改性殼聚糖/貝殼粉復合物對含重金屬廢水的吸附作用研究★

孫夢臨

（赤峰工業(yè)職業(yè)技術學院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

0 引言

隨著我國工業(yè)化發(fā)展水平不斷提升，大量未經(jīng)處理的含重金屬廢水被排入水體之中，嚴重威脅生態(tài)環(huán)境安全以及人體健康，由此對工業(yè)廢水進行有效處理是技術領域內(nèi)重點研究課題。現(xiàn)階段應用較為廣泛的工業(yè)廢水處理方法主要包括物理法、生物處理法、化學法等。隨著科學技術不斷發(fā)展，依托于納米材料的吸附法逐漸成為當前研究重點[1-2]。貝殼粉在實際應用中，呈現(xiàn)出吸附和固定重金屬離子、改善土壤性能、凈化水體等功能。殼聚糖也是一種重要的材料。當經(jīng)過脫乙酰基處理后，殼聚糖具有無毒、易生物降解和生物相容性好的特點，這使得它在醫(yī)學、食品和環(huán)境領域有廣泛的應用前景。研究人員將兩者結合起來制備出改性殼聚糖/貝殼粉聚合物，其可以有效地吸附工業(yè)廢水中的重金屬離子[3]。由于貝殼粉的吸附性能和殼聚糖的高分子結構，改性殼聚糖/貝殼粉聚合物能夠形成大量細小的孔隙結構，從而增加吸附表面積，提高吸附效率。由于其在環(huán)境修復和水處理中的出色表現(xiàn)，改性殼聚糖/貝殼粉聚合物成為當前技術領域研究的重點之一。研究人員正在進一步改進聚合物的制備方法和性能，以提高其應用實效。未來，預計這種聚合物將在工業(yè)廢水處理、土壤修復和環(huán)境保護等領域發(fā)揮重要作用。

1 重金屬污染危害性

就實際角度分析，重金屬可以直接進入大氣、水體和土壤，造成直接的環(huán)境污染。重金屬包括鉛、汞、鎘等，它們可以通過工業(yè)排放、廢水排放等途徑直接釋放到環(huán)境中，對環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)造成直接的損害。重金屬之間可以相互遷移，形成環(huán)境要素間接的污染。因為重金屬具有一定的遷移性，其可以在環(huán)境中相互轉移，通過土壤、水體等媒介傳播到遠離污染源的地方，從而導致環(huán)境要素之間的間接污染。此外，重金屬還具備難以被微生物降解特性，自然環(huán)境中它們可以在不同形態(tài)間轉化，導致難以有效消除。重金屬的化學性質(zhì)使得它們難以被生物降解，從而在自然環(huán)境中長期存在，而且還可以發(fā)生形態(tài)轉化，使得清除重金屬污染變得難度極高。而人體或動物可以通過呼吸道、消化道和皮膚吸收環(huán)境中的重金屬，當重金屬攝入超過一定限值時即會對人體產(chǎn)生毒害作用。短期接觸重金屬可導致急性毒害癥狀，例如皮膚灼傷、潰爛等。長期接觸重金屬可引發(fā)嚴重的慢性疾病，甚至引發(fā)癌癥、致突變等疾病。

除此以外，重金屬污染還會對自然環(huán)境中的植物造成嚴重影響。由實際研究結果可知，多數(shù)植物具備較強的重金屬富集作用，并導致含重金屬蔬菜或糧食出現(xiàn)，危害人體健康。如水稻種植中使用含水溶性鎘的水源進行灌溉，鎘離子會通過土壤轉移至作物之中，進而造成毒害較強的鎘米。水溶性鎘在水體中含量達到4 mg/L 即會對水稻作用生長情況造成影響，含量0.1 μg/L 以上時即會導致魚類及其他水生生物死亡。

