082.磁性壳聚糖微球在水处理中应用的研究进展

磁性壳聚糖微球在水处理中应用的研究进展

孙晓航崔丽梁吉艳王新

（沈阳工业大学理学院，沈阳，辽宁）

摘要：磁性壳聚糖微球具有经济、环保、易回收等特点，在水处理领域中具有良好的效果。本文在

介绍磁性壳聚糖微球的基本特点、结构及水处理机理的基础上，介绍磁性壳聚糖改性的及其在金属离

子、染料、含酚废水等污水处理中应用的研究进展，并指出磁性壳聚糖微球在废水处理方面存在的问

题及进一步研究探索的方向。

关键词：磁性壳聚糖；改性；水处理

Current Research Status of Magnetic Chitosan Microspheres Applied in Water Treatment

Sun Xiaohang,Cui Li,Liang Jiyan,Wang Xin

(Shen Yang University of Technology,Shenyang,Liaoning)

Abstract:Magnetic chitosan microsphere has many characteristics,such as economy,environmental,

recyclable and well applied in the field of water treatment.Based on the introduction of the basic

characteristics and structure of magnetic chitosan microspheres and its mechanism of water treatment,the

current states of the modification of magnetic chitosan microsphere and its application in metal ions,dye,

phenol wastewater are introduced.The problems and directions of further research of the magnetic chitosan

microspheres in the field of wastewater treatment are figured out.

Key words:magnetic chitosan microsphere,modification,water treatment

前言

壳聚糖分子链中含有反应性基团—NH2，—OH，具有良好的絮凝性及络合作用，能与水中的过渡金属离子、腐殖酸类物质及表面活性剂等产生络合作用，实现对水溶性有机污染物的脱除，在水处理材料领域有很好的应用前景[1]。但其在酸性溶液中会溶解，稳定性差，且对污染物经吸附脱除后，很难有效快速地从水体中分离。因此需对其进行引进多功能基团改性以提高稳定性和吸附性能。近年来，有科研人员将壳聚糖引入铁氧体磁核，改性后的壳聚糖具有磁性，与水中污染物作用后，可用外加磁场对其进行分离，进而洗脱再生，循环使用，大大提高了壳聚糖的机械性能和循环使用性[2]。

1.磁性壳聚糖微球简介

磁性壳聚糖纳米粒子是近二十年来发展起来的，以壳聚糖为高分子材料、具有磁性的纳米粒子为磁性物质的一种可降解的新型功能高分子材料[3]。

其核心部位是磁性粒子，赋予磁性微球以分离功能，外层生物高分子功能基团赋予磁性微球以载体的功能。磁性壳聚糖微球的壳层与磁核的结合主要是通过范德华力、氢键、配位键的作用。磁性壳聚糖纳米粒子的结构一般为有四种，一是磁性物质为核，壳聚糖为壳层或者以壳聚糖纳米粒子为核，磁性物质为壳层的核/壳结构；二是层与内层为壳聚糖，而中间为磁性物质的夹心结构；三是磁性壳聚糖纳米胶囊的中空结构，包括磁性物质在壳聚糖纳米胶囊内部和外部两种；四是磁

性材料镶嵌于壳聚糖纳米粒子内部的镶嵌结构[4]。

磁性壳聚糖微球用于水处理的基本机理主要有吸附机理、絮凝机理、螯合机理、离子交换机理、孔道阻碍机理、磁性作用机理、再生机理等[5]。

目前，磁性壳聚糖微球的合成方法主要有：乳化交联法[6-7]，化学共沉淀法[8]，喷雾干燥法[9]，原位法[10]，聚合物微凝胶模板法[11]和活性膨胀法。其中，乳化交联法和化学共沉淀法应用最为广泛。

2.磁性壳聚糖微球在水处理中的应用

就壳聚糖磁性微球的研究，此前人们大多考虑其在医药及生物等领域的应用，在水处理中应用的报道还不多。本文综合磁性壳聚糖微球自身的结构特点，下面将针对磁性壳聚糖微球的改性及其对重金属离子污水、染料废水、含酚废水等不同类型的废水处理的研究进行分别阐述。

2.1重金属离子废水的处理

去除水体中的金属离子是壳聚糖磁性微球在水处理中应用得最多的一个领域。壳聚糖由于分子链中含有羟基、胺基等反应性基团，与金属离子络合形成螯合物，因此能有效地吸收并捕集溶液中的金属离子。

Zhou等[12]以共沉淀法制备纳米Fe3O4，通过在颗粒表面接枝羧甲基化壳聚糖(CMC)用透射电镜、X射线衍射分析等对其进行了表征，并考察了吸附剂对Zn2+的吸附性能。制备的磁性纳米吸附剂平均粒径81nm，粒子中CMC的含量约5%。该吸附剂对Zn2+吸附速率很快，在2min内基本达到平衡，能有效去除Zn2+。Chang等[13]首先也壳聚糖羧酸化处理，再制备成粒径为13.5nm 的磁性微球，研究了该种磁性微球对Co2+的吸附行为，发现在pH为5.5、温度20~45℃时吸附速度最快。可见磁性壳聚糖微球对重金属离子有很好的吸附性能，且回收利用率高，是一种很有前景的重金属废水处理剂，有望用于吸附工业废水中的重金属离子。

2.2染料废水的处理

染料污水具有高色度及高化学需氧量等特点，如何有效地降低色度及COD是治理染料污水的关键。常用的吸附剂如活性炭和活性硅藻土等，虽然具有良好的吸附性能，但再生困难，使用成本高，不易普及。壳聚糖分子链上具有大量的活性基团，对染料物质具有良好的吸附性能，特别是赋予壳聚糖颗粒磁性后，使得其还具有良好的分离性能，为其回收再生提供了便利条件。

Chang等[14]对壳聚糖进行羧酸化处理，制备了一种具有纳米尺寸的阴离子型磁性微球，并考察了其对橘红染料G和酸性绿25两种染料污水的吸附行为，发现随着酸性的增加，该磁性微球对这两种染料的吸附量也在增加；并且其吸附主要是发生在微球的表面，其吸附动力学行为同样符合Langmuir吸附模型。此外，这种具有纳米尺寸的磁性微球与具有微米尺寸的磁性微球相比，具有较大的吸附量和较快达到吸附平衡的速度，这是由于纳米尺寸的磁性微球具有更大的比表面性质。

刘文超等[15]用戊二醛做交联剂，壳聚糖和纳米Fe3O4为原材料制备纳米磁性壳聚糖，并用乙二胺四乙酸二酐对其进行改性，制备了染料吸附剂EFC。分别对染料亚甲基蓝的浓度、时间、温度以及pH进行了研究。结果表明最佳反应条件为300mg/L、吸附时间为40min、温度为35℃、pH为碱性。通过扫描电镜等表征EFC后发现颗粒状的纳米Fe3O4粒子均匀地分布在EFC的表面上，使材料具有超顺磁性，且EFC表面富含羟基、羧基、氨基等功能基团，使其对亚甲基蓝