CN101817887B - 一种含螯合基团的壳聚糖及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种含螯合基团的壳聚糖及其制备方法和应用。所述螯合基团为交联胺基二硫代甲酸基和负载三价铁离子的胺基亚甲基磷酸基。本发明所述的含螯合基团的壳聚糖是以廉价且环境友好的市售壳聚糖为原料，合成具有多种螯合基团的壳聚糖；其具有较大的螯合容量和较快的螯合速率，能高效、快速、便捷地同时去除中药提取液或电镀废液等溶液中存在形式比较复杂的多种重金属离子。本发明的应用在环保产业中具有很好的工业化前景。

Description

一种含螯合基团的壳聚糖及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种壳聚糖，特别是一种含螯合基团的壳聚糖及其制备方法和应用。 

背景技术

近30年来我国经济的迅猛发展造成了严重的环境污染。重金属残留是最严重的污染形式之一。化学上将密度大于4.5克/立方厘米的金属称为重金属。原子量大于55的金属一般为重金属。铜、铅、锌、铁、钴、镍、铬、钒、铌、钽、钛、锰、镉、汞、钨、钼、金和银等是主要的重金属元素。尽管锰、铜、锌等重金属是生命活动必需的微量元素，但是大部分重金属如汞、铅、镉等对人体都是有害的，而且所有重金属超过一定浓度时都具有很强的毒性。重金属污染是指由重金属或其化合物造成的环境污染，主要是由于采矿、废气排放、污水灌溉和使用重金属制品等人为因素所致。重金属将土壤、大气和水体污染以后，将进入食物链，最终进入人体。由于生物放大效应，食物链从低级向高级的进展过程中，重金属等有害物质的含量越来越大。重金属离子在人体内的蓄积将给人体带来难以修复的损伤，剂量大时会直接导致死亡。在“世界十大污染事件”中，“水俣病”事件和“痛痛病”事件分别是由重金属汞和镉引起的。重金属残留造成的巨大危害已经使得人们不得不正视它的存在、并努力寻找解决办法。 

由于土壤和水体被重金属污染，植物的种植和栽培毫无疑问将受到影响。中草药同样不能幸免。中药中的重金属主要来源于土壤、中药自身代谢的需要和对某种金属元素的富集能力、工业“废液、废气、废渣”的污染、农药和肥料的污染以及中药在仓储、加工、炮制过程中的污染。A.M.Au(Screening Methods for Drugs and Heavy Metals in Chinese Patent Medicines，Bull.Environ.Contam.Toxicol.，2000，65，112-119)指出：从1995年开始，他和他的助手们用Perkin Elmer Model3100型原子吸收分光光度计对美国加利福尼亚州的近500个中药非处方药(如“安官牛黄丸”、“感冒清胶囊”、“黄连上清丸”、“六神丸”、“八宝清风散”、“牛黄解毒片”等)中的铅、砷和汞等重金属含量进行了测定。结果表明：“10％左右被测试的中药中含有未经标明的药物成分和/或含有足以使人中毒的铅、汞和砷等金属元素，其中“铅含量从1ppm到184ppm；砷含量从68ppm到114000ppm；汞含量从329ppm到5070ppm”。中药中过高的重金属残留已经是不争的事实。这不仅严重损害了中药的形象，也给我国造成了极大的经济损失。当前，国际上进口中药材和中成药的国家和地区对中药材、中成药的重金属含量都提出了严格要求。我国国家对外贸易经济合作部出台和实施的《药用植物及制剂进出口绿色行业标准》限量指标为：重金属总量应≤20.0mg/kg，铅(Pb)≤5.0mg/kg，镉(Cd)≤0.3mg/kg，汞(Hg)≤0.2mg/kg，铜(Cu)≤20.0mg/kg，砷(As)≤2.0mg/kg。因此，在保证中药中的有效成分不被破坏、保持药效的前提下尽可能地降低中药中的重金属含量已经成了中药研究领域的热点。 

