甲壳素∕壳聚糖及衍生物在水处理中的应用
摘要： 甲壳素具吸附及螯合性，可以和重金属离子形成错合物，再加上其生物可分解特性，不致于造成二次公害，因此为一良好的环境友好型水处理材料。
本文主要介绍了甲壳素∕壳聚糖及衍生物在水处理中的应用研究进展。 关键词: 壳聚糖; 螯合; 水处理
一．壳聚糖简介
甲壳质是1811年由法国学者布拉克诺(Braconno)发现，1823年由欧吉尔(odier)从甲壳动物外壳中提取，并命名为CHITIN，译名为几丁质。外观及性质：淡米黄色至白色，溶于浓盐酸/磷酸/硫酸/乙酸,不溶于碱及其它有机溶剂,也不溶于水。甲壳质的脱乙酰基衍生物(Chitosan derivatives)可溶于水。甲壳素具有抗癌抑制癌、瘤细胞转移，提高人体免疫力及护肝解毒作用。尤其适用于糖尿病、肝肾病、高血压、肥胖等症，有利于预防癌细胞病变和辅助放化疗治疗肿瘤疾病。因此,甲壳素/壳聚糖越来越多地被国内外研究者所重视,对它的研究也日益深入,现在,甲壳素/壳聚糖的应用领域已覆盖环保、食品、生物医用材料、生物农药等诸多方面。
甲壳素的化学名称为（1，4）-2-乙酰氨基-2-脱氧-β-D-葡萄糖，是线型多糖类聚合物，简称为N-乙酰-D-葡糖胺。
二．
1、壳聚糖的制备
壳聚糖是许多低等动物,特别是节肢类动物(如昆虫、甲壳类动物等)外壳的主要成分,主要以无机盐及蛋白质结合形式存在.但其中尤以虾蟹壳中含量最高，因此通常以是虾蟹壳为原料。 （1）传统工艺[1]
以虾蟹壳为原料，常温下用稀释盐酸分解无机盐，用稀碱脱除蛋白质得甲壳素，甲壳素再经浓碱脱乙酰基得壳聚糖。其简易流程如下：
虾蟹壳——清洗、去杂质、烘干（加稀HCL）——脱无机盐（加稀NaOH）——脱蛋白质（加浓NaOH）——脱乙酰基——烘干得壳聚糖
壳聚糖的主要质量指标是粘度及胺基含量，在制备壳聚糖过程中，用稀盐酸分解虾蟹壳无机盐的同时，壳聚堂的链也会发生不同程度的水解作用，因此在分解无机盐的过程中盐酸的浓度、处理时间及温度对壳聚糖制品的粘度、胺基含量均有影响。壳聚糖的粘度通常随着盐酸浓度的增加、反应时间的延长而降低。因此为了获得较高粘度及胺基含量的壳聚糖制品，通常控制盐酸浓度为5%—10%，温度
控制在25℃左右，尽量缩短反应时间。 （2）微波工艺[2]
研究表明，用微波辐射处理可以大大提高甲壳素的反应活性,从而大幅度缩短了碱液处理时间。这种方法的小试工艺如下：取15克磨细的甲壳素，与150克50%NaOH溶液混匀，将混合物臵于250毫升锥形瓶中，把锥形瓶放入微波炉内，处理10分钟，混合物开始沸腾，接着冷却锥形瓶，在室温放臵过夜，用水洗涤至中性，即得无色的产品，这种产品可完全溶解在2%乙酸中。
三．用壳聚糖处理水的机理
壳聚糖呈白色或灰白色，略带珍珠光泽，是一种半透明的片固体。不溶于水和碱溶液，可溶于很多稀酸，如：盐酸、硝酸、甲酸、乙酸、苯甲酸等。尚可溶于0.5%磷酸,在室温不溶于任何浓度的硫酸.不溶于普通的有机溶机,但可溶于酸化的多元醇。[3] 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。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。
壳聚糖是线性的高分子聚合物，分子链上分布着大量的游离氨基，在稀酸溶液中
