壳聚糖絮凝剂的特性及其应用研究进展

Posted 2023-01-12 絮凝

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壳聚糖因其无毒无害、来源广泛、环境友好等特点，近年来被广泛应用于污水处理研究中。本文介绍了壳聚糖及其衍生物作为水处理絮凝剂的优势，总结了其在饮用水、印染废水、食品废水、重金属废水和造纸废水中的应用和研究现状。
随着科学技术的进步和工业的发展，严重的环境问题已经成了地球的毒瘤，种类繁多的工业废水对水体的污染日趋严重，威胁人类的健康和安全。絮凝法是处理工业废水的有效手段，传统的絮凝剂有PAC、PAM、PFS、PSAA等，但几乎都存在工艺复杂、用药剂量大、处理成本高、有残留等缺点。因此，当前的研究热点就是开发絮凝作用强、价廉无毒、无二次污染的絮凝剂。
壳聚糖是一种白色、略带珍珠光泽、半透明的片状或粉状固体，无臭无毒。它是甲壳素脱去55%以上N-乙酰基后的产物，相对分子质量从数十万至数百万不等。其结构式见图1。

近年来，壳聚糖在水处理方面的应用也已逐渐普及。作为一种新型天然高分子絮凝剂，壳聚糖具有其它人工合成絮凝剂无法比拟的无毒无害、来源广泛、环境友好等特点。本文将介绍壳聚糖絮凝剂的特性，以及其在生产和生活中的应用。
1.壳聚糖絮凝剂的特性
壳聚糖分子中有活泼的羟基和氨基，具有较强的化学反应能力。在特定条件下，壳聚糖能发生水解、烷基化、硝化、氧化、还原、缩合等化学反应，生成各种具有不同性能的壳聚糖衍生物。
壳聚糖是自然界存在的惟一碱性多糖，能与许多过渡金属离子形成稳定的螯合物，用于净化生活用水、治理重金属废水及在湿法冶金中分离金属离子等[4-5]。在稀溶液中，壳聚糖分子中的游离氨基质子化，使其表面带正电，与水中带负电荷的胶体微粒相互吸引，降低表面Zeta电位，胶体脱稳而产生絮凝沉淀。絮凝分子借助离子键、氢键可以同时结合多个颗粒分子，从而起到“中间桥梁"的作用，并把这些颗粒联结在一起从而使之形成网状结构而沉淀下来。
2.壳聚糖絮凝剂的应用
2.1壳聚糖絮凝剂在饮用水处理中的应用
水是生命之源，健康之本。通常水源水中主要污染物有颗粒物、颜色、铁镁离子、有毒有机物及水中滋生的病原体等。絮凝处理是净化水质的常用手段和方法，目前常用的传统絮凝剂是聚合三氯化铝(PAC)和聚丙烯酰胺(PAM)。但两者在水处理过程中均易产生二次污染，PAC水解后产生的铝离子通过饮用水进入人体会导致贫血、脱发和大脑痴呆等多种疾病，PAM水解后产生的丙烯酸和有机胺等有机污染物同样危害人体健康。
壳聚糖具有独特的分子结构，可以去除水中的气味、悬浮物、重金属离子，减少消毒副产物的产生，抑制水中微生物的繁殖和生长，有效降低水中的COD含量。徐廷国指出壳聚糖对饮用水中的亚硝酸盐的平均去除率为29.8%；活性炭和壳聚糖以质量比1∶1混合后对亚硝酸盐的平均去除率大大增加，高达54.5%，并能使亚硝酸盐氮的质量浓度保持在0.006mg/L以下。FabrisR曾指出人体吸入较多量的铝盐将会产生Alzheimer的疾病，为此人们寻找其它的絮凝剂来替代这些原来使用的含铝絮凝剂。孙钦荣等用由壳聚糖改性得到的羧甲基壳聚糖絮凝剂处理饮用水，当羧甲基壳聚糖用量为0.1g，溶液水样pH为7.0，振荡20min时，对水中铝离子的去除率可达到95%以上，水溶液中铝离子的浓度降至0.05mg/L以下，完全符合国家对生活饮用水中铝离子浓度的标准。