目前一般用水提取中药中的有效成分，得到中药提取液。通过后续工艺可以将中药提取液制成片剂、丸剂、粉剂等各种剂型。重金属在中药提取液中一般以离子形式存在。人们已经将在处理含重金属的电镀液等废液中积累的丰富经验用于去除中药提取液中的重金属离子，通常可以采用膜分离法、离子交换处理法、溶剂萃取分离法、吸附法和螯合树脂去除法等方法。 

膜分离法是利用膜对混合物中各组分的选择渗透性能的差异，通过控制膜的孔径大小，以外界能量或化学位差为推动力，使某些物质可以通过膜而某些物质被选择性截留，从而达到分离混合物的目的。在应用膜分离法去除中药提取液中的重金属离子时，通常采用电渗析 法等来实现。 

离子交换处理法是利用离子交换剂去除重金属离子的方法。离子交换是利用交换剂自身携带的能自由移动的离子与被处理的中药提取液中的重金属离子进行交换来实现的。推动离子交换的动力是离子间的浓度差和交换剂上的功能基团对重金属离子的亲和能力。多数情况下被处理溶液中的重金属离子是先被吸附、再被交换。因此，离子交换剂具有吸附、交换双重功效。常用的离子交换剂有离子交换树脂、沸石等。 

溶剂萃取分离法的原理是采用选择性较高的络合剂与中药提取液中的重金属离子络合，然后用有机溶剂将络合物萃取出来，再通过解络合使得络合剂和有机溶剂实现再生。 

吸附法是利用吸附剂的独特结构，通过表面吸附、表面电相互作用或形成表面氢键等形式，将中药提取液中的重金属离子除去的方法。常用的吸附剂有活性炭、大孔吸附树脂等。 

螯合树脂去除法是利用改性高分子树脂上的含有氧、氮、硫等元素的官能团能与中药提取液中的重金属离子形成稳定的螯合物的原理来达到去除重金属离子的目的。常用的螯合型树脂包括苄亚胺二乙酸型螯合树脂、巯基型螯合树脂、胺基型螯合树脂、苄胺基磷酸型螯合树脂和负载三价铁离子和/或三价镧离子的苄胺基磷酸型螯合树脂。 

最近，随着超临界流体萃取技术的迅速发展，人们也将这一技术用于去除中药中的重金属离子。具体的方法是选择能提供电子的物质与重金属离子形成极性较低的配合物、结合极性改性剂增强配合物在超临界流体中的溶解度，从而将重金属离子从中药提取液去除。 

上述用来去除中药提取液中的重金属离子的方法都存在或多或少的缺点，这些缺点限制了它们在实际生产中的推广和应用。 

对于膜分离法来说，由于其分离功能利用膜来实现，在使用过程 中总会发生膜的污染和通量的衰减，因此需要经常清洗和维护，这大大限制了膜分离法的推广和应用。同时中药提取液的异常复杂的成分增加了膜被污染的几率。 

对于离子交换处理法而言，离子交换剂一般都呈现出一定的酸碱性，这对中药提取液中的有效成分具有一定的破坏作用；同时，离子交换剂本身携带的电荷也有可能对中药提取液中的有效成分产生影响。这就限制了离子交换法在去除中药中的重金属离子方面的应用。 

对于溶剂萃取分离法来说，溶剂在萃取过程中容易发生流失以及在络合剂和溶剂再生过程中大量的能源消耗，使得该方法的应用受到了限制。同时，溶剂萃取分离法中必须用到的有机溶剂会将中药提取液中的有效成分被萃取出而带走，这将严重影响中药的药效。这些缺点使得溶剂萃取分离法的应用受到了很大的限制。 

