壳聚糖及其复合材料在水处理中的应用

Harbin Institute of Technology

课程论文

课程名称：壳聚糖生物材料

设计题目：壳聚糖及其复合材料在水处理中的应用院系：能源科学与工程学院

作者：刘禹萱

学号： 1120200607

哈尔滨工业大学

目录

1 引言 (2)

2 壳聚糖的吸附与絮凝机理 (3)

3 壳聚糖及其复合材料在水处理中的研究与应用 (4)

3.1壳聚糖及其复合材料去除废水中金属离子的研究与应用 (5)

3.2 壳聚糖及其复合材料在印染废水处理中的研究与应用 (6)

3.4 壳聚糖在食品工业废水处理中的研究与应用 (7)

4 总结 (8)

参考文献 (9)

壳聚糖及其复合材料在水处理中的应用

摘要

随着工业带来的环境污染的加剧，水污染已成为全球化问题，水处理成为世界各国环境保护工作的重点。壳聚糖具有环境相容性好、可再生、资源丰富以及高度可降解性等优点，在水处理领域已引起越来越多的关注。随之发展起来的壳聚糖改性材料也进入研究者的视野。其中，物理改性即壳聚糖复合材料以其操作性强、应用范围广、制备过程简单、性能优良等优点被越来越多的学者探索。本文以壳聚糖为基础，结合其物理复合材料，综述了壳聚糖及其复合材料在水处理方面的研究与应用。

关键词：壳聚糖；复合材料；水处理

1 引言

壳聚糖是甲壳素经化学法处理脱乙酰基后的产物，是一种直链型的天然高分子化合物，化学名称为(l，4)-2-氨基-2-脱氧-β-D-葡萄糖。是至今发现的唯一天然碱性多糖。因制备工艺条件和需求不同，脱乙酰度由60%至100%不等，壳聚糖脱乙酰度越高，相对稳定性越低，但机械强度增大，生物相容性增加，吸附作用增强[1]。壳聚糖分子上含有三种类型的活性基团，即C2-NH2、C3-OH和C6-OH，因而可以通过物理、化学改性赋予壳聚糖衍生物各种功能特性，因此，壳聚糖复合材料作为正在兴起的功能材料之一，已经在多个领域得到应用。

随着工农业的发展，大量包括重金属的污染物排入河流，使水质恶化，水体污染已经成为当今世界上最严重的环境问题之一，世界各国政府以及广大环保工作者都在努力寻找科学有效的水治理方法。中国是全球水污染最严重的国家之一，全国多达70%的河流、湖泊和水库均受到影响。一项全国性调查表明，在2007年排入各种水体的有机污染物（以COD表示）中，近20%源自工业。而工业废水中，对环境与人体影响最大的几类分别为含重金属离子废水、含染料废水及含有机物废水。

在自然界中，甲壳素的年生物合成量约100亿吨，是地球上除纤维素以外的第二大有机资源，是人类充分利用的巨大资源宝库。因此，壳聚糖的来源相当丰富[2]。由于壳聚糖具有生物降解能力、生物相容性、生物活性以及无毒等独特的性能，近年来壳聚糖及其复合材料在水处理领域已得到高度重视和广泛研究。

2 壳聚糖的吸附与絮凝机理

吸附法是一种应用较早、应用范围广泛的方法。具有操作简单、成本低、材料易得、反应速度快、处理效果好等特点，对低浓度重金属废水和有毒废水的处理具有很大的优势活性炭是最常见的吸附剂，具有巨大的比表面积和较多的孔，吸附量大，处理效果好；但是活性炭的非选择性吸附、再生困难、再生成本高成为其使用的限制因素。目前，壳聚糖、木质素、沸石、腐殖酸、天然矿物如粘土、矿石等新型的吸附别逐渐被人们所重视，并广泛地研究。这些新型吸附壳聚糖在纺织、印染、医药、环保等各个行业都具有很广泛的应用。

壳聚糖含有氨基和羟基，通过氢键、静电吸引、离子交换、范德华力等对对染料产生极强的吸附、配位作用，这种吸附作用包括：物理吸附、化学吸附和离子交换吸附，所以壳聚糖基吸附材料可以吸附各类分子[3，4]。

图1 壳聚糖的结构示意图

壳聚糖的物理吸附功能已经引起了很多学者的注意，与活性炭和离子交换树脂相比(表1)，壳聚糖具有资源丰富、吸附性能高、易再生、易生物降解等优点；同时，也具有孔隙率低、比表面积小、受pH 值影响大等缺点。因此，壳聚糖及其改性复合材料在物理吸附方面的应用进展缓慢。而壳聚糖材料在作为吸附剂应用时，其作用机理大多为化学絮凝作用、离子交换吸附及二者的结合。这两种性能也正是壳聚糖及其复合材料得以在吸附领域得到广泛应用的重要因素。

表1 活性炭、离子交换树脂和壳聚糖衍生物吸附剂的优缺点

吸附剂优点缺点

活性炭比表面积大; 多孔吸附

剂; 吸附能力高; 吸附

速度快; 吸附多种污染

物质; 快速动力学

吸附性能取决于活

性炭的种类; 需要交

联剂提高吸附能力;

非选择吸附性; 扩散

能力弱; 恢复活性

会导致碳损失

离子交换树脂

多孔结构; 物化性能

范围广; 表面积大;

恢复，无吸附剂损失

原材料来源于石油;

成本高; 吸附性能在

于树脂的种类; pH

值影响大; 亲水性低

壳聚糖衍生物

资源丰富; 环境友好;

吸附能力高; 扩散性

能高; 高吸附性和选择

吸附性; 多功能吸附

剂; 易恢复活性

无孔吸附剂; 受原料和脱

乙酰度的影响; 微珠性能

的多变性; pH 值影响大;

需化学改性提高吸附性能;

壳聚糖分子重复单元中带有活性基团、，在酸性溶液中会形成高电荷密度的阳离子聚电解质，显示良好的络合性能和絮凝性能。随着氨基的质子化，表现出弱阳离子絮凝剂的性质。因为分子中含有大量的氨基、羟基，性质较活泼，可修饰、活化和偶联，所以壳聚糖及其衍生物具备了絮凝剂的特性。

由于壳聚糖在C2上有一个乙酰氨基或氨基，在C3上有一个羟基，随着-NH2

的质子化，表现出阳离子型聚电解质的作用，能有效吸附溶液中的Cd2+、Zn2+、Ni2+、Cu2+、Ag+、Au3+、Pt4+、Pd2+等重金属离子，但壳聚糖不吸附天然水中的碱金属和碱土金属离子，原因是这些金属离子半径较小。壳聚糖对金属离子的吸附作用表明，壳聚糖的选择吸附主要是由于壳聚糖分子上的-NH2，氮原子上的孤对电子可投入到金属离子的空轨道中，形成配位键结合[5，6]。因此，壳聚糖及其复合材料已经被广泛应用到去除给水与工业废水中的有害金属离子中。

此外，壳聚糖能通过络合、离子交换等作用对染料、蛋白质、氨基酸、核酸、酚、卤素等进行吸附。带有磺酸基团的染料在硫酸水溶液中可通过离子交换作用被甲壳素吸附，通过对壳聚糖进行改性可以使其在处理带染料、有机物等有害水污染物的领域应用，进一步增加了壳聚糖材料在处理综合工业废水中的可实现性。

3 壳聚糖及其复合材料在水处理中的研究与应用

近年来壳聚糖及其复合材料的应用研究取得巨大进展，壳聚糖用于水处理是