壳聚糖在水处理上的改性及应用

壳聚糖在水处理上的改性及应用

摘要：壳聚糖作为一种来源广泛的无毒无害的高分子聚合物，因其在酸性溶液中其氨基可结合H+，是一种典型的阳离子聚电解质,能够吸附絮凝废水中有机物，同时其氨基还能鳌合去除许多重金属离子，是一种优良的水处理剂。本文介绍了它在水处理中的研究和应用情况。

关键词：壳聚糖；水处理；改性；应用

1 简介

壳聚糖(Chitosan，简称CTS)是甲壳素脱乙酰化产物，广泛存在于虾、蟹和昆虫外壳及藻类、菌类细胞壁中，年产量仅次于纤维素，为第二大天然高分子聚合物，是迄今为止发现的唯一天然碱性多糖，是由β-(1,4)-2-乙酰胺基-D-葡糖单元和β-(1,4)-2-氨基-D-葡糖单元组成的共聚物，具有安全无毒性、成膜性和抑菌性等，广泛用于农业、环保、医药、化妆品等领域。

随着我国经济的迅速发展，人口的增加，人民生活水平的逐步提高,工业化和城市化步伐的加快，用水量急剧增加，污水排放量也相应增加，加剧了淡水资源的短缺和水环境的污染，使地表水，尤其是城市河流水水质逐年变差，水质恶化失去了水源水的利用价值。为保证水资源的可持续利用，解决水环境污染问题，国内外在水处理方面做了大量工作，开发了多种水处理工艺，如生化法、离子交换法、吸附法、化学氧化法、电渗析法和污水生态处理技术等[1]。其中以壳聚糖为主体而研发出的一系列方法以其处理效率高、经济、简便的特点成为世界各国普遍使用的一种水质处理技术，而且处理水的种类也很多。本文就壳聚糖于近几年在水处理方面的改性及应用研究进展作一个小综述。

2 壳聚糖水处理原理

壳聚糖分子链中含有丰富的氨基和羟基，使其能与水中的金属离子螯合，从而对其进行吸附。此外，壳聚糖在酸性溶液中会形成聚阳离子电解质，显示出良好的絮凝性能，并能实现对水溶性有机污染物的脱除。

3 放射性水污染处理

壳聚糖是自然界存在的唯一碱性多糖，最终降解成水，二氧化碳等，而且无毒害，对环境非常友好。基于壳聚糖具有絮凝、吸附及无二次污染等综合性能。因此壳聚糖已经成为放射性水处理研究的焦点。但是壳聚糖也有不足之处，如在

污水处理后不易于回收再利用。因此将具有磁响应性的Fe3O4和壳聚糖复合制备出磁性壳聚糖微球，这使得壳聚糖在水处理方面更加有前景[2]。

目前制备磁性壳聚糖主要有两类方法，一是两步法：即先合成Fe3O4纳米颗粒，再以Fe3O4为核，用壳聚糖包裹；二是以壳聚糖微球为核，将Fe2+，Fe3+离子的形式渗入壳聚糖微球，再于碱性条件下原位合成。

其中，合成Fe3O4纳米颗粒的方法主要有：共沉淀法、水热法、微乳液法、离子组装法；制备磁性壳聚糖微球的方法主要有：沉淀法、反相悬浮交联法、高压静电法、喷雾干燥法。

壳聚糖磁性微球对于金属离子的吸附主要是通过利用壳聚糖分子链上的氨基与金属离子发生的螯合作用。金玉仁等[3]研究了磁性壳聚糖对三价锕系和镧系元素（锕系元素具有放射性，镧系元素一般不具有放射性，但其部分同位素具有放射性）的吸附性能发现：磁性壳聚糖在硝酸介质中稳定，介质的pH>2时，磁性壳聚糖对金属离子有明显的吸附作用，在pH>5时磁性壳聚糖对锕系和镧系元素的吸附率达到95%到99%。磁性壳聚糖吸附金属离子的顺序是