对于吸附法而言，中药提取液中的有效成分较易被吸附、重金属离子较难被吸附等原因使得吸附法的应用受到了很大的限制。同时，吸附剂的再生循环不易实现。 

对于螯合树脂法来说，由于中药提取液中的铅、镉、汞和铜元素一般以阳离子形式存在而砷元素可能以阳离子或阴离子存在，重金属相对复杂的存在形式使得必须联合使用多种螯合树脂才能将其去除。这不仅增加了成本，延长了操作时间，也使得螯合树脂的再生循环无法方便地实现。 

对于超临界流体萃取法而言，虽然该技术在过去的三十年中在天然产物的提取方面取得了令人瞩目的成就，但在去除重金属离子方面的研究才刚刚起步。同时，超临界流体萃取方法对设备的要求比较严格、设备造价较高，所以目前该技术在去除中药提取液中的重金属方面尚没有工业化的实例。 

综上所述，发展具有工业化前景的新型、高效、迅速、便捷的脱除中药提取液中的重金属离子的方法具有非常重要的意义。 

发明内容

本发明的目的是提供一种含螯合基团的壳聚糖，所述螯合基团为交联胺基二硫代甲酸基和负载三价铁离子的胺基亚甲基磷酸基。 

本发明含螯合基团的壳聚糖通过如下方法制备：取市售的壳聚糖(分子量在10KDa-100KDa之间，脱乙酰化为85％以上)，纯化后得到壳聚糖A；在酸性条件下，将壳聚糖A与亚磷酸、多聚甲醛反应，使壳聚糖A中20％～30％的氨基转化为胺基亚甲基磷酸基，然后与三氯化铁溶液反应，使胺基亚甲基磷酸基负载三价铁离子，得到含有负载三价铁离子的胺基亚甲基磷酸基的壳聚糖B；随后在碱性条件下，将壳聚糖B与二硫化碳反应，将壳聚糖B中剩余的氨基转化为胺基二硫代甲酸基，得到交联胺基二硫代甲酸基和负载三价铁离子的胺基亚甲基磷酸基的壳聚糖。 

本发明的另一个目的是提供所述含螯合基团的壳聚糖的制备方法，其包括如下步骤： 

1)用醇类溶剂对壳聚糖进行纯化，得到壳聚糖A； 

2)在酸性条件下，将壳聚糖A在醇类溶剂中与亚磷酸、多聚甲醛反应，使壳聚糖A中20％～30％的氨基转化为胺基亚甲基磷酸基，然后与三氯化铁溶液反应，得到含有负载三价铁离子的胺基亚甲基磷酸基的壳聚糖B； 

3)在碱性条件下，将壳聚糖B与二硫化碳反应，使壳聚糖B中剩余的氨基转化为胺基二硫代甲酸盐，用浓盐酸和蒸馏水洗涤后得到交联胺基二硫代甲酸基和负载三价铁离子的胺基亚甲基磷酸基的壳聚糖； 

其中，所述醇类溶剂优选甲醇、乙醇或异丙醇。 

所述步骤1)包括：取壳聚糖，用相当于壳聚糖质量2～5倍的醇类溶剂洗涤，过滤，晾干后得到壳聚糖A； 

所述步骤2)包括： 

a)将壳聚糖A加入到相当于壳聚糖质量5倍的醇类溶剂中，然后加入亚磷酸、多聚甲醛和浓盐酸，加热至70℃，搅拌12～24小时；冷却至室温，过滤，用蒸馏水洗涤至洗涤液呈中性以除去过量的酸，干燥；其中，壳聚糖A、亚磷酸、多聚甲醛、浓盐酸的重量比为1∶0.58～0.88∶0.22～0.32∶0.2～0.29； 

b)用分别相当于壳聚糖质量5～8倍的醇类溶剂、3～5倍的5％氢氧化钠溶液、6～8倍的去离子水、3～5倍的5％盐酸溶液、8～10倍的去离子水依次洗涤至洗涤液的pH为6～7，进行进一步的纯化； 

