以壳聚糖为基础的料在水处理中的应用

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[摘 要]壳聚糖作为一大热门资源已经在许多方面进行各种应用，本文对壳聚糖在水处理中的应用做出简单概述，分析了其机理和不足，对其进行展望。

[关键词]壳聚糖 水处理 机理

中图分类号：X928.02 文献标识码：X 文章编号：1009914X（2013）34023301

壳聚糖（CTS）是一种直链型的天然高分子有机物，化学名称为（1，4）-2-氨基-2-脱氧-B-D-葡聚糖。壳聚糖资源非常丰富，主要由甲壳素脱乙酰化而得到，其原料甲壳素分布广泛，多存在于甲壳纲动物的甲壳、真菌和植物的细胞壁中，是自然界中仅次于纤维素的第二大再生资源。

壳聚糖是目前发现的唯一天然碱性多糖。化学性质稳定，不溶于水、碱和一般有机溶剂，但可溶于稀盐酸、硝酸等部分无机酸和大多数有机酸溶液。

1壳聚糖在废水处理中的应用

壳聚糖本身无毒、无害、易生物降解，分子内含有-OH和-NH2等活性基团，具有很高的化学活性，易发生水解、羧基化、交联等反应而得到壳聚糖衍生物，具有新的结构和性能。这些特性使其在水环境处理等领域中得到广泛应用。近年来的相关研究成果表明，壳聚糖在水处理中发挥积极作用。但壳聚糖水溶性较差，分子中的-NH2易质子化等不足限制了其应用效果。

2 壳聚糖衍生物在水处理中的应用

壳聚糖及其衍生物作为水处理剂具有絮凝性好、吸附螯合能力强、无毒或低毒及无二次污染等优点，在水环境处理中受到国内外的关注，美国主要将其用于自来水的净化，我国则将其广泛应用于给水及饮用水、工业废水和生活废水的净化等。壳聚糖及其衍生物对金属离子具有吸附作用对阴离子表面活性剂也有一定的去除效果，而且能够满足给水处理的要求。

3壳聚糖基复合材料在水处理中的应用

3.1 与粘土复合

粘土一般是硅酸盐矿物在地球表面风化后形成的，颗粒较小，常在胶体尺寸范围内。粘土一般具有特殊的层状硅酸盐结构，层间带有可交换阳离子且层间的作用为范德华力、静电引力和氢键等作用力较弱，故易于插层复合和表面包覆。粘土比表面积大，颗粒带有负电性，因此有很好的表面化学活性和物理吸附性能，具有与其它阳离子交换的能力。近年来粘土材料广泛应用于水处理领域，发展潜力很大。与壳聚糖复合处理废水也有一些报道并取得了较好的效果。

3.2 与二氧化硅复合

纳米具有多孔、一定的化学惰性、较高的比表面积和热稳定性等特点，作为载体在改善高分子材料的机械性能方面应用广泛。研究表明，壳聚糖与纳米二氧化硅能形成良好的分散与相容，不仅可以增大壳聚糖的比表面积和密度，而且能提高壳聚糖的力学性能。

3.3与无机高分子絮凝剂复合

无机、有机高分子絮凝剂复配使用，能充分利用无机絮凝剂的高正电荷密度和有机高分子絮凝剂的桥连作用，从而达到协同增效、优势互补、提高整体絮凝性能的目的，已成为研究热点。利用复配絮凝剂处理废水时，只需投加很少量的无机絮凝剂就能达到同样的处理效果，而且缩短了静置沉淀时间，产生的污泥量也少。

3.4壳聚糖的杀菌作用在水处理中的应用

壳聚糖是甲壳素脱乙酰基后的产物。甲壳素的化学名为B-（1-4）-2-乙酰氨基-2-脱氧-D-葡萄糖，由N-乙酰氨基葡萄糖以B-1，4糖苷腱缩合而成。壳聚糖用于水处理的研究近来增多。研究表明，壳聚糖具有良好的无毒性、生物相容性和可生物降解等特性。

壳聚糖作为饮用水净化剂，主要因为壳聚糖具有良好的是杀菌作用。且研究表明：不同分子量、不同浓度的壳聚糖杀菌作用是不同的，壳聚糖的杀菌作用与菌种也有关系，壳聚糖的杀菌作用强弱主要取决于壳聚糖分子上活性氨基的数量。

4 磁性壳聚糖在水处理中的应用

4.1磁性壳聚糖的性质

壳聚糖虽然能溶解在酸性溶液中，但稳定性差，有学者通过将壳聚糖包裹纳米磁性粒子制备成磁性壳聚糖微球，结果表明这种磁性微球稳定性好、吸附性能强，有效地提高了壳聚糖的应用价值。目前制备磁性壳聚糖的方法主要有乳液聚合法、悬浮聚合法、包埋法等。纳米磁性粒子周围被壳聚糖分子包裹，这种磁性壳聚糖微球具有比表面积大、多孔、粒径窄分布等特征，同时具有易回收、可再生等优点。

4.2 磁性壳聚糖处理水处理机理及影响因子

4.2.1吸附机理

磁性壳聚糖微球的大比表面积，多孔等特性使其对水中的污染物质有物理吸附作用；表面大量的-OH、-NH2活性基团可以通过氢键作用吸附有机物，同时结合质子后形成的-NH+3表现出阳离子型聚电解质的作用，吸附水中带负电荷污染物质。

4.2.2絮凝机理

磁性壳聚糖在水中可以质子化而带正电，可与带负电荷的污染物质电性中和、压缩胶粒的双电层厚度，促使微团间相互作用而产生絮凝作用；也可以对废水中的微粒起吸附架桥的絮凝作用；磁性的作用也可以使粒子之间相互聚集形成网状结构而捕集水中的悬浮物质。

4.2.3螯合机理

磁性壳聚糖为多孔结构，表面含有-OH、-NH2等基团对多种金属离子具有选择性螯合作用。

4.2.4离子交换机理

离子交换机制进行吸附的过程中主要是氨基在强酸性溶液中质子化，溶液中有高浓度的负离子才可能发生。

4.2.5 孔道阻碍机理

有些金属离子吸附在微球的表面而不进入内部，由于表面的氨基部位优先与金属离子结合，其他的金属离子被阻挡而很难进入孔内与氨基结合。

4.2.6 磁性作用机理

磁性可促使壳聚糖在酸性溶液中保持稳定，同时还可以和磁分离技术结合使用，通过磁场的作用快速回收再生使用。

4.2.7 影响因子

（1）溶液pH值得影响

pH 是影响磁性壳聚糖水处理的最重要因数影响因素，pH 和吸附量的关系曲线一般为单峰形。造纸废水、含酚废水、食品废水的处理和废水中金属离子的去除适宜的 pH 值都小于7。

（2）反应时间的影响

随着反应时间的进行，磁性壳聚糖对污染物质的去除量逐渐增加，但是时间过长去除率和去除量都不再增加，即达到了饱和平衡状态。

（3）磁性壳聚糖用量与废水初始浓度之比的影响

壳聚糖用量的增加会影响其带的正电与溶液负电的静电作用，同时壳聚糖本身也是耗氧物质会影响去除率。

5 结语

壳聚糖作为无毒无害自然界含量高的可降解多糖，具有广泛的应用价值和开发潜力。其在许多其它方面已经取得相当大的进展，在水处理当中也有许多成果，对其开发利用的研究很有意义。