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    改性殼聚糖處理重金屬電鍍廢水研究現狀

    放大字體??縮小字體 發布日期:2015-06-01??來源:常治輝??瀏覽次數:5954 ??關注:加關注
    核心提示:殼聚糖[聚葡萄糖胺(1-4)-2-氨基-B-D葡萄糖]最早由法國人Rouget于1859年制得,是目前發現的唯一一種天然堿性多糖,被廣泛應用于食

    殼聚糖[聚葡萄糖胺(1-4)-2-氨基-B-D葡萄糖]最早由法國人Rouget于1859年制得,是目前發現的唯一一種天然堿性多糖,被廣泛應用于食品、醫藥等諸多行業中。1977年日本首先將殼聚糖用于廢水處理,隨后殼聚糖及其衍生物在水處理工程中的應用日益引起人們的重視,被認為是“綠色的水處理劑”。因殼聚糖及其改性物分子中含有大量的羥基和氨基,對金屬離子具有很強的螯合作用,可以用于回收重金屬和處理含重金屬離子的工業廢水。近年,殼聚糖及其改性物處理電鍍廢水逐漸引起一些學者的注意,并在一些電鍍生產廢水處理中得到應用。但是殼聚糖雖然本身具有吸附性能,但可溶于稀的鹽酸、硝酸等無機酸和大多數有機酸,存在pH適應范圍窄、對低濃度金屬離子吸附性差、吸附選擇性差、吸附平衡時間較長的缺點。因此在使用殼聚糖對電鍍廢水進行處理時,一般都對殼聚糖進行改性,提高殼聚糖的吸附性能。殼聚糖的改性方法分為物理改性方法和化學改性方法。物理改性方法一般是將殼聚糖及其衍生物制成微粒結構或者與其他多孔無機物混合,通過提高吸附材料的比表面積的方法提高其吸附性能?;瘜W改性方法是指采用交聯、接枝反應對殼聚糖進行改性。

    1·改性殼聚糖在重金屬廢水處理中的應用

    1.1 化學改性

    1.1.1 交聯改性殼聚糖處理重金屬廢水

    交聯改性使直鏈的殼聚糖分子形成網狀結構,可有效提高殼聚糖的穩定性。另外交聯改性可以提高殼聚糖的吸附選擇性。但是由于交聯改性使殼聚糖分子中的氨基數量減少,將可能降低殼聚糖的吸附容量。受重金屬離子性質及交聯劑的影響,交聯殼聚糖對重金屬的吸附能力不一定高于殼聚糖,因此要實現較好的吸附效果需要選擇合適的交聯劑。常用交聯劑有環氧氯丙烷、戊二醛、乙二醛和甲醛等;交聯方法有直接法和模板法。

    近年來模板合成法成為制備具有一定“記憶”功能高分子吸附螯合樹脂的一種新方法,因其分子內保留有恰好能容納模板離子的“空穴”,從而對模板離子有較強的識別能力(即“記憶”能力)。黃曉佳等發現以鋅離子為模板合成戊二醛交聯殼聚糖樹脂不僅對Zn2+[ρ(Zn2+)為1g/L]具有較強的“記憶”能力,且對相同質量濃度的Cd2+、Hg2+也有較高吸附量,并且在酸性下條件再生不會發生軟化和溶解,具有良好的再生性能。孫勝玲等研究了以銅鹽[CuSO4·5H2O、Cu(Ac)2·H2O、Cu(NO3)2·6H2O、CuCl2·2H2O]為模板合成的戊二醛交聯樹脂對金屬離子的吸附性能,結果發現各銅鹽模板交聯CTS(殼聚糖)對Cu2+、Co2+、Ni2+和Zn2+硫酸鹽的吸附量均按Co2+

    韓德艷等研究了交聯殼聚糖磁性微球,該磁性微球對Pb2+和Cu2+的吸附量分別為72.0mg/g和48.3mg/g,磁性微球具有不易流失,易再生的特點。李繼平等用高脫乙酰度的殼聚糖包埋自制的磁流體,并用戊二醛交聯制成對稀土離子(La3+,Nd3+,Eu3+,Lu3+)具有良好吸附效果的磁性殼聚糖(MCG),最高吸附率可達99%以上,并具有良好的重復使用性;其吸附行為滿足Langmuir等溫式。

