Harbin Institute of Technology

课程论文

课程名称： 壳聚糖生物材料

设计题目：壳聚糖及其复合材料在水处理中的应用

院 系： 能源科学与工程学院

作 者： 刘禹萱

学 号： 1120200607

哈尔滨工业大学

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目 录

1 引言 ......................................................................................................................... 2

2 壳聚糖的吸附与絮凝机理 ...................................................................................... 3

3 壳聚糖及其复合材料在水处理中的研究与应用 ................................................... 4

3.1壳聚糖及其复合材料去除废水中金属离子的研究与应用 ............................................. 5 3.2 壳聚糖及其复合材料在印染废水处理中的研究与应用 ................................................ 6 3.4 壳聚糖在食品工业废水处理中的研究与应用 ............................................................. 7

4 总结 ......................................................................................................................... 8

参考文献 ....................................................................................................................... 9

1 哈尔滨工业大学

壳聚糖及其复合材料在水处理中的应用

摘 要

随着工业带来的环境污染的加剧，水污染已成为全球化问题，水处理成为世

界各国环境保护工作的重点。壳聚糖具有环境相容性好、可再生、资源丰富以及

高度可降解性等优点，在水处理领域已引起越来越多的关注。随之发展起来的壳

聚糖改性材料也进入研究者的视野。其中，物理改性即壳聚糖复合材料以其操作

性强、应用范围广、制备过程简单、性能优良等优点被越来越多的学者探索。本

文以壳聚糖为基础，结合其物理复合材料，综述了壳聚糖及其复合材料在水处理

方面的研究与应用。

关键词：壳聚糖；复合材料；水处理

1 引言

壳聚糖是甲壳素经化学法处理脱乙酰基后的产物，是一种直链型的天然高分

子化合物，化学名称为(l，4)-2-氨基-2-脱氧-β-D-葡萄糖。是至今发现的唯一天然

碱性多糖。因制备工艺条件和需求不同，脱乙酰度由60%至100%不等，壳聚糖脱

乙酰度越高，相对稳定性越低，但机械强度增大，生物相容性增加，吸附作用增

强[1]。壳聚糖分子上含有三种类型的活性基团，即C2-NH2、C3-OH和C6-OH，因

而可以通过物理、化学改性赋予壳聚糖衍生物各种功能特性，因此，壳聚糖复合

材料作为正在兴起的功能材料之一，已经在多个领域得到应用。

随着工农业的发展，大量包括重金属的污染物排入河流，使水质恶化，水体污染已经成为当今世界上最严重的环境问题之一，世界各国政府以及广大环保工

作者都在努力寻找科学有效的水治理方法。中国是全球水污染最严重的国家之一，

全国多达70%的河流、湖泊和水库均受到影响。一项全国性调查表明，在2007年

排入各种水体的有机污染物（以COD表示）中，近20%源自工业。而工业废水中，

对环境与人体影响最大的几类分别为含重金属离子废水、含染料废水及含有机物

废水。

在自然界中，甲壳素的年生物合成量约100亿吨，是地球上除纤维素以外的第

二大有机资源，是人类充分利用的巨大资源宝库。因此，壳聚糖的来源相当丰富[2]。

由于壳聚糖具有生物降解能力、生物相容性、生物活性以及无毒等独特的性能，

近年来壳聚糖及其复合材料在水处理领域已得到高度重视和广泛研究。

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2 壳聚糖的吸附与絮凝机理

吸附法是一种应用较早、应用范围广泛的方法。具有操作简单、成本低、材

料易得、反应速度快、处理效果好等特点，对低浓度重金属废水和有毒废水的处

理具有很大的优势活性炭是最常见的吸附剂，具有巨大的比表面积和较多的孔，

吸附量大，处理效果好；但是活性炭的非选择性吸附、再生困难、再生成本高成

为其使用的限制因素。目前，壳聚糖、木质素、沸石、腐殖酸、天然矿物如粘土、

矿石等新型的吸附别逐渐被人们所重视，并广泛地研究。这些新型吸附壳聚糖在

纺织、印染、医药、环保等各个行业都具有很广泛的应用。

壳聚糖含有氨基和羟基，通过氢键、静电吸引、离子交换、范德华力等对对

染料产生极强的吸附、配位作用，这种吸附作用包括：物理吸附、化学吸附和离

子交换吸附，所以壳聚糖基吸附材料可以吸附各类分子[3，4]。

图1 壳聚糖的结构示意图 壳聚糖的物理吸附功能已经引起了很多学者的注意，与活性炭和离子交换树

脂相比(表1)， 壳聚糖具有资源丰富、吸附性能高、易再生、易生物降解等优点；

同时，也具有孔隙率低、比表面积小、受pH 值影响大等缺点。因此，壳聚糖及其

改性复合材料在物理吸附方面的应用进展缓慢。而壳聚糖材料在作为吸附剂应用

时，其作用机理大多为化学絮凝作用、离子交换吸附及二者的结合。这两种性能

也正是壳聚糖及其复合材料得以在吸附领域得到广泛应用的重要因素。

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表1 活性炭、离子交换树脂和壳聚糖衍生物吸附剂的优缺点

吸附剂 优点 缺点

活性炭 比表面积大; 多孔吸附 剂; 吸附能力高; 吸附 速度快; 吸附多种污染 物质; 快速动力学 吸附性能取决于活 性炭的种类; 需要交 联剂提高吸附能力; 非选择吸附性; 扩散 能力弱; 恢复活性 会导致碳损失

