磁性羧甲基壳聚糖微球吸附剂的合成及其性能

李宏，谭仲轩，赵苑婷，赵瑞，宁若妍，郑怀礼

(重庆大学 a.环境与生态学院；b.研究生院，重庆400045)

天然聚合物壳聚糖(CS)具有环境友好、可生物降解、低成本等优点，在水处理吸附剂领域备受关注，但在酸性环境下因质子化而结构失稳的问题限制了它的应用[1]。其水溶两性衍生物羧甲基壳聚糖(CC)能够有效克服这个问题，并常被用于保鲜剂、化妆品和药品等领域。此外，CC具有丰富的羧基、氨基、羟基等活性基团，为其提供了大量能与水中多种污染物结合的位点，故CC常用作废水处理的吸附剂[2]。吸附剂的分离性能影响整个吸附过程的效率和效果，传统的分离方法，如沉淀与过滤，难以同时保证分离的效率及经济性[3]。为此，笔者将快速高效、低能耗、低成本的磁分离技术与经济环保、活性基团丰富的生物材料吸附剂结合起来，通过CC包裹磁性纳米级Fe3O4并与戊二醛进行交联反应，制备了环保、低成本、合成简便、易分离再生的新型吸附剂磁性羧甲基壳聚糖微球(MCCs)，并研究其对水中染料结晶紫(CV)的吸附性能，以及处理印染废水[4]的可行性和应用优势。

对MCCs的表征分析显示，其红外光谱上1 634 cm-1、571 cm-1的峰对应CC上的氨基与戊二醛的醛基通过席夫碱反应形成的C=N键及Fe3O4中的Fe—O键，证明了交联反应及包载Fe3O4的成功，并且3 447 cm-1及1 385 cm-1处的峰对应MCCs上的O—H、N—H及—COO-基团，表明其具有丰富的羟基、氨基、羧基等，能去除多种污染物活性基团，如图1所示；在其XRD衍射图谱中，可清晰看到与Fe3O4的6个特征晶面对应的衍射峰，说明交联包载并没破坏Fe3O4的晶形结构，如图2所示；MCCs、Fe3O4的饱和磁化强度分别为0.22、0.84 emu/g，前者因为CC的包裹，磁性有所下降，但仍可通过外部磁场实现高效的固液分离，如图3所示。

在25 ℃下，10 mg的MCCs对20 mL初始浓度为1 500 mg/L的CV吸附24 h后，其吸附容量随着pH值的升高逐渐增加，且在pH值为11.0时达到1 625 mg/g，吸附效果良好；pH值为5.0～10.0时，吸附容量稳定在1 100 mg/g左右，说明MCCs能广泛适应并高效处理pH值范围宽泛的工业废水，如图4所示。

图1 CC、MCCs红外光谱图Fig.1 FT-IR spectra of CC and MCCs

图2 MCCs的XRD衍射图谱Fig.2 XRD pattern of MCCs

图3 MCCs、Fe3O4的磁滞回线图Fig.3 Magnetization curves of MCCs and Fe3O4

图4 pH值对吸附的影响Fig.4 Effect of pH on the adsorption of CV by MCCs

图5 循环再生效率Fig.5 Reuse efficiency of MCCs

MCCs对CV的吸附过程符合Langmuir等温线模型和准二级动力学模型，说明该吸附过程是以化学吸附为限速步骤的均匀单分子层吸附。由等温线模型的分析可得，MCCs对水中CV的吸附在pH值为8.0，温度为25、35 ℃时的理论最大吸附容量分别为942、1 144 mg/g，在目前的染料吸附剂中，其吸附效果突出。

合成的吸附剂MCCs具有绿色环保、低成本、合成简便、分离操作简单高效、节省能耗、吸附性能优越和再生回用特性好等优点，应用于印染废水处理和水环境治理中具有较大潜力，可为研究高效、经济、环保的吸附剂处理废水提供参考和指导。