质子化，从而使壳聚糖分子链带上大量的正电荷，成为一种聚电解质，是一种典型的阳离子混凝剂，其混凝机理是它可以同时发挥电中和凝聚及粘结架桥絮凝的双重作用，即高分子链上阳离子活性基团与带负电荷的胶体微粒相互吸引，降低及中和了胶体微粒的表面电荷，同时压缩了胶体微粒的扩散后而使胶体微粒凝聚脱稳，并借助于高分子的粘结架桥作用而产生絮凝作用。由于壳聚糖结构上的特殊性，具有离子交换、螯合等作用，对很多重金属离子都有很好的螯合作用。 因此，壳聚糖在污水处理中得到广泛研究与应用。[4]
四．壳聚糖在污水处理中的应用
（1）处理垃圾渗滤液
垃圾渗滤液含有大量的有机物、重金属、色深、臭味难闻，处理起来工艺环节多，复杂难度很大，壳聚糖处理垃圾渗滤液工艺流程简单，易操作，但是成本很高目前还不能广泛应用于生产中。北京市政设计院认为壳聚糖可用于中浊度水质的净化处理，用量少，效果好，蒋挺大等人对长江水作了澄清试验，取得了满意的效果。
（2）处理染料废水
壳聚糖磁性微球还可应用于染料污水的处理随着国民经济的发展, 环境保护日益得到国家的重视, 国家环保部门对染料污水的排放指标也日益严格. 而染料污水具有高色度及高化学需氧量(COD)等特点, 如何有效地降低色度及 COD 是治理染料污水的关键. 一般染料污水的处理方法是采用物理化学方法-絮凝沉淀及活性吸附与生化处理相结合的方法进行的. 其中活性吸附不仅能有效地去除染料物质,还能进一步提高污水的可生化性, 达到综合治理的目的. 常用的吸附剂如：活性炭和活性硅藻土等, 虽然具有良好的吸附性能, 但再生困难, 使用成本高, 不易普及. 壳聚糖分子链上具有大量的活性基团, 对染料物质
具有良好的吸附性能, 特别是赋予壳聚糖颗粒磁性后, 使得其还具有良好的分离性能, 这无疑为其回收再生提供了便利条件. 研究发现，用浸渍或喷雾方法将适量壳聚糖均匀地固定到纤维素粉末的细孔内，然后用稀碱溶液处理，使壳聚糖不溶于水，这样制成的壳聚糖—纤维素吸附剂具有如下特点：对具有酸性基团的染料表现出优异的吸附能力；吸附量很大；在水中具有很好的分散性，操作简单，方便，且易回收。 （3）多用途吸附剂
日本的山南隆德等人研制出一种多用途吸附剂，这种吸附剂是由壳聚糖、活性炭和凝固剂组成的。这种吸附剂的吸附能力特别强，使用寿命长，成本低。能吸附碘和重金属；可用于果汁等饮料脱臭、脱色；处理工业废水；净化血液等。 （4）处理高蛋白含量的食品废水
壳聚糖有很强的生物亲和性，对蛋白质、淀粉有很强的亲和性。有文献[271报导用壳聚糖为絮凝剂可以回收食品加工废水中的蛋白质、淀粉等。磁性壳聚糖微球的应用将改进原来的技术，可以更高效：配合磁场更方便地回收所需要的物质，并且不产生二次污染。附大豆乳清废水中蛋白质的实验表明．磁性壳聚糖微球对食品废水中的蛋白质可实现去除．在磁性壳聚糖微球投入量为25巩，接触时间为lO min，温度为30 c|C，pH=5的条件下，能有效吸附大豆乳清废水中的蛋白质，大豆乳清废水中蛋白质去除率最高达95．6％。 （5）处理有机废水[3]
1975年Bough发表了一系列利用壳聚糖处理有机废水的研究报告，SS去除率为99%，COD去除率为62%，浊度降低90%，此外国外将壳聚糖应用于乳化剂废水的处理和污泥脱水的处理中，并且取得了非常好的效果。 （6）净化自来水