2.2壳聚糖絮凝剂在工业废水处理中的应用
2.2.1处理印染废水
印染废水中含有大量染料、助剂、酸碱、纤维杂质、无机盐等多种难处理物质。壳聚糖分子中含有大量氨基和羟基，通过氢键、静电引力、疏水交互作用对染料进行吸附。
胡巧开通过360W微波对比值为1∶100的阳离子醚化剂和壳聚糖辐射4min，制备改性壳聚糖，得到对印染废水絮凝实验的最佳条件：改性壳聚糖絮凝剂用量为2g/L、pH值为6、振荡速度为200r/min、反应时间为45min。在此条件下，脱色率达98%以上，有效地降低了处理成本。刘桂萍、周芝兰等从吸附剂浓度、粒径、温度、pH值等方面研究了壳聚糖对直接染料的脱色效果，研究表明的脱乙酰度越高、壳聚糖的粒径越小，其吸附能力越强。
2.2.2处理食品工业废水
食品工业废水主要含有大量蛋白质、脂肪酸等有用物质。壳聚糖是自然界唯一带正电荷的高分子聚合物，可与蛋白质、氨基酸、脂肪酸等以氢键结合而形成复合物，从而分离回收蛋白质等有用物质。
郝月研究了壳聚糖对高浓度味精废水的絮凝效果。研究表明，当pH值为5.3，搅拌时间为10min，壳聚糖浓度为2700mg/L，沉降时间为48h时，絮凝效果最佳，COD去除率达76.0%。黄慧用壳聚糖作为絮凝剂对粉丝废水进行了絮凝处理，结果发现在pH为6.5～8.5时，壳聚糖絮凝效果好，COD除去率为86%，蛋白质回收率为81%，而且絮凝沉降速度快，煮沸废水更有利于沉降。
2.2.3处理水中重金属离子
在电镀、冶金、制革等行业中，每年都会产生大量含重金属离子的废水。壳聚糖分子单体中的胺基极易形成胺正离子，对铜、镉、汞、锌、铬等重金属离子有良好的螯合作用。
罗道成为除去电镀废水的金属离子，利用壳聚糖与香草醛反应制备出更为高效的天然高分子吸附剂———改性壳聚(VCG)。结果表明，VCG能与Pb2+、Cu2+、Cd2+、Zn2+、Ni2+等重金属离子发生络合反应，有较好的吸附作用。姚瑞华等采用交联、交联模板、羧甲基化、Schiff碱化等方法对壳聚糖进行改性，研究其对重金属离子吸附作用，发现改性后的壳聚糖具有吸附容量大、吸附速度快、易洗脱、可重复利用等优点，进一步拓宽了壳聚糖絮凝剂在吸附重金属离子中的应用。
2.2.4处理造纸废水
造纸废水中含有木质素、纤维素、挥发性有机酸等，不仅SS含量高、色度大，而且含有大量成分复杂的物质。壳聚糖用于造纸工业废水的处理在国内外均有研究。
程建华研究表明，用壳聚糖絮凝剂处理造纸工业废水时，浊度去除率大于90%，COD去除率达到52%。曾德芳通过用改性蒙脱石———絮凝剂MM-CTS新型处理造纸废水发现，当MM-CTS的加入0.10mg/L、pH=8.0、沉降时间为15min时，絮凝效果最佳，对造纸废水的COD去除率达66.35%，药剂成本下降11.1%，具有明显的经济与环境效益。
2.3壳聚糖絮凝剂在其他方面的应用
壳聚糖絮凝剂在城市生活污水处理方面也有所应用，在食品中作抗菌剂、抗氧化剂、果汁的澄清剂，在医药中作止血剂、降胆固醇剂，渗透到了生产和生活中的方方面面，应用十分广泛。
3.结论
壳聚糖的资源十分丰富，且壳聚糖及其衍生物具有良好的生物可降解性和对环境无毒性，是一种理想的绿色絮凝剂。从目前国内外的研究和应用来看，单一壳聚糖的絮凝效果相对较弱，若对其进行改性或与其他化学试剂复配，絮凝效果将大大提升。因此，研究成本低、效果好的新型壳聚糖絮凝剂具有十分重要的现实意义。