c)加入质量百分比为10％的三氯化铁溶液，在30℃下搅拌8～12小时，过滤，用去离子水洗涤壳聚糖至检测不出三价铁离子，干燥，得到壳聚糖B； 

其中，壳聚糖A与三氯化铁的重量比为1∶0.17～0.26； 

所述步骤3)包括：取壳聚糖B，加入二硫化碳和氢氧化钠溶液，在20～40℃下搅拌1～3小时以引发反应，然后在45～50℃下搅拌3～5小时以加速反应并使反应完全；冷却至室温，用浓盐酸调节pH为6～7，过滤，用蒸馏水洗涤3～5次，干燥； 

其中，壳聚糖B与二硫化碳及氢氧化钠的重量比为1∶0.25～0.31∶0.13～0.16；所述氢氧化钠溶液的质量百分比优选为4～6.5％。 

本发明的另一个目的是提供所述含螯合基团的壳聚糖在去除重金属离子中的应用。 

取所述含螯合基团的壳聚糖，加入到10～40倍质量的含有重金属离子的溶液中，剧烈搅拌30～90分钟，过滤，收集滤液。采用电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-AES)测定处理前后的中药提取液或电镀废液中重金属离子的含量，以验证本发明的效果。 

其中，所述含有重金属离子的溶液包括中药粉末的水溶液、中药提取液或电镀废液。 

众所周知，重金属离子具有的空轨道使其相当于Lewis酸。如果它能与可以提供孤对电子的Lewis碱形成配位键的话，重金属离子就可以以螯合物的形式从溶液中脱除。这就是本发明利用螯合树脂去除重金属元素的理论依据。能够提供孤对电子的官能团包括硫、氧、氮、磷等配位原子。硫醚、硫醇、硫酚、巯基、二硫代氨基甲酸酯、硫代氨基甲酸酯等中的硫原子，醚、酚、羧基、羟基等中的氧原子和酰胺、腈、硝基、重氮化合物、偶氮化合物、一级胺、二级胺、三级胺中的氮原子都可以作为能与重金属离子形成配位健的Lewis碱。能提供孤对电子的Lewis碱的性质决定了其与重金属离子配位形成螯合物时的选择性。根据螯合反应的基本原理和实验事实，目前已经成功开发出选择性除汞、铅或铜等重金属阳离子的官能团化的高分子树脂。 

在中药提取液中，铜、汞、铅、镉等重金属一般以阳离子形式存在。所以将上述官能团化的树脂联合使用，可以有效地去除中药提取液中的铜、汞、铅和镉等重金属阳离子。砷在中药提取液中的存在形式比较复杂，可能以阳离子形式出现，但更多情况下以酸根离子——例如砷酸根负离子或亚砷酸根负离子——的形式出现。目前通常是将铁或镧等重金属离子通过螯合作用负载在高分子树脂上，然后通过砷酸根负离子或亚砷酸根负离子与这些重金属离子形成螯合物，从而将砷去除。 

但是，联合使用螯合树脂去除中药提取液中的重金属元素不仅增加了成本，延长了操作时间，也使得螯合树脂的再生循环无法方便地实现。 

壳聚糖(Chitosan，简称CS)是由甲壳素经脱乙酰化反应转化而成的生物大分子。壳聚糖的化学名为聚(1，4)-2-氨基-2-脱氧-β-D-葡聚糖，其结构式如通式(I)所示： 

通式(I)壳聚糖的结构 

壳聚糖分子具有大量活泼的羟基和氨基，其中的氧原子和氮原子能够与重金属离子配位形成螯合物。对壳聚糖中的氨基和羟基进行改性引入新的官能团，可以提高螯合容量和螯合选择性。 

