殼聚糖基吸附劑去除水溶液中金屬離子的研究進展

張楠

摘? 要：含有重金屬離子的廢水是最嚴重的環境問題之一，接觸過量的重金屬會對水資源產生不利影響，危及生態系統和人類健康。在各種處理技術中，利用生物聚合物吸附是一種很有前途的替代方法。殼聚糖是由甲殼素衍生的天然聚合物，具有良好的生物相容性、生物降解性和無毒性。此外，殼聚糖由于其分子中存在氨基和羥基，可作為金屬離子的附著位點，被稱為一種有效的吸附劑。近年來，殼聚糖衍生物作為金屬離子吸附劑引起了人們的廣泛關注。這些衍生物是通過物理或化學修飾或兩者兼而有之，以改善殼聚糖在吸附中的性能。文章討論了殼聚糖修飾的最新進展以及在水溶液中金屬離子去除中的應用。

關鍵詞：殼聚糖;改性;吸附;金屬離子

中圖分類號：0631.3+4 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）18-0044-02

Abstract： Wastewater containing heavy metal ions is one of the most serious environmental problems. Exposure to excessive heavy metals can adversely affect water resources and endanger ecosystems as well as human health. Among various treatment techniques， the use of biopolymer adsorption is a promising alternative. Chitosan is a natural polymer derived from chitin with good biocompatibility， biodegradability and nontoxicity. In addition， due to the presence of amino and hydroxyl groups in its molecules， chitosancan be used as an attachment site for metal ions， which is called an effective adsorbent. In recent years， chitosan derivatives have attracted much attention as metal ion adsorbents. These derivatives are modified by physical or chemical modifications or both to improve the performance of chitosan in adsorption. The recent advances in chitosan modification and its application in the removal of metal ions in aqueous solution are discussed.

Keywords： Chitosan; modification; adsorption; metal ions

眾所周知，重金屬離子由于其有毒和不可生物降解的特性，對生態系統和公眾健康構成了嚴重的威脅[1]，因此，去除廢水中的重金屬離子是一個至關重要的問題。到目前為止，已經開發了各種去除重金屬的處理方法，包括化學沉淀、溶劑萃取、離子交換、蒸發、電解和吸附[2]。在這些方法中，吸附法由于其操作方便、效率高、成本低，是最有效、最簡單的方法之一[3]。

殼聚糖是一種由甲殼素衍生的氨基多糖，由于其具有生物相容性、生物降解性和抗菌性的特點，是目前應用范圍最廣的生物聚合物。此外，由于殼聚糖骨架上-NH2和-OH基團可作為螯合和反應位點，它被認為是一種理想的吸附劑[4]。在本文中，我們綜述了殼聚糖的改性方法，及其對各種金屬離子的吸附的應用潛力。

1 殼聚糖概述

殼聚糖（CS）是甲殼素的主要衍生物，主要由β（1→4）-連接的2-氨基-2-脫氧-β-d-葡萄糖組成，可在堿性條件下通過甲殼素去乙酰化制備。由于殼聚糖和甲殼素的原料相同，因此，它們的物理及化學性質相似。然而，由于甲殼素的脫乙酰化程度不同，得到的最終產物的相對分子質量也有所差異。殼聚糖是重金屬離子和放射性核素的良好螯合劑，由于其存在機械強度低，化學穩定差等缺點，而限制了其工業上的應用，對殼聚糖進行改性后一方面可以提高聚合物在寬pH范圍水介質中的化學穩定性，另一方面也可以提高吸附性能[5]。