Am(III)>Cm(III) >Eu(III)>Tm(III)。磁性壳聚糖在吸附金属离子时可在45 s内达到吸附平衡。

为了进一步提高壳聚糖磁性微球对金属离子的吸附能力，人们通过化学改性手段增强磁性壳聚糖链上螯合基团的含量。周利民[4]等采用乙二胺改性壳聚糖磁性微球（EMCS），考察了其对水溶液中Hg2+和UO22+吸附性能。结果表明，pH 同时影响铀离子的存在形态和吸附剂的表面电荷。当pH<2.5时，铀离子主要以UO22+的形式存在，EMCS表面由于氨基质子化而带正电，与UO22+阳离子产生电荷排斥，不利于UO22+吸附，因此EMCS对UO22+几乎无吸附；当2.55时，吸附容量随pH升高迅速增加。EMCS可用1mol·L-1H2SO4再生，对UO22+脱附率92.7%，用2 mol·L-1HC1脱附，脱附率为91.2%，而且EMCS重复使用5次后，对UO22+的饱和吸附容量仅约下降10%，说明EMCS有良好的重复使用性。

Koji等[5]用苯基砷酸改性壳聚糖树脂，改性壳聚糖树脂对于微量铀的有较好的富集能力，特别是在pH为4~8时对U(VI)的吸收率几乎100%。并且在用3,4-

二羟基苯甲酸改性壳聚糖树脂(CCTS-DHBA)时，CCTS-DHBA对UO22+的螯合吸收能力高达330 mg·g-1，甚至碱性或者富含碱土元素阳离子时CCTS-DHBA对铀的回收效果仍然显著。因此CCTS-DHBA对多种水体，如自来水中，河水中和海水中对微量铀的吸附和富集效果好，回收率到达97.9%~100%。并且上述改性壳聚糖吸附UO22+后用浓度为1 mol·L-1的硝酸很容易分离。

4 工业废水处理

工业废水含有多种污染物，包括无机污染物重金属阳离子、部分阴离子及有机污染物等，其中的有些污染物不仅具有致癌作用，还会引起神经中毒、代谢紊乱和肝脏中毒等，废水净化已成为十分重要的问题，研究发现在处理废水中的有机污染时，介孔分子筛(MCM)负载壳聚糖对此有很好的吸附效果[6]。

Ilhan等[7]研究了壳聚糖和MCM-壳聚糖分别对印染工业废水中产生的有机污染物偶氮染料橙黄II(O-II)、活性艳蓝(RB5)和结晶紫(CV)的吸附情况。O-II只能在高温条件下被吸附，而且MCM-壳聚糖去除O-II的能力大于壳聚糖；CV在低温下才能较好的被吸附，MCM-壳聚糖对CV的吸附能力小于壳聚糖，MCM-壳聚糖对RB5的吸附能力大于壳聚糖，总之，MCM-壳聚糖在酸性环境中吸附有机染料的能力明显强于壳聚糖。

5 偶氮类废水处理

韩春玉[8]等用氯化铜和壳聚糖合成了一种新的物质壳聚糖-铜(Ⅱ)，热重分析结果显示为新物质，并具有很好的活性。对其进行偶氮类废水处理实验，在pH 在8~9，壳聚糖-铜(Ⅱ)的加入量为12 g·L-1，进行3 min的快速搅拌和10 min的慢速搅拌，沉降30 min的最佳条件下，废水的色度、浊度、COD的去除率能达到95%以上，说明此种壳聚糖-铜(Ⅱ)是偶氮类废水很好的处理剂，为新型废水处理剂的开发提供了一种新的途径。

6 食品加工水处理

以壳聚糖为主体制备的天然有机高分子絮凝剂分子中含有酰胺基及氨基、羟基，因此具有絮凝吸附等功能。作为线性聚胺，壳聚糖在酸性介质中溶解后，随着氨基的质子化表现出阳离子聚电解质的性质，不仅对重金属具有螯合的吸附作用，还可有效吸附水中带负电荷微细颗粒，因此在电镀废水、印染废水、重金属废水和给水净化等方面应用广泛。更重要的是，壳聚糖可降解性好，使用过程中