离子交换树脂 多孔结构; 物化性能 范围广; 表面积大; 恢复， 无吸附剂损失 原材料来源于石油; 成本高; 吸附性能在 于树脂的种类; pH 值影响大; 亲水性低

壳聚糖衍生物 资源丰富; 环境友好; 吸附能力高; 扩散性 能高; 高吸附性和选择 吸附性; 多功能吸附 剂; 易恢复活性 无孔吸附剂; 受原料和脱 乙酰度的影响; 微珠性能 的多变性; pH 值影响大; 需化学改性提高吸附性能; 壳聚糖分子重复单元中带有活性基团、，在酸性溶液中会形成高电荷密度的阳

离子聚电解质，显示良好的络合性能和絮凝性能。随着氨基的质子化，表现出弱

阳离子絮凝剂的性质。因为分子中含有大量的氨基、羟基，性质较活泼，可修饰、

活化和偶联，所以壳聚糖及其衍生物具备了絮凝剂的特性。

由于壳聚糖在C2上有一个乙酰氨基或氨基，在C3上有一个羟基，随着-NH2的质子化，表现出阳离子型聚电解质的作用，能有效吸附溶液中的Cd2+、Zn2+、

Ni2+、Cu2+、Ag+、Au3+、Pt4+、Pd2+等重金属离子，但壳聚糖不吸附天然水中的碱

金属和碱土金属离子，原因是这些金属离子半径较小。壳聚糖对金属离子的吸附

作用表明， 壳聚糖的选择吸附主要是由于壳聚糖分子上的-NH2，氮原子上的孤对

电子可投入到金属离子的空轨道中，形成配位键结合[5，6]。因此，壳聚糖及其复合

材料已经被广泛应用到去除给水与工业废水中的有害金属离子中。

此外，壳聚糖能通过络合、离子交换等作用对染料、蛋白质、氨基酸、核酸、

酚、卤素等进行吸附。带有磺酸基团的染料在硫酸水溶液中可通过离子交换作用

被甲壳素吸附，通过对壳聚糖进行改性可以使其在处理带染料、有机物等有害水

污染物的领域应用，进一步增加了壳聚糖材料在处理综合工业废水中的可实现性。

3 壳聚糖及其复合材料在水处理中的研究与应用

近年来壳聚糖及其复合材料的应用研究取得巨大进展，壳聚糖用于水处理是 4 哈尔滨工业大学

其中最早的应用，它主要用作重金属离子螯合剂和活性污泥絮凝剂，其絮凝作用

很强，而且无毒、不产生二次污染，并可生物降解。目前，国内外关于有机高分

子絮凝剂絮凝机理的研究多处于假说阶段，有说服力的实际验证比较少。壳聚糖

正是以其天然、无毒、易降解和对人体健康无害、具有杀菌作用，很快在水处理

的应用中作为合成有机絮凝剂的有效替代品占据了特殊地位[7]。壳聚糖的复合改

性是近年来发展起来的一种改性方法，主要是将壳聚糖和无机物、有机高分子、

藻类等微生物复合，形成新型的核壳材料。

3.1壳聚糖及其复合材料去除废水中金属离子的研究与应用

壳聚糖及其复合材料与金属离子的配位主要在于分子链中存在大量的羟基、

氨基等功能团，可以借助氢键和离子键形成具有类似网状结构的笼形分子，从而

对金属离子有稳定的配位作用。因此，壳聚糖可作为金属离子的富集剂，有效地

去除水中有毒的重金属离子，也可以对一些贵重金属离子进行回收。近年来，国

际先进的水处理剂正趋向于高效能、无公害、多功能、复合化的绿色产业方向发

展。壳聚糖及其衍生物作为一种天然高分子材料的吸附剂，因其来源广泛、无毒、

易降解、易回收等特点，在水处理领域得到高度重视和广泛研究，发展很快[8，9]。 王茹[10]以工业级壳聚糖（脱乙酰度为83%）为吸附剂，去除水溶液中的Pb2+，

在室温条件下，处理100mg·L-1的Pb2+溶液时，最佳条件为壳聚糖用量100mg，粒

度20～40目，pH值6～8，吸附时间15h，Pb2+的去除率高达99.7%以上，残余Pb2+

的浓度小于等于0.6mg·L-1，已能达到国家废水排放标准（≤1.0mg·L-1）的要求。

何松裕[11]等人用非均相制得脱乙酰度75%的壳聚糖对有毒及放射性离子

Cd2+、Pb2+、U6+、Th4+进行吸附，在pH≥7时，除Pb2+的吸附率较低外，其余三种

离子的吸附率均大于90%。在非均相得到的壳聚糖通过螯合作用对水溶液中的金

属离子Hg2+、Cu2+进行吸附时，吸附量随着脱乙酰化产物结晶性的下降和脱乙酰

度的提高而提高，同时，在均相条件下得到的壳聚糖在脱乙酰度50%-60%时，由

于对水的亲和性最大，吸附量也最大。

Liu[12]等利用离子印迹技术制备了壳聚糖/南海马尾藻复合材料。制备得到的

复合材料对Cu2+的吸附容量达到1.08mmol/g，而且多次使用后吸附容量几乎没有

变化。

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