壳聚糖磁性微球的制备及在水处理中的应用_杨琥

中国科学B辑:化学2008年第38卷第9期::755~761www.scichina.comchem.scichina.com755《中国科学》杂志社SCIENCEINCHINAPRESS壳聚糖磁性微球的制备及在水处理中的应用杨琥①*,袁博①,卢耀柏①,程镕时①②①南京大学化学化工学院教育部介观化学重点实验室高分子科学与工程系,南京210093;②华南理工大学材料学院高分子研究所,广州510640*联系人,E-mail:yanghu@nju.edu.cn收稿日期：2008-04-07;接受日期：2008-05-22国家自然科学重点基金资助(批准号:50633030)摘要系统介绍了壳聚糖磁性微球的一般实验室制备方法,并对其在当前水处理领域中,针对不同受污水体(如：含金属离子污水、染料污水等)的应用进行分类综述,并探讨其作用机理.关键词壳聚糖磁性微球制备水处理水是人类生存最基本的需求,然而随着工业的迅猛发展,水体污染问题日益突出,同时,人们物质生活水平的不断提高对水质也提出了更高的要求.就目前的水体污染特点看,水体中可溶性有机物质及非生物降解化合物等逐年增多,但目前常规水处理手段对这一类污染物的去除效果并不显著,同时现行的许多水处理药剂还可能产生对环境有害的二次污染物质,这无疑对环境保护以及可持续发展等带来不利影响.因此寻求兼有高效、环保、经济且无二次污染的水处理技术是当前水处理领域的研究热点和前沿课题[1,2].近年来,人们开始尝试采用诸如高级氧化技术、膜技术和纳米技术等先进手段处理水体中的污染物,并取得了一定的成功[1].其中在纳米吸附技术的实际应用中,如何选择合适的吸附材料无疑至关重要.天然高分子是自然界中动、植物以及微生物资源中的大分子,它们在被废弃后很容易分解成水、二氧化碳等,且来源广、无毒害,是环境友好材料.此外,更为值得一提的是,天然高分子材料是完全脱离石油资源的一类可再生资源,可以说是取之不尽用之不竭.正是由于天然高分子材料具有上述的优异性能,其目前在生物、医药及食品加工等诸多领域中已有着广泛的应用[3~7].在水处理领域中,由于天然高分子分子链上分布着大量的游离羟基、胺基等活性基团,具有絮凝作用,已被视为可作为现行使用的水处理剂的最佳替代材料之一[8,9].其中壳聚糖是性能最为优异的天然高分子材料之一.壳聚糖前体甲壳素广泛存在于虾蟹等甲壳动物及昆虫、藻类中,是世界上仅次于纤维素的第二大类天然高分子化合物.壳聚糖是甲壳素脱乙酰基产物,分子链中含有反应性基团—NH2,—OH,在酸性溶液中会形成阳离子聚电解质,显示出良好的絮凝性能.此外,壳聚糖还具有良好的络合作用,使得其能与水中的过渡金属离子、腐殖酸类物质及表面活性剂等产生络合作用,并能实现对水溶性有机污染物的脱除.这样壳聚糖就兼有絮凝、金属离子吸附及水溶性有机物脱除等综合性能[8,9].无疑开发以壳聚糖为基材的水处理剂是当前水处理领域发展的重要方向之一.但是壳聚糖在实际应用中也存在着不足之处,特别是对污染物经吸附脱除后,有时很难有效快速地从水体中分离.寻找一种简便快捷的分离方法,无杨琥等:壳聚糖磁性微球的制备及在水处理中的应用756疑对推进壳聚糖在水处理中的深入应用极具意义.近年来,磁分离技术已被应用到水处理行业中,它是借助磁场力的作用,对不同磁性的物质进行分离的一种技术[1].由于磁性物质在磁场中所受到的磁力比重力要大很多倍,因此具有处理量大、液固分离效率高且占地面积小等优点.但是绝大多数的化合物包括壳聚糖并没有磁性,如果要想通过磁分离技术进行处理,必须使得其具有磁性.而通常采用的方法是通过将这类不具有磁性的化合物与磁性物质(如：Fe,Fe3O4等)有机结合,形成以磁性物质为核,非磁性材料为壳的所谓核壳微球结构[10,11],从而实现对材料的磁性化,进而可采用磁分离技术达到快速分离的目的.图1是壳聚糖-Fe3O4磁性微球的电子显微镜照片.将壳聚糖和磁性物质结合制备成磁性微球,除了保留了壳聚糖本身具有的吸附、络合等功能外,还使得兼有易于分离的优点;此外,壳聚糖磁性微球在一定条件下还可再生并能回收再利用,无疑这将使得其在水处理行业中更具实用前景.但是就壳聚糖磁性微球的研究,此前人们大多考虑其在医药及生物等领域的应用[12~15],在水处理中应用的报道还不多,本文就壳聚糖磁性微球的一般制备方法及在当前水处理领域中,针对不同受污水体(如：含金属离子污水、染料污水等)的应用进行分类综述,并讨论其作用机理.图1壳聚糖壳聚糖-Fe3O4磁性微球扫描电子显微镜图磁性微球扫描电子显微镜图1)1壳聚糖磁性微球的制备壳聚糖是一种天然有机高分子,与无机磁性颗粒的亲和性并不好,如何将磁性颗粒均匀地分散在高分子材料中是成功制备高分子磁性微球的关键.此外,壳聚糖是从天然产物中直接提取加工而成的