二硫代氨基甲酸盐(dithiocarbamate，DTC)在19世纪中期就已实现实验室合成。其分子中含有的硫原子和氮原子均含有孤对电子，可以作为Lewis碱与重金属离子形成配位键。由于二硫代氨基甲酸盐分子中含有两个硫原子和一个氮原子，通过改性在壳聚糖分子中引入二硫代氨基甲酸盐官能团，将大大增加壳聚糖与重金属离子配位从而形成螯合物的可能性以及壳聚糖的螯合容量。此外，按照Pearson的软硬酸碱理论，硫原子属于软碱而氮原子属于硬碱，因此二硫代氨基甲酸盐既可以与软酸也可以与硬酸形成螯合物。基于上述观点，二硫代氨基甲酸盐及其衍生物可以与大多数重金属离子形成螯合物。 

同时，如果将铁或镧等重金属离子通过螯合作用负载到壳聚糖上，然后通过砷酸根负离子或亚砷酸根负离子与这些重金属离子形成螯合物，则可以将负离子形式的砷元素同时去除。 

基于上述分析，本发明从控制反应物当量和反应条件入手，合成得到了交联胺基二硫代甲酸化和负载三价铁离子的胺基亚甲基磷酸基的含螯合基团的壳聚糖。该壳聚糖能够同时去除中药提取液中存在形式比较复杂的多种重金属元素。 

本发明从市售的壳聚糖出发，将其纯化得到壳聚糖A，通过控制反应的当量，将壳聚糖A中20％-30％的氨基转化为胺基亚甲基磷酸基，然后将得到的胺基亚甲基磷酸基用三价铁离子负载，得到在胺基亚甲基磷酸基上负载三价铁离子的壳聚糖B；控制反应物的当量，使壳聚糖B中剩余的氨基转化为胺基二硫代甲酸盐，最终得到交联胺基二硫代甲酸基和负载三价铁离子的胺基亚甲基磷酸基的含螯合基团的壳聚糖(壳聚糖C)。 

本发明得到的含螯合基团的壳聚糖采用显微红外光谱检测，结果表明壳聚糖C在2080～2090cm^-1(胺基二硫代甲酸基)和1635～1645cm^-1(负载有三价铁离子的胺基亚甲基磷酸基)处分别有明显特征峰出现，表明壳聚糖C确实含有胺基二硫代甲酸基和负载有三价铁离子的胺基亚甲基磷酸基等多种螯合基团。 

本发明所述的含螯合基团的壳聚糖，所用原料便宜易得，制备方法比较简单；在去除需要处理的中药提取液或电镀废液中的重金属离子时，使用方法简单。经本发明含螯合基团的壳聚糖处理后的中药提取液和电镀废液中的重金属离子含量显著降低，能够分别达到《药用植物及制剂进出口绿色行业标准》和国家排放标准。本发明提供的方法能够高效、迅速、便捷地将存在形式复杂的多种重金属离子同时除去，是具有工业化前景的环保产业的发展方向。 

本发明与现有技术中去除溶液中重金属离子的方法相比，其优点在于：从廉价且环境友好的原料壳聚糖出发，合成具有多种螯合基团的壳聚糖，其具有较大的螯合容量和较快的螯合速率，能高效、快速、便捷地将中药提取液中的多种存在形式的重金属元素同时除去，使得中药提取液达到《药用植物及制剂进出口绿色行业标准》。在去除溶液中的重金属离子方面，本发明的应用方法克服了常规膜分离法、溶剂萃取分离法、吸附法和离子交换处理法等方法的缺点，是一种可以推广的具有工业化前景的优选方法。 

