新型壳聚糖微球和纤维及其对重金属离子的吸附作用

 2022-01-17 11:01

论文总字数:22202字

目 录

1前言 1

1.1背景 1

1.2文献 2

1.2.1壳聚糖 2

1.2.2壳聚糖和脱乙酰壳多糖的来源 3

1.2.3壳聚糖的制备 3

1.2.4壳聚糖的物理,化学和生物特性 5

1.2.5壳聚糖的优势和环境应用 6

1.2.6壳聚糖的弱点 7

1.2.7改善壳聚糖稳定性的战略 8

1.3重金属 9

1.3.1有毒重金属离子的来源 9

1.4吸附法 13

1.5生物吸附剂 14

1.6目的 14

2.方法 14

2.1实验材料 14

2.2 实验步骤 14

2.3原子吸收光谱法 (AAS) 16

2.4扫描电子显微镜 (SEM) 17

2.5X射线衍射 17

2.6红外光谱法(FTIR) 17

3结果与讨论 17

3.1壳聚糖纤维的扫描电子显微镜的图像 17

3.2壳聚糖纤维的X射线衍射 18

3.3壳聚糖纤维的红外光谱 19

3.4 壳聚糖微球的扫描电子显微镜图 20

3.5壳聚糖微球和壳聚糖纤维的原子吸收光谱分析结果 21

3.5.1壳聚糖微球 21

3.5.2壳聚糖纤维 21

3.6关于处理重金属离子的方法 22

4结论 22

5.展望 23

6参考文献 23

7致谢...................................................26

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新型壳聚糖微球和纤维及其对重金属离子的吸附作用

王湛鑫

,China

Abstract:Throughout the years, intensive developments and researches have been done on chitosan with a major goal of commercializing chitosan into an alternative adsorbent to activated carbon. At the same time, the adsorbent has to be cost effective, available, environmentally friendly, and does not require high processing. Most importantly, it must be effective in removing heavy metal ions from the environment and from water bodies/ wastewater. It is evident that chitosan fulfills most of these requirements because of their specific characteristics and selectivity, versatility, environmentally friendly and biodegradability. Chitosan is an amazing material that has so many applications in several fields. Chitosan is biocompatible and biodegradable and as renewable source it is in abundance in nature. The task of producing the chitosan fibers and beads is not simple, natural polymers are hard to produce due to their high molecular weights and stiff back bone, in this study these obstacles were overcomed by the use of concentrated acetic acid as a solvent which reduced the surface tension. The high susceptibility of chitosan to environmental factors amp; processing conditions (such as heating or freezing) can impose stress on its structure and cause polymer degradation.

Key words: chitosan; absorption ; heavy metal ions; Adsorption efficiency

1前言

1.1背景

壳聚糖,是一种多功能的生物聚合物的衍生物,壳聚糖(chitosan)又称脱乙酰甲壳素,是由自然界中广泛存在的甲壳素(chitin)经过脱乙酰作用得到的,化学名称为聚葡萄糖胺(1-4)-2-氨基-B-D葡萄糖。目前甲壳素是广泛存在于自然界的一种含氮多糖类生物性高分子,主要的来源为虾、蟹、昆虫等甲壳类动物的外壳与软体动物的器官(例如乌贼的软骨),以及真菌类的细胞壁等。壳聚糖的化学名:β-(1-4)-2-氨基-2-脱氧-D-葡萄糖(图一)。壳聚糖的结构与纤维素非常相似,除了在纤维素的C2位置上的羟基被壳聚糖的氨基所取代。事实上,它是一种氨基葡萄糖和N-乙酰氨基葡萄糖单元的共聚物。壳聚糖具有许多有价值的内在性质,如抗菌、抗病毒、抗真菌、抗酸剂,无毒无害,可完全生物降解以及膜的形成,纤维的形成,和水凝胶的形成特性。由于这些性质,壳聚糖在许多领域如医疗、污水处理、化妆品、牙膏、食品、农业,纸浆和造纸,纺织等行业上都有应用前景。

近年来,越来越多的重金属对水体造成危害,因为这些重金属常年的累计,以及非降解性。目前已经有越来越多的社会的关注投向重金属对自然的污染,以及对人类的危害。这些污染的加剧往往是因为现代文明的发展,工业化的加速,特别是提高铅,镉,铜等工业,家庭和城市污水的过度排放[15]。这些行为导致了不同类型的污染,对生物体的健康造成危害。