    周利民等也深入研究了磁性殼聚糖微球及其改性物對重金屬的吸附。利用反相懸浮分散法和聚乙二胺改性制備的Fe3O4/殼聚糖磁性微球(PEMCS),當氨基含量6.47mmol/g、pH<3時可選擇性分離Hg2+和UO22+(鈾酰離子),對Hg2+以離子交換機理吸附。對Hg2+與UO22+的飽和吸附容量分別為2.19和1.38mmol/g。UO22+和Hg2+可用1mol/LH2SO4脫附,UO22+還可用2mol/LHCl脫附,脫附率>90%。同時研究了乙二胺改性殼聚糖磁性微球(EMCS)對水溶液中Hg2+和UO22+的吸附性能。吸附容量隨pH升高而增加;其吸附等溫線用Langmuir方程擬合,飽和吸附容量分別為2.27和1.90mmol/g,高于磁性殼聚糖微球MCS和殼聚糖微球CS;其吸附動力學可用Lagergren方程擬合,對Hg2+和UO22+的吸附速率常數分別為0.036和0.026/min;EMCS可用1mol/LH2SO4再生,脫附率大于90%,有良好的重復使用性。同時該研究組對硫脲改性的殼聚糖基磁性微球(TMCS)對Au3+和Ag+的吸附平衡、動力學、吸附熱力學、穿透曲線進行了研究。

    WanNgah等以不同的交聯劑戊二醛(GLA)、環氧氯丙烷(ECH)和乙烯基乙二醇二環氧甘油醚(EGDE)使殼聚糖交聯,討論了pH、攪拌速度和Cu2+離子濃度對吸附的影響。發現pH為6時最有利于Cu2+離子的吸附,其吸附等溫線符合Langmuir方程。殼聚糖、殼聚糖-GLA、殼聚糖-ECH、殼聚糖-EGDE對Cu2+離子的飽和吸附量分別為80.71、59.67、62.47和45.94mg/g,吸附后用EDTA處理,Cu2+可被很快地從交聯殼聚糖上洗脫下來,交聯殼聚糖可再被用于重金屬離子的吸附。Yoshiaki Shimizu等研究了EDTA交聯殼聚糖對金屬離子的吸附性能。結果表明,pH為6時,交聯殼聚糖對Cu2+有選擇性吸附,吸附能力隨溶液pH的下降而顯著降低;EDTA殘余量的增加能加強交聯殼聚糖對金屬離子,尤其是Ca2+的吸附。盡管價格比市售螯合樹脂高,但其吸附金屬離子的性能優于螯合樹脂,且對金屬離子的解吸pH范圍廣,為4~6。

    R-S.Juang等也研究了戊二醛交聯殼聚糖對Cu2+、Ni2+和Zn2+離子的單組分、二組分及三組分硝酸鹽溶液的吸附。所用的交聯殼聚糖顆粒的平均粒子直徑為2mm,孔體積為0.06cm3/g,BET表面積為60m2/g。研究表明,pH為2~5范圍內,金屬離子的吸附量隨著pH的升高而增大。在Cu2+存在時,在二元和三元體系中競爭吸附非常明顯,對Cu-Ni和Cu-Zn二元體系,pH分別為5.1~5.3和4.5~4.9時對Cu2+的選擇性系數達最大,這種交聯殼聚糖可以從多組分溶液中選擇吸附Cu2+。

    1.1.2 接枝改性殼聚糖處理重金屬廢水

    接枝改性是將不同功能的基團(如羧基、氨基或含硫基團)接枝到殼聚糖或交聯殼聚糖分子中,達到增加殼聚糖的吸附位點數量,拓寬殼pH適用范圍,提高吸附選擇性的目的。常用的接枝劑有冠醚和環糊精。

