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壳聚糖应用于水处理的化学基础 摘要：壳聚糖在污水处理中可用作絮凝剂、吸附剂和重金属离子螯合剂。该文详细介绍了壳聚糖与污水中的几种主要污染物水溶性染料、蛋白质、微生物和重金属离子相互作用的机理，着重讨论了影响壳聚糖吸附絮凝重金属离子的主要因素。 关键词：壳聚糖；吸附；絮凝；水处理；机理 壳聚糖（chitosan）是甲壳素（chitin）的脱乙酰化产物，化学名为（1，4）-2-氨基-2-脱氧-β-D-葡萄糖。壳聚糖具有优良的 生物相容性和生物可降解性，在医药、化工、食品、环保等方面具有许多应用价值。在水处理方面，壳聚糖可用作吸附剂、絮凝剂、重金属离子螯合剂等。其最大优点是不会产生二次污染，目前最大用量是作为无毒的阳离子絮凝剂处理有机废水和螯合废水中的有毒金属离子。 1 壳聚糖对有机物的作用 壳聚糖是直链型的高分子聚合物，由于分子中存在游离氨基，在稀酸溶液中被质子化，从而使壳聚糖分子链上带上大量正电荷，成为一种典型的阳离子絮凝剂。 壳聚糖作为絮凝剂，其絮凝机理主要是：①桥联作用：絮凝分子借助离子键、氢键同时 结合了多个颗粒分子，因而起到“中间桥梁”的作用，把这些颗粒联结在一起从而使之形成网状结构沉淀下来；②电中和作用：水中的胶粒一般带负电荷，当带有正电荷的链状生物大分子絮凝剂靠近胶粒时，中和其表面上的部分电荷，使胶粒脱稳，相互之间发生碰撞而沉淀；③基团反应：絮凝剂大分子中的某些活性基团与被絮凝物质相应的基团发生化学反应，聚集成大分子而沉淀下来。壳聚糖作为絮凝剂与其他合成高分子絮凝剂相比，更易被环境中的微生物降解，不会产生二次污染。 壳聚糖含有大量的羟基和氨基，可与其他有机分子，如蛋白质、氨基酸、核酸、酚类化合物、醌类化合物、脂肪酸等形成氢键、共价键或配位键而牢固结合。壳聚糖对有机物的吸附有物理吸附、化学吸附和离子交换吸附。化学吸附是单层吸附，有选择性。物理吸附是通过静电引力、疏水交互作用、范德华力等的吸附，是多层吸附。甲壳素和壳聚糖在溶液中与废水中的离子进行离子交换反应是离子交换吸附，为等当量交换吸附。 1.1对各种染料的吸附 G.Mckay对壳聚糖吸附染料性能作过详细的研究，并对其吸附染料的机理做了系统的分析。其研究表明：壳聚糖对染料的吸附平衡等温线不是单一的Langmuir和Freundlich等温线，它更符合Langmuir和Freundlich等温线的复合型式，称之为 General等温线。壳聚糖对染料的吸附过程可分为下列5步： （1）由搅拌设备产生的混合过程； （2）染料从液相到壳聚糖颗粒外表面的质量转移； （3）在相的边界层内的反应； （4）在颗粒内孔洞中的质量转移； （5）在吸附状态下的扩散，即颗粒内部扩散。 Wu等认为，颗粒间的扩散是一种重要的吸附机制。通常根据体系的不同情况，吸附有效速率由上述5步中的一步 或几步决定。譬如在系统中总的溶质浓度很高时，质量转移速率由第（5）步控制，而当系统中液相浓度较低时，则由第（1）（2）（3）步控制，即所谓的液相质量转移过程控制，通常是以过程中较慢的那一步为控制步骤。 壳聚糖对酸性染料、活性染料、媒染料、直接染料都具有一定的吸附性。与甲壳素相比，壳聚糖具有大量的游离氨基，因此对酸性染料、活性染料的吸附效果优于甲壳素。Shimizu等的研究发现壳聚糖（脱乙酰度为60%）对酸性染料ChromeVio－ let的吸附量是甲壳素的8倍。这是因为染料分子结构中羟基 上的氧原子与壳聚糖中氨基（包括酰胺基）上的氢形成了更多 的氢键，从而使两者的吸附量不同。壳聚糖对碱性染料的吸附效果较差，这是由于壳聚糖与碱性染料之间不能生成氢键，亦无离子交换吸附之故。 染料废水一般为带电荷的胶体溶液，根据胶体化学原理，胶体的稳定性大小与胶体颗粒的ζ电位有关，而胶体颗粒的ζ电位随溶液的pH值改变而有不同值，因此溶液的pH值会对胶体颗粒的絮凝产生直接的影响。在酸性条件下，壳聚糖对染料的吸附机制是化学吸附，壳聚糖分子链上的-NH2，在酸性溶液中被质子化形成-NH3+，该官能团与活性染料阴离子间 有很强静电相互作用；在碱性条件下，化学吸附与物理吸附都存在，-OH成为主要的活性基团，染料分子同时可以通过范德华力、氢键等与壳聚糖发生吸附形成沉降。 水溶性壳聚糖pH在3~6时色度去除率较好，对印染废水的处理在偏酸性条件下有利，主要是因为水溶性壳聚糖属阳离子型絮凝剂，有利于吸附阴离子染料。 Brent Smith等对壳聚糖吸附多种染料进行了测试，试图了解染料的化学官能团和染料分子量对吸着的相关性。测试结果表明：分子量增加时，吸着能力显著下降，而分子结构对吸着作用的影响，由于测试染料数目有限且分子量的影响占优势，而未能得到一般性的结论。染料的化学结构也会影响壳聚糖对其的吸附能力，但目前几乎没有这方面的相关研究。 1.2对蛋