考慮到重金屬污染物的危害性，各國政府均制定嚴格的重金屬污染物排放標準，我國線性《污水綜合排放標準》中將汞、鎘等定位第一類污染物，要求其不分行業(yè)及排放方式，也不受納水體功能類別，一律在車間或處理設施排放口位置進行采樣，必須達到規(guī)定濃度標準。銅、鋅等危害性相對較低重金屬被定義為第二類污染物。為切實滿足排放標準要求，技術領域內(nèi)對工業(yè)廢水處理技術進行較為深入的研究。

2 改性殼聚糖/貝殼粉復合物吸附工業(yè)廢水重金屬離子實驗

為深入探究改性殼聚糖/貝殼粉復合物在吸附工業(yè)廢水中重金屬離子能力，有技術人員通過設計實驗方式對其進行詳細分析。

2.1 改性殼聚糖/貝殼粉復合物制備

為滿足實驗要求，技術人員在實際工作中分別對O-羥甲基殼聚糖以及復合物材料進行制備。技術人員首先需要將5 g 殼聚糖浸入50 mL 異丙醇中，并進行1 h 的溶脹反應。這一步的目的是使殼聚糖能夠在溶液中充分膨脹，為后續(xù)反應做好準備。隨后要加入10 mL 質(zhì)量分數(shù)為30%的NaOH 溶液，并進行2.5 h的溶脹反應。該步驟目的是通過NaOH 的作用，進一步改變殼聚糖的結構和性質(zhì)，使其具有更好的水溶性和增稠性。

制備材料完成后，需要將其置于室溫環(huán)境中30分鐘，并分次加入6 g 氯乙酸，對反應物進行一定的處理，以達到更好的反應效果。隨后，將反應物置于35 ℃水浴鍋中攪拌4 h。在完成反應之后，要添加20 mL 蒸餾水，用乙酸調(diào)整pH 值到7，再進行減壓過濾。在此基礎上，使用甲醇、無水酒精清洗兩遍，再置60 ℃爐中干燥。經(jīng)過如上步驟即可獲取試驗所需的O-羥甲基殼聚糖。

在制備貝殼粉/改性殼聚糖復合物的過程中，技術人員首先取1 g O-羥甲基殼聚糖，并溶于100 mL 1%醋酸溶液中。然后，利用1 mol/L NaOH 將溶液pH值調(diào)節(jié)至7，這樣可以提供一個適宜的環(huán)境來制備復合物。接下來，添加1 g 貝殼粉到產(chǎn)生絮凝狀物中，并進行攪拌、抽濾以及自然風干處理。該步驟的目的是將貝殼粉與改性殼聚糖進行混合和結合，形成貝殼粉/改性殼聚糖復合物。最終即可成功得到了貝殼粉/改性殼聚糖復合物樣品。

2.2 實驗條件設計

為探究貝殼粉/改性殼聚糖復合物對工業(yè)廢水中重金屬離子吸附能力，技術人員所采用含有重金屬離子的起始質(zhì)量濃度為120 mg/L，溶液容積為100 mL，并以0.5 g 的殼多糖/修飾的殼聚糖配合物作為吸附劑，觀察不同濃度、不同溫度、不同pH 條件、不同鹽度條件下的殼聚糖復合物對重金屬離子的吸附性能的影響。

3 改性殼聚糖/貝殼粉復合物吸附性能分析

3.1 電鏡分析結果

技術人員完成貝殼粉和改性殼聚糖的吸附實驗，并通過專業(yè)設備獲得相應掃描電鏡圖。從圖中可以明顯看出，貝殼粉材料呈現(xiàn)出緊密分布結構，并且在加入改性殼聚糖后形成了復合物。

