殼聚糖對重金屬離子C u和P b的吸附研究

雷志丹 雷 琳 李 龍 張曉青 惠華英 雷志鈞▲

1.湖南中醫藥大學藥學院，湖南長沙 410208；2.長沙環保職業技術學院，湖南長沙 410014

殼聚糖對重金屬離子C u和P b的吸附研究

雷志丹1雷 琳2李 龍1張曉青1惠華英1雷志鈞1▲

1.湖南中醫藥大學藥學院，湖南長沙 410208；2.長沙環保職業技術學院，湖南長沙 410014

目的處理實驗室廢水中的重金屬離子。方法 本文對殼聚糖對模擬廢水中的微量重金屬離子Cu和Pb的吸附進行了研究，確定了最佳吸附條件。結果 在實驗室條件下，Cu2+的最佳pH=9，Pb2+的最佳pH=6，殼聚糖最佳用量均為10 g/L，最佳吸附時間均為20 min，溫度均為常溫，殼聚糖脫乙酰度均為85%。結論 殼聚糖對水中微量重金屬離子有較好的吸附效果，可作為重金屬離子的吸附劑用于實驗室重金屬離子廢水的處理。

殼聚糖；重金屬離子；吸附；Cu2+；Pb2+

在教學和科研過程中，實驗室產生很多的廢棄物，在實驗廢棄物中以廢水的排放量最大，實驗廢水中含有許多化學物質，特別是含多種低濃度的重金屬離子，其濃度雖然較小，但危害卻不容小視，其極易通過食物鏈在人體或其他生物體內富集，目前對痕量重金屬的去除主要通過離子交換[1]、吸附法[2-4]等方法進行處理。殼聚糖具有無毒、無味、耐堿、耐腐蝕的特點，并以其良好的環境相容性、可再生性、資源豐富、不產生二次污染及價廉易得等優點而受到人們的關注。殼聚糖是甲殼素經脫乙酰化的產物，對許多物質有螯合吸附作用，其分子中的氨基和氨基相鄰的羥基與許多金屬離子能形成穩定的螯合物，且其特殊的多孔結構，使其具有較大的比表面積，吸附金屬離子的容量大[5-6]，因而可將其用于重金屬廢水的處理。本文探討了溶液的pH值，吸附時間，殼聚糖的用量，殼聚糖的脫乙酰度以及溫度對殼聚糖吸附痕量Cu2+性能的影響。

1 儀器與試藥

1.1 儀器與設備

AAnalyst 100型原子吸收分光光度計，THZ-82恒溫振蕩器，AR140·C電子天平，梅特勒-托利多Delta 320 pH計，80-1型離心沉淀機。

1.2 藥品與試劑

殼聚糖（由上海陶和生物科技發展有限公司提供）：脫乙酰 度 為 97%、90%、85%，80%、75%，CuSO4·5H2O（AR），Pb（NO3）2（AR），0.1 mol/L HCl與 0.1 mol/L NaOH 標準溶液。

2 實驗與結果

2.1 溶液的配制

取適量 CuSO4·5H2O、Pb（NO3）2配制成 0.005%的溶液。

2.2 實驗方法

根據參考文獻[7]，取一定量的不同脫乙酰度的殼聚糖加入到含有100 mL的一定濃度和酸度的Cu2+，Pb2+溶液250 mL的碘量瓶中，在一定溫度的水浴鍋中震蕩一定時間，靜置后過濾，用原子吸收分光光度法測定其中的Cu2+和Pb2+濃度。

2.2.1 pH值對吸附過程的影響：分別取0.01%25.00 mL的Cu2+，Pb2+溶液加入250 mL的碘量瓶中，加入適量的殼聚糖粉末，用0.1 mol/L NaOH與蒸餾水分別調節溶液pH值為3、4、5、6、7、8、9，溶液總體積調節為 50.00 mL，在 30℃的恒溫水浴鍋中振蕩1 h，靜置后過濾，用原子吸收分光光度法測定其中的Cu2+和Pb2+濃度，計算吸附率。

實驗結果表明：在強酸性條件下，殼聚糖對金屬離子幾乎不產生吸附作用，pH值較小時，殼聚糖分子鏈上 -NH2結合H+，形成 -NH3+，與金屬陽離子產生排斥作用，抑制了殼聚糖對金屬離子的螯合作用，使吸附率較低，隨著pH值的逐漸增加，釋放出 -NH2，有利于殼聚糖對金屬離子的吸附[8]，不同的金屬的最佳吸附pH值是不同的，Cu2+在pH=9時達到最大吸附率，Pb2+在pH=6時達到最大吸附率。pH=10以后，金屬離子沉淀嚴重。見表1。

2.2.2 吸附劑用量對吸附過程的影響：調節Cu2+溶液pH=9，Pb2+溶液 pH=6 時，分別加入 0.2、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 g殼聚糖，按照“2.2”項下方法實驗。實驗結果表明：隨殼聚糖用量的增加，參與吸附的-NH2數量增加，吸附率也相應增加，在該濃度下，Cu2+和Pb2+的殼聚糖最佳用量均為10 g/L。見表2。

表1 不同pH值對吸附率的影響（%）

表2 吸附劑用量對吸附率的影響（%）

2.2.3 吸附時間對吸附過程的影響：調節Cu2+溶液pH=9，Pb2+溶液pH=6時，分別加入2.0g殼聚糖，控制吸附時間為1、5、10、15、20、25 min，按照“2.2”項下方法實驗。 實驗結果表明：20 min已達到最大吸附，時間繼續增加對吸附率沒有影響。