2 殼聚糖改性方法

2.1 物理改性

殼聚糖物理改性的選擇主要取決于用于應用的吸附結構。目前通過對殼聚糖物理改性，可以將殼聚糖塑造成不同的形貌，如粉末、微球、水凝膠、膜和纖維[6]。當殼聚糖在酸性水溶液中與堿混合時，可以得到固體殼聚糖。該方法通常用于制備不同尺寸和孔隙度的膜、纖維和球形凝膠珠。Adarsh等人[7]通過將殼聚糖溶液噴灑到含有1M NaOH的沉淀浴中，然后將殼聚糖溶液分散在培養皿上干燥得到殼聚糖凝珠。此外，還可以通過冷凍干燥制備多孔三維海綿。

2.2 化學改性

殼聚糖具有大量沿骨架結構分布的游離羥基和氨基，是化學改性的理想選擇。改性殼聚糖的主要目的是改變其溶解度、吸附能力和耐熱性等性能。雖然化學改性不會改變殼聚糖的基本骨架，但它衍生出大量具有所需的性能的衍生物，可用于各個領域，例如制藥、生物醫學和生物技術領域[8]。

2.2.1 交聯殼聚糖

由于殼聚糖在相對低pH溶液中由于傾向于形成凝膠，其應用受到限制為了提高殼聚糖的化學穩定性和機械強度，增強殼聚糖的重離子吸附性能，研究者們通過不同方法對殼聚糖進行了交聯改性。Vieira[9]等以戊二醛為交聯劑，制備了薄膜狀殼聚糖吸附劑，去除水中的Hg（II），結果表明改性后的吸附劑具有優異的Hg（II）吸附能力。Laus等人[10]研究了殼聚糖交聯EPC對Cu（II）和Cd（II）離子的吸收。結果表明，吸附劑對Cu（II）具有更大的親和力。

2.2.2 接枝殼聚糖

殼聚糖分子骨架上由于含有羥基、氨基活性基團，在活性位點上引入涉及金屬絡合的能力增強的功能官能團是最常見的改性方法。涉及的反應有酯化、羧基化、酰基化等。康小虎等[11]以3-氨基丙基三乙氧基硅烷為接枝劑，與羧甲基殼聚糖進行改性反應，并研究了改性羧甲基殼聚糖對鉛離子的吸附性能，發現改性后的產物具有比改性前的羧甲基殼聚糖更為優異的鉛離子吸附性能，并且證明了吸附物對鉛離子的吸附過程是以化學吸附為主的單分子層吸附過程。

2.2.3 磁性殼聚糖

磁性殼聚糖是一種新型的功能高分子材料，主要是通過磁技術與殼聚糖復合，解決了粉末狀殼聚糖回收難的問題，有利于提高材料的利用效率，并且由于磁性吸附劑還具有成本低、高效的優點，近二十年來受到廣泛的研究。

崔京京[12]在殼聚糖上負載四氧化三鐵，并研究了其磁性能和對銅離子的吸附性能，結果表明，負載磁性四氧化三鐵以后，改性殼聚糖具有優異的銅離子吸附性能，并且易于回收。Fan等[13]采用一種新型的沖擊流旋轉填料法，制備磁性Fe3O4/殼聚糖納米粒子，并用于去除水溶液中的重金屬離子。結果表明由于殼聚糖具有較強的金屬螯合能力，Fe3O4/殼聚糖對Pb（II）和Cd（II）的吸附能力優于純Fe3O4，為連續制備可回收吸附劑提供了一種潛在的方法。

3 結論和展望

本文綜述了殼聚糖基吸附劑去除水溶液中金屬離子的最新進展，包括物理改性以及化學改性，化學改性又包含有交聯、接枝、增加磁性，通過交聯、接枝反應可以進一步提高殼聚糖的穩定性，而將殼聚糖磁性化，可解決殼聚糖回收難的問題，增大材料的利用率。因此，設計改性殼聚糖衍生物正成為制備高性能電金屬離子吸附材料的焦點，對拓寬重金屬離子吸附劑有重大的借鑒意義。總之，盡管殼聚糖基吸附劑的相關研究處于初始階段，但其在重金屬吸附領域具有巨大潛力和廣闊的應用前景。

參考文獻：

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