研究人員發(fā)現(xiàn)，改性殼聚糖的加入受到了貝殼粉獨特性質(zhì)的影響，從而使復合物具備了較強的親和性。從圖1 和圖2 中可以清楚地看到復合物對不同顆粒具有團聚效果，顆粒間隙明顯增大。除顆粒聚集的效果，復合物的吸附能力也得到了顯著提升。研究結果表明，復合物的出色吸附能力意味著它可以有效去除水中的污染物和顆粒物質(zhì)。例如，其可以應用于水體凈化和廢水處理，去除重金屬離子、有機物質(zhì)和微小顆粒，從而改善水質(zhì)。

圖1 貝殼粉5 000 倍掃描電鏡

圖2 復合物5 000 倍掃描電鏡

3.2 復合物制備最佳比例

技術人員在實驗中分別設計貝殼粉與改性殼聚糖的質(zhì)量配比為1∶0，1∶0.5，1∶1，1∶2，1∶3。通過對實驗數(shù)據(jù)的分析，確定了以殼粉與O-羧甲基殼聚糖的質(zhì)量配比為1∶1 的配比時吸附能力最強，因此技術人按1∶1 的質(zhì)量配比貝殼粉素與O-羧甲基殼聚糖制得試驗所需要的復合物。

3.3 溶液濃度對貝殼粉/改性殼聚糖復合物吸附能力影響

技術人員在工作中開展吸附試驗工作，具體操作中設置出重金屬物質(zhì)初始濃度相異的廢水樣品。結合最終試驗所得結果可知，以120 mg/L 為分界點，貝殼粉在低于該分界點情況下，吸附量呈現(xiàn)出逐漸增長態(tài)勢；當超出該分界點時，貝殼粉吸附性能達到飽和，吸附量為12 mg/g。

3.4 吸附溫度對貝殼粉/改性殼聚糖復合物吸附能力影響

技術人員分別在15、25、35、45、55 ℃條件下對復合物吸附能力進行測定。由實驗結果可知，復合物的吸收率隨溫度的升高而增大，但溫度對復合物的吸收量影響不大。

3.5 pH 對貝殼粉/改性殼聚糖復合物吸附能力影響

技術人員將工業(yè)廢水樣本溶液的pH 值調(diào)整到3、5、7、9、11。研究發(fā)現(xiàn)，隨著溶液pH 值的增大，水溶液的酸度和堿度的增大，貝殼粉/殼聚糖復合物的吸附能力降低。主要原因在于，酸、堿等環(huán)境下復合材料結構會被破壞，導致吸附孔道被堵塞，進而造成吸附性能降低，因此中性環(huán)境最適合復合物發(fā)揮其吸附能力。

3.6 溶液鹽度對貝殼粉/改性殼聚糖復合物吸附能力影響

溶液鹽度是指其中溶解了的鹽類的含量。為調(diào)整溶液的鹽度，技術人員設定分別投加0、1%、2%、3%、4%、5%的NaCl 來實現(xiàn)不同鹽度溶液。最終實驗結果表明，當鹽都在0～5%區(qū)間范圍內(nèi)情況下，貝殼粉/改性殼聚糖復合物對金屬離子的吸附量會隨著溶液鹽度的增加而增大。這意味著在高鹽度的溶液中，復合物能更有效地吸附金屬離子，從而降低溶液中金屬離子的濃度。在適當?shù)柠}度下，復合物的吸附孔徑會擴大，從而使得復合物能夠更好地吸附更大分子量的有害物質(zhì)。實際操作中通過調(diào)整溶液的鹽度，可以改變復合物的吸附性能，從而使其更適用于不同工業(yè)廢水等。

4 結語

為應對重金屬污染情況，技術領域中對工業(yè)廢水處理技術進行較為深入的探究。改性殼聚糖/貝殼粉復合物在實驗中表現(xiàn)出較強吸附能力，同時其具備原料易得、制備工藝簡單等優(yōu)勢，可以大規(guī)模應用于工業(yè)廢水處理之中。因此技術人員在后續(xù)研究中將加強對該種復合物的研究力度，為我國環(huán)境治理工作有序開展提供堅實技術保障。