目前重金属水污染是最严重的污染之一,因为,持续时间长(半衰期长),造成的危害严重,会导致污染生物链,还会增加患癌症的风险[14]

像铬,镉,铅,铜这些重金属等工业应用,包括金属冶炼,矿物矿石,电镀,造纸纸浆生产,皮革制革,冶金厂,颜料制造,木材加工和石油炼油工业应用,正因为这些应用比较广泛,所以它们也是进入环境最危险的有毒重金属。

工业废水的污染一直是一个全世界瞩目的话题,因为城市工厂所产生的废水,最终还是回到水域,或者地下。直接的排放毋庸置疑会产生污染,所以探究如何有效的,低成本的,处理这些污染备受讨论,为了除去水体中的有毒重金属,常见的化学方法有化学沉淀法、混凝法、离子交换法、溶剂萃取法和蒸发法等常规方法。重金属吸附剂,如传统的活性炭吸附已被广泛使用作为一种有效的吸附剂。然而,高成本的激活过程限制了其在废水处理中的应用。目前利用生物材料是一种新的方法,包括生物和非生物的微生物,在去除和回收工业废物有毒物质,在最近几年取得了良好的效果,因为这些材料的良好性能和低成本。金属元素生物化合物的天然亲和性有助于金属负载废水的净化。

目前研究表明壳聚糖是一种低成本的吸附剂,这是一种经济有效的改善水环境和环境的方法。壳聚糖是一种天然的多功能聚合物,由于其独特性和多功能的生物特性被认为是一种有用的化合物,在去除重金属的水系统。

这种生物吸附剂得到了广泛的关注,因为成本低,而且非常的环保。

1.2文献

1.2.1壳聚糖

壳聚糖具有有效效的生物吸附性从而获得了特别多的关注,相比活性炭来说它的成本较低,展示了在各种污染环境有较高的吸附能力。这些天然的生物材料,是一个非常有吸引力的替代材料,因为它的物理特性,化学稳定性,反应活性较高,与污染物以及重金属离子可以发生良好的络合反应。壳聚糖和纤维素的结构相似,是一种含氮的天然改性多糖。它是由自然界中广泛存在的甲壳素经过脱N-乙酰基得到的(N-乙酰-D-葡萄糖胺的聚糖)。这些官能团形成共价β-1,4键(类似于形成纤维素)(图1)。因此,甲壳素看成是纤维大分子种第2碳原子上的羟基被乙酰氨基或氨基取代的产物。甲壳素是自然界中天然的带正电子的高分子聚合物,结构看起来像“钩子” (氧原子将每个碳原子的糖环连接到下一个糖环上)图1这些“钩子”可以对有机材料,就像油,洗涤剂和其他悬浮在水中的污染物形成吸附。每个氨基葡萄糖官能团有一个自由的氨基可以再水中电离形成-NH3 。虽然甲壳素的酰胺基也有一对孤对电子,但壳聚糖的活性比甲壳素更强[2]

图1甲壳素,壳聚糖化学结构与纤维素

甲壳素,纤维素等多糖(图1)都是线性的,聚-β-(1,4)-乙酰氨基-D-葡萄糖[27]。甲壳素是一种自然界中的有序的结晶微纤维[16]。它有三种多晶形式存在:α-甲壳素β-甲壳素,和γ-甲壳素. α-甲壳素是这三种结晶中最稳定的反向糖链,其他两种是同向的。α-甲壳素通常与矿物质沉积在一起,形成坚硬的外壳,节肢动物如虾、蟹的外壳中含有很多的碳酸钙,所以这些壳中主要是α-甲壳素,它同样也出现在海绵中。这种α形态的物质是自然界中存在最多最丰富的形式。β-甲壳素没有α-甲壳素稳定。形态的是平链形式的。它主要存在硅藻,鱿鱼一些海洋生物中[12]。最不好常见的形式是γ- 甲壳素,它是一种混合形式,即,α和β结构的组合。我们已经在乌贼的肚字,还有甲虫的茧里面发现。[4]amp;[23]

1.2.2壳聚糖和脱乙酰壳多糖的来源

壳聚糖主要是从虾或者蟹的壳提取出来的[26]。而最近在少量实用菌菇中也可以发现提取[26]。粉末形态的甲壳素主要是从鱼产业中的废料中得到的。壳聚糖是从甲壳素脱乙酰化的产物,可溶于酸性介质并且可以产生独特的聚阳离子结构,壳聚糖在处理含重金属离子的污水中有重要的作用。

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