阳离子染料有显著的选择性，且该水凝胶在再生后可重复使用至少20次，染料去除效率和回收率保持在95%以上。

3 结论与展望

黄原胶因其优异的流变特性、生物相容性、无毒性、生物降解性等被作为关注的研究对象，广泛应用于多个领域。并且可以利用其丰富的表面官能团对其进行改性，以解决工业黄原胶存在的表面积低、溶解速度慢、机械性能差等问题。本文综述了物理改性、化学改性、疏水改性、水凝胶改性，以及接枝共聚几种常见的黄原胶改性方法，并综述了近年来改性黄原胶在水处理方面的应用，改性的黄原胶材料可作为良好的吸附剂应用于去除污染水体中的各种重金属离子和有毒染料。

通过多种改性来提高黄原胶的性能，从而将其投入特定应用的研究仍在进行中。黄原胶具有巨大的发展潜力，也将在未来进一步的用于各种领域。然而，如何将改性后的黄原胶材料高效地投入实际生产应用中仍是需要解决的问题。