[发明专利]壳聚糖纳米纤维膜吸附材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及吸附材料领域，特别涉及一种能够高效吸附重金属离子的壳聚糖(CS)纳米纤维膜吸附材料。

背景技术

矿山、冶炼、电解、电镀、农药等行业排放的废水中常含有重金属，这是造成水体污染的原因之一。重金属在水溶液中不易降解，当进入食物链后对人类的生命威胁很大。食用含过量镉的食品容易造成恶心、呕吐、腹泻、腹痛。铅化合物主要影响神经系统、肾脏和血液系统，影响儿童的智力发育等。汞对人体的危害主要表现为头痛、头晕、肢体麻木和疼痛等，汞中的甲基汞在人体内极易被肝和肾吸收，其中15％被脑吸收，首先受损的是脑组织，并且难以治疗。因此，为了减少重金属对人类身体健康和环境污染的影响，世界各国对工业排放水中的重金属含量制定了标准。我国的GB18918-2002标准中规定允许排放的重金属浓度为：汞总浓度＜0.001mg/L，镉总浓度＜0.01mg/L，铅总浓度＜0.1mg/L。因此，对水溶液中重金属离子的去除和回收就变得非常重要。

水溶液中重金属离子的回收常用的方法有化学沉淀、反渗透、电解、离子交换、蒸发等方法。但是这些方法的效率较低，成本较高，当水溶液中重金属离子含量较低时不适用。吸附法是一种广泛用于从水溶液中除去重金属离子的方法，其中吸附剂与重金属离子之间通过静电相互作用或者吸附剂与重金属离子螯合而达到除去水溶液中重金属离子的目的。传统的吸附剂有活性炭、离子交换树脂。活性炭具有比表面积大、多孔的特点，但是非选择性吸附和再生成本高的缺点限制了活性炭在水处理领域的广泛应用。离子交换树脂具有比表面积大、多孔性、对芳香烃分子选择吸附性高的优点，但是制备成本高，亲水性能低且工艺复杂。

因此，需要开发一种成本低且来源广泛的吸附材料。

发明内容

近年来，CS作为一种生物高分子吸附材料引起了人们的广泛关注。甲壳素是从甲壳类海洋动物如大虾、小虾、昆虫、螃蟹等动物的壳中萃取的一种天然聚合物，CS为甲壳素在碱性条件下水解并脱去部分乙酰基后生成的衍生物，其化学名称为β-(1→4)-2-氨基-2-脱氧-D-葡萄糖，是地球上除纤维素外的第二大天然高分子，其来源相当丰富。CS的结构式如图1所示。CS分子链上含有大量的氨基和羟基活性官能团，容易采用其它的物质对其进行修饰，而且CS无毒，具有生物相容性、生物可降解性、亲水性高、成膜性好等特性，因此CS在生物医学、组织工程、药物缓释、细胞及酶的固定化、高分子膜材料等方面有着十分广泛的应用。另外，由于CS分子的-NH₂中氮原子上的孤对电子与金属离子的空轨道形成配位键而络合，从而对金属离子具有稳定的配位作用，因此，CS可以作为金属离子的富集剂，有效地去除废水中的重金属离子。

衡量吸附剂吸附性能的一个重要指标就是吸附量，即当吸附达到平衡时单位质量的吸附剂从溶液中吸附的重金属离子的量，其计算公式如下：

q=(C0-Cf)VM---(1)]]>

q为一定温度下的吸附量，mg/g；C₀和C_f分别为溶液中金属离子的起始浓度和最终浓度，mg/L；V为溶液的体积，L；M为吸附剂的质量，g。

当溶液中的重金属离子含量一定时，吸附剂的吸附量越大，吸附剂的用量就越少，吸附剂的成本也相应越低。吸附剂的吸附量与其比表面积密切相关，一般地，吸附剂的比表面积越大，吸附剂的吸附量就越大。研究发现常温下CS的物理形态为粉末、粒状、凝胶微珠、微球和薄片等，这些物理形态的CS的比表面积较低(2-30m²/g)，其平均孔径为300-，因此，常温下上述物理形态的CS的吸附量较低。

纳米纤维的直径为数十纳米，具有大的比表面积和高的孔隙率，且其孔径分布范围较窄。如果将CS制备成纳米纤维膜，则可以较大地提高其比表面积，从而提高其对金属离子的吸附能力。