    譚淑英等將二苯并16-冠-5氯代乙酸酯冠醚分別接枝到西佛堿型殼聚糖冠醚CT-15C和CT-18C上,制備了1,4-殼聚糖雙冠醚CT-15CAC和CT-18CAC,并利用CT-15C、CT-18C、1,4-殼聚糖雙冠醚CT-15CAC、1,4-殼聚糖雙冠醚CT-18CAC吸附Pd2+、Ag+、Pt4+、Au3+、Cu2+和Hg2+,研究發現四種吸附劑對重金屬離子Pd2+、Ag+、Pt4+、Au3+、Cu2+和Hg2+均有較好的吸附性能,且1,4-殼聚糖雙冠醚CT-15CAC、1,4-殼聚糖雙冠醚CT-18CAC較CT-15C和CT-18C的吸附選擇性更好。在Pd2+、Cu2+和Hg2+共存體系中,對Pd2+具有明顯的吸附選擇性。王錦濤等利用NaBH4還原微波輻射法合成的香草醛接枝殼聚糖,并在25℃下將該改性殼聚糖用于Ni2+、Mn2+和Cr6+的吸附,結果發現該改性殼聚糖對Ni2+、Mn2+和Cr6+具有良好的吸附性能,吸附量分別可達116.23、63.83、47.27mg/g,改性殼聚糖對Ni2+、Cr6+吸附的最佳pH為3,對Mn2+最佳pH為4。Wang等用內消旋的環二胺冠醚作為接枝試劑合成了新型接枝的殼聚糖-冠醚。殼聚糖中的環二胺基團通過苯甲醛與殼聚糖反應形成N-苯亞甲基殼聚糖(CTB)保護起來。內消旋的環二胺冠醚與環氧丙烷反應生成內消旋環二胺—N-苯亞甲基殼聚糖(CTAB),在稀的乙醇酸溶液中除去Schiff堿從而得到殼聚糖-冠醚(CTDA)。實驗表明,接枝的殼聚糖-冠醚在Pb2+、Cu2+和Cd2+離子存在時,對Cu2+有很好的選擇吸附性,其選擇吸附性要優于殼聚糖。

    Ramesh等用甘氨酸對EGDE交聯殼聚糖進行接枝改性,得到產物交聯殼聚糖樹脂(GMC-CR)。在pH為1~4時,GMCCR對Au3+、Pt4+、Pd2+都有較好的吸附效果。Nalini等發現接枝的殼聚糖微球(CMCB)和殼聚糖片(CMCF)對Cr6+的吸附容量大幅增加,且都能夠在高電解質濃度下保持對Cr6+的高吸附能力。Vandana Singh等在微波照射的情況下用聚丙烯酰胺接枝殼聚糖,所得的接枝共聚物對Zn2+具有更高的吸附性能。

    1.2 物理改性

    殼聚糖或其衍生物通過和一些本身具有較好吸附性能的無機物質如黏土、硅酸鹽等經過物理方法的處理得到具有良好吸附性能的有機-無機復合材料,它同時具備無機材料和有機材料的優點,目前在重金屬吸附方面也有了一定的應用。

    殷竟洲等通過將殼聚糖負載到凹凸棒土上使其對Cd2+的吸附率由55%增加到了91%。卜洪忠等研究了殼聚糖、凹凸棒土及殼聚糖與凹凸棒土混合使用對Cu2+、Pb2+、Cd2+和Zn2+等離子的吸附作用作了初步的研究,實驗發現殼聚糖活化凹凸棒土對具有較好的吸附效果,且適用的pH范圍比殼聚糖所適用的范圍更寬,吸附平衡時間更短,吸附能力更高,它們最佳吸附pH為9。G.J.Copello等以硅酸鹽和殼聚糖制成層層自組裝的復合物吸附劑,用于Cd2+、Cr3+和Cr6+的吸附,研究結果顯示:殼聚糖在硅酸鹽層間的固定并不會使殼聚糖吸附能力下降;由于有硅酸鹽層作為載體,殼聚糖吸附劑在吸附重金屬之后可以輕易地取出,回收方法極為方便。

    2·改性殼聚糖在電鍍廢水處理中的應用

    殼聚糖中含有酞胺基(-NHCO-)、胺基(-NH2)和羥基(-OH),對金屬離子有較強的吸附性,但是它們對各種金屬離子的吸附機理卻是不同,這一特點導致殼聚糖對不同金屬離子吸附能力不同,可以根據這一特點人為的引入一些官能團來選擇吸附或分離金屬離子。在研究殼聚糖及其改性物對單組分金屬離子吸附性能深入研究的基礎上,一些學者開始嘗試將改性殼聚糖用于電鍍廢水的處理中,目前也已取得一定的成效。