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。 

实施例中所用试剂均为分析纯，购自国药集团化学试剂有限公司，所述试药均为市售品，去离子水为自制。 

实施例1 

一、含螯合基团的壳聚糖的制备 

1)取100克市售的壳聚糖(分子量为10KDa，脱乙酰化为88％)， 用500毫升异丙醇反复洗涤，过滤，晾干后得到壳聚糖A； 

2)将壳聚糖A加入到625毫升异丙醇中，加入58.1克亚磷酸、22.1克多聚甲醛和20毫升浓盐酸，加热至70℃，搅拌16小时；冷却至室温，过滤，用蒸馏水洗涤得到的壳聚糖至洗涤液呈中性，将所得壳聚糖在35℃下真空干燥，用1000ml异丙醇、500ml 5％氢氧化钠溶液、800ml去离子水、500ml 5％盐酸溶液、1000ml去离子水依次洗涤至洗涤液的pH为6；将所得壳聚糖加入到17.1克三氯化铁和155毫升水组成的溶液中，在30℃下搅拌8小时，过滤，用去离子水洗至洗涤液检测不出三价铁离子为止，在35℃下真空干燥，得到116.5克壳聚糖B； 

3)取116.5克壳聚糖B，加入35.4克二硫化碳、18.6克氢氧化钠和445毫升水组成的溶液，在25℃下搅拌2小时，然后在45℃下搅拌4小时；冷却至室温，用浓盐酸调节体系pH为6，过滤，用蒸馏水洗涤得到的壳聚糖3次，在35℃下真空干燥，得到152克含螯合基团的壳聚糖(壳聚糖C)。 

采用显微红外光谱检测，结果表明壳聚糖C在2080cm^-1(胺基二硫代甲酸基)和1635cm^-1(负载有三价铁离子的胺基亚甲基磷酸基)处分别有明显特征峰出现，表明壳聚糖C含有胺基二硫代甲酸基和负载三价铁离子的胺基亚甲基磷酸基等多种螯合基团。 

二、应用含螯合基团的壳聚糖去除板蓝根水溶液中的重金属离子 

取市售的板蓝根浸膏粉20克，加入100毫升水使其溶解。向板蓝根水溶液中加入10克实施例1中制备的含螯合基团的壳聚糖，剧烈搅拌45分钟，过滤，收集滤液。 

采用瓦里安700型电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-AES)，测定处理前后的板蓝根水溶液中铅、镉、铜、汞和砷的含量，结果见表1： 

表1处理前后的板蓝根水溶液中重金属元素的含量 

所测定的重金属元素	处理前(mg/Kg)	处理后(mg/Kg)
			铅	8.0	未检出

镉	1.4	未检出
			铜	6.8	未检出
汞	0.0	未检出
			砷	274.6	未检出

由此可见，经含螯合基团的壳聚糖处理后的板蓝根水溶液中的重金属离子含量达到《药用植物及制剂进出口绿色行业标准》。 

实施例2 

一、含螯合基团的壳聚糖的制备 

1)取1000克市售的壳聚糖(分子量为50KDa，脱乙酰化为89％)，用3750毫升乙醇反复洗涤，过滤，晾干后得到壳聚糖A； 

2)将壳聚糖A加入到6250毫升乙醇中，加入872克亚磷酸、319克多聚甲醛和265毫升浓盐酸，加热至70℃，搅拌24小时；冷却至室温，过滤，用蒸馏水洗涤得到的壳聚糖至洗涤液的pH为6.5，将所得壳聚糖在40℃下真空干燥，用6250ml乙醇、3000ml 5％氢氧化钠溶液、6000ml去离子水、3000ml 5％的盐酸溶液、8000ml去离子水依次洗涤直到pH为6；将得到的壳聚糖加入到257克三氯化铁和2315毫升水组成的溶液中，在30℃下搅拌12小时，过滤，用去离子水洗至洗涤液检测不出三价铁离子为止，晾干，得到1235克壳聚糖B； 

3)取1235克壳聚糖B，加入309克二硫化碳、163克氢氧化钠和3100毫升水组成的溶液，在20℃下搅拌3小时，然后在50℃下搅拌5小时；冷却至室温，用浓盐酸调节体系pH为7，过滤，用蒸馏水洗涤得到的壳聚糖3次，在40℃下真空干燥，得到1515克含螯合基团的壳聚糖(壳聚糖C)。 