表3 吸附劑時間對吸附率的影響（%）

2.2.4 吸附溫度對吸附過程的影響：調節Cu2+溶液pH=9，Pb2+溶液pH=6時，分別加入2.0 g殼聚糖，吸附時間為20 min，恒溫震蕩儀中控制吸附溫度分別為 20、25、30、40、50、60℃，按照“2.2”項下方法實驗。實驗結果表明：隨著溫度升高，吸附量下降，殼聚糖對重金屬離子的吸附為放熱反應，確定吸附最佳溫度為常溫。

表4 吸附溫度對吸附率的影響（%）

2.2.5 殼聚糖脫乙酰度對吸附過程的影響：調節Cu2+溶液pH=9，Pb2+溶液 pH=6，吸附時間為 20 min，吸附溫度為常溫，加入2.0 g脫乙酰度分別為97%、90%、85%，80%、75%的殼聚糖，按照“2.2”項下方法實驗。實驗結果表明：脫乙酰度為85%時吸附率達到最高。

表5 不同脫乙酰度對吸附率的影響（%）

3 討論

3.1 pH值是影響殼聚糖對重金屬離子的吸附的最重要的因素

pH值會影響殼聚糖上活性位點的功能，pH值增大，殼聚糖對金屬離子的吸附率會增大，但超過一定臨界pH值，金屬離子會沉淀。

3.2 化學吸附的確定

在較低溫度下，殼聚糖對重金屬離子的吸附能較好地滿足Freundlich等溫吸附式，根據溫度和pH值對殼聚糖對金屬離子的吸附作用的影響，可以確定該吸附過程為化學吸附。

3.3 不同金屬離子達到吸附平衡所需時間的規律

雖然不同金屬離子達到吸附平衡所需時間不同，但筆者在研究過程中發現有一規律存在，即吸附曲線中部均有1個平臺區，在平臺區吸附量隨時間的增加變化不大。吸附過程中開始速率較快，中后期較慢。

3.4 一定脫乙酰度的殼聚糖作為吸附劑與pH值、吸附溫度等的相關性

一定脫乙酰度的殼聚糖可作為重金屬離子的吸附劑用于實驗室重金屬離子廢水的處理，吸附量隨pH值、吸附劑用量、吸附時間、吸附溫度、脫乙酰度的不同而變化，且不同種類的金屬離子的絕對吸附量不同。

[1]黃君濤，熊帆，謝偉立，等.吸附法處理重金屬離子廢水研究進展[J].水處理技術，2006，32（2）：9-12

[2]Kraemer SM，Xu J，Raymond K N，et al.Adsorption of Pb （Ⅱ） and Eu（Ⅱ）by Oxide Minerals in the Presence of Natural and Synthetic Hydroxamate Siderophores[J].Environ Sci Technol，2002，36（6）：1287-1291.

[3]崔曉寧，侯偉華，楊曉萍，等.茶葉纖維對Cu2+的吸附性能研究[J].茶葉科學，2010，30（4）：259-262.

[4]郭學益，梁莎，馮寧川，等.化學改性橘子皮對Cu2+吸附性能的研究[OL].http：//www.paper.edu.cn.

[5]丁純梅.殼聚糖對印染廢水吸附性能的研究[J].環境與健康，2008，25（8）：685-690.

[6]韓德艷，蔣霞，謝長生.交聯殼聚糖磁性微球的制備及其對金屬離子的吸附性能[J].環境化學，2006，25（6）：748-751.

[7]黃建宏.殼聚糖吸附廢水中重金屬離子初探[J].福建輕紡，2005，（7）：15-17.

[8]陳忻，袁毅樺，陳曉剛，等.殼聚糖對痕量重金屬離子鉛、鉻、鎳的吸附研究[J].廣東化工，2007，34（5）：11.

Study on adsorption properties of chitosan to heavy metal ions of Cu,Pb

LEI Zhidan1LEI Lin2LI Long1ZHANG Xiaoqing1HUI Huaying1LEI Zhijun1▲
1.Hunan University of Traditional Chinese Medicine,Changsha 410208,China;2.Changsha Environmental Protection College of Hunan Province,Changsha 410014,China

Objective In order to deal with heavy metal ion in the waste water of laboratory.Methods Investigated the adsorption properties of chitosan for heavy metal ions of Pb and Cu.The best condieion of absorbing these two kinds of heavy metal ions had been studied.Results In lab condition,in room temperature chitosan which deacetylation degree was 85%,the best adsorption duration was 20 min,the dosage of chitosan was all 10 g/L,the pH value of liquor was 9,7 in the process of deal with Cu2+and Pb2+.Conclusion The absorbent has a favorable adsorbing effect to heavy metals ion.Chitosan is a material with good exploitation future in deal with heavy metal ion in the waste water of laboratory.

Chitosan;Heavy metal ion;Adsorption;Cu2+;Pb2+

X703

A

1674-4721（2012）05（b）-0025-02

湖南省科技廳科研項目（2010FJ4101）；湖南省長沙市科技局科研項目（K1003069-31）；湖南省教育廳科研項目（11C0949）。

雷志丹（1972-），女，湖南安鄉人，在讀博士生，主要從事中藥新制劑工藝與質量標準的研究。

▲通訊作者

2012-03-09 本文編輯：趙麗萍）