    羅道成等利用香草醛改性殼聚糖(VCG)處理湘潭某電鍍廠含鎳電鍍廢水,對ρ(Ni2+)為28.71mg/L,pH為6.5的電鍍廢水,在實驗條件下,VCG的用量為0.8%,廢水溶液達到國家排放標準[ρ(Ni2+)<2mg/L]。同時他們還研究了VCG對模擬電鍍廢水處理的影響因素、各金屬離子的吸附性能進行了研究,研究發現,在pH=4,θ吸附為25℃時,震蕩吸附t為2h,對1g/L的Pb2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+和Ni2+溶液的重金屬飽和吸附量:Pb2+為127.3mg/g、Zn2+為95.6mg/g、Ni2+為79.4mg/g、Cu2+為71.8mg/g、Cd2+為55.7mg/g。pH<4時VCG對重金屬離子的吸附量較小,不利于吸附;pH≥4的弱酸性至中性溶液中,VCG對重金屬離子的吸附量大大增加,有利于吸附。

    黃增尉等利用交聯殼聚糖(CCTS)對南寧某電鍍廠ρ(Cr6+)為108mg/L的廢水進行處理,實驗發現CCTS對Cr6+具有良好的吸附特性,在pH=3,θ為25℃,t吸附為80min,CCTS用量為1g時,含鉻電鍍廢水鉻的去除率可達96%。在NaOH溶液濃度為1mol/L、體積為5mL時,Cr6+可以從CCTS上定量解吸下來,脫附率達到98%。將洗脫后的CCTS用蒸餾水洗至中性,烘干后可再使用。這說明CCTS具有良好的再生價值,在分離、分析與水處理方面有良好的應用前景。

    代淑娟等使用殼聚糖吸附電鍍廢水中的鎘,當電鍍廢水中ρ(Cd2+)為26mg/L,在實驗條件下(pH=5.5、θ為25℃、t吸附為10min)添加3.3g/L殼聚糖即可使鎘的去除率達到96%以上,對鎘的吸附主要是化學絡合作用,起到化學絡合作用的主要基團是—NH2、—C==O-、—C==O-NH-、—CH3和—OH。劉存海等利用殼聚糖接枝丙烯酰胺共聚物(CAM)處理中國人民解放軍五七零二廠總鉻為10.054g/L的電鍍廢水,試驗確定CAM的最佳用量為2mg/L,pH=7.8時,攪拌速度為200r/min,t攪拌為3min,t沉降為4h,鉻的除去率達到94%。

    3·改性殼聚糖處理電鍍廢水的發展趨勢展望

    殼聚糖資源豐富,易于改性,可針對電鍍廢水所含金屬離子的不同制備吸附容量大、吸附速度快、易洗脫的殼聚糖改性物,不僅具有良好的環境效益,同時可提高金屬的回收利用,具有良好的經濟效益。殼聚糖及其改性物目前在生產中的應用很廣泛,但是由于改性殼聚糖種類不同、改性方法不同、吸附的金屬離子不同等方面的因素,至今對其吸附機理方面的研究尚有欠缺,因此在深入研究不同改性殼聚糖吸附機理、吸附平衡及吸附控制的基礎上,開發對特定金屬離子具有高效吸附性能的改性殼聚糖具有十分重要的意義。另外需要積極探索新的殼聚糖改性方法,將新的材料制備方法及工藝應用于殼聚糖的改性。加大殼聚糖-無機吸附劑中新型無機材料的研究,利用印跡技術增加改性殼聚糖對金屬離子的吸附選擇性,深入研究殼聚糖微球、殼聚糖膜的研究。殼聚糖及其衍生物與金屬離子配位研究是多學科交叉研究的產物,今后可以綜合不同學科的基礎理論和工藝技術,開拓新的研究方法和處理工藝,制得性能優良的改性殼聚糖,加強與其他技術的復合使用,改性殼聚糖在電鍍廢水處理中的應用可望成為一種綠色化處理技術。

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