采用显微红外光谱检测，结果表明壳聚糖C在2083cm^-1(胺基二硫代甲酸基)和1639cm^-1(负载有三价铁离子的胺基亚甲基磷酸基)处分别有明显特征峰出现，表明壳聚糖C含有胺基二硫代甲酸基和负载三价铁离子的胺基亚甲基磷酸基等多种螯合基团。 

二、应用含螯合基团的壳聚糖去除甘草水溶液中的重金属离子 

取市售的甘草浸膏粉200克，加入1000毫升水使其溶解。向甘草水溶液中加入80克实施例2中制备的含螯合基团的壳聚糖，剧烈搅拌75分钟，过滤，收集滤液。 

采用瓦里安700型电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-AES)，测定处理前后的甘草水溶液中铅、镉、铜、汞和砷的含量，结果见表2： 

表2处理前后的甘草水溶液中重金属元素的含量 

所测定的重金属元素	处理前(mg/Kg)	处理后(mg/Kg)
			铅	3.0	未检出
镉	1.2	未检出
			铜	1.7	未检出
汞	0.0	未检出
			砷	235.2	未检出

由此可见，经含螯合基团的壳聚糖处理后的甘草溶液中的重金属离子含量达到《药用植物及制剂进出口绿色行业标准》。 

实施例3 

一、含螯合基团的壳聚糖的制备 

1)取150克市售的壳聚糖(分子量为80KDa，脱乙酰化为89％)，用900毫升乙醇反复洗涤，过滤，晾干后得到壳聚糖A； 

2)将壳聚糖A加入到940毫升乙醇中，加入109克亚磷酸、40克多聚甲醛和30毫升浓盐酸，加热至70℃，搅拌12小时；冷却至室温后，过滤，用蒸馏水洗涤得到的壳聚糖至洗涤液的pH为7，将所得壳聚糖在30℃下真空干燥，用1125ml乙醇、600ml 5％氢氧化钠溶液、1050ml去离子水、600ml 5％的盐酸溶液、1500ml去离子水依次洗涤至洗涤液的pH为7；将所得壳聚糖加入到32.1克三氯化铁和290毫升水组成的溶液中，在30℃下搅拌10小时，过滤，用去离子水洗至洗涤液检测不出三价铁离子为止，在30℃下真空干燥，得到178.5克壳聚糖B； 

3)取178.5克壳聚糖B，加入49.8克二硫化碳、26.2克氢氧化钠和410毫升水组成的溶液，在30℃下搅拌2小时，然后在45℃下搅拌3小时；冷却至室温，用浓盐酸调节体系至中性，过滤，用蒸馏水洗涤得到的壳聚糖4次，在30℃下真空干燥，得到220.7克含螯合基团的壳聚糖(壳聚糖C)。 

采用显微红外光谱检测，结果表明壳聚糖C在2085cm^-1(胺基二硫代甲酸基)和1641cm^-1(负载有三价铁离子的胺基亚甲基磷酸基)处分别有明显特征峰出现，表明壳聚糖C含有胺基二硫代甲酸基和负载三价铁离子的胺基亚甲基磷酸基等多种螯合基团。 

二、应用含螯合基团的壳聚糖去除葛根水溶液中的重金属离子 

取市售的中药葛根250克，用微型植物粉碎机粉碎，得到50-100目的粉末。将粉末倒入2升的烧杯中，加1升蒸馏水，浸泡30分钟，剧烈搅拌下加热至沸腾，煮20分钟后过滤，收集滤液；滤饼再加1升蒸馏水，加热至沸腾，煮20分钟后过滤，合并两次滤液，减压除去大部分水，得到膏状固体20克。 

将该膏状固体溶于100毫升水，加入5克实施例3中制备的含螯合基团的壳聚糖，剧烈搅拌30分钟，过滤，收集滤液。 

采用瓦里安700型电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-AES)，测定处理前后的葛根水溶液中铅、镉、铜、汞和砷的含量，结果见表3： 

表3处理前后的葛根水溶液中重金属元素的含量 

所测定的重金属元素	处理前(mg/Kg)	处理后(mg/Kg)
			铅	3.0	未检出
镉	0.9	未检出
			铜	15.5	未检出
汞	0.5	未检出
			砷	50.6	未检出

由此可见，经含螯合基团的壳聚糖处理后的葛根溶液中的重金属 离子含量达到《药用植物及制剂进出口绿色行业标准》。 

实施例4 

一、含螯合基团的壳聚糖的制备 

1)取50克市售的壳聚糖(分子量为100KDa，脱乙酰化为89％)，用125毫升甲醇反复洗涤，过滤，晾干后得到壳聚糖A； 

2)将壳聚糖A加入到313毫升甲醇中，加入43.6克亚磷酸、16.0克多聚甲醛和14.5毫升浓盐酸，加热至70℃，搅拌12小时；冷却至室温，过滤，用蒸馏水洗涤得到的壳聚糖至洗涤液的pH为7，将所得壳聚糖在40℃下真空干燥，用313ml甲醇、250ml 5％氢氧化钠溶液、400ml去离子水、250ml 5％的盐酸溶液、500ml去离子水依次洗涤至洗涤液的pH为7；将所得壳聚糖加入到12.9克三氯化铁和116毫升水组成的溶液中，在30℃下搅拌10h，过滤，用去离子水洗至洗涤液检测不出三价铁离子为止，在40℃下真空干燥，得到61.8克壳聚糖B； 

3)取61.8克壳聚糖B，加入15.5克二硫化碳、8.2克氢氧化钠和128毫升水组成的溶液，在40℃下搅拌1小时，然后在45℃下搅拌3小时；冷却至室温，用浓盐酸调节体系至pH为7，过滤，用蒸馏水洗涤得到的壳聚糖5次，在40℃下真空干燥，得到75.8克含螯合基团的壳聚糖(壳聚糖C)。 

采用显微红外光谱检测，结果表明壳聚糖C在2090cm^-1(胺基二硫代甲酸基)和1645cm^-1(负载有三价铁离子的胺基亚甲基磷酸基)处分别有明显特征峰出现，表明壳聚糖C含有胺基二硫代甲酸基和负载三价铁离子的胺基亚甲基磷酸基等多种螯合基团。 

二、应用含螯合基团的壳聚糖去除电镀废液中的重金属离子 

取某电镀厂的电镀废液400毫升，加入10克实施例4中制备的含螯合基团的壳聚糖，剧烈搅拌60分钟，过滤，收集滤液。 

采用瓦里安700型电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-AES)，测定处理前后的电镀废液溶液中镍的含量，结果见表4： 

表4处理前后的电镀废液中重金属元素的含量 

所测定的重金属元素	处理前(mg/Kg)	处理后(mg/Kg)
			镍	35.8	未检出

由此可见，经含螯合基团的壳聚糖处理后的电镀废液中的重金属镍离子含量已经无法检测出，达到国家排放标准。 

Claims (7)

1.一种含螯合基团的壳聚糖，其特征在于，所述螯合基团为交联胺基二硫代甲酸基和负载三价铁离子的胺基亚甲基磷酸基，所述含螯合基团的壳聚糖通过如下方法制备：

对壳聚糖进行纯化，得到壳聚糖A；在浓盐酸的酸性条件下，将壳聚糖A与亚磷酸、多聚甲醛反应，使壳聚糖A中20％～30％的氨基转化为胺基亚甲基磷酸基，然后与质量百分比为10％的三氯化铁溶液反应，使胺基亚甲基磷酸基负载三价铁离子，得到含有负载三价铁离子的胺基亚甲基磷酸基的壳聚糖B；随后在质量百分比为4～6.5％的氢氧化钠溶液的碱性条件下，将壳聚糖B与二硫化碳反应，将壳聚糖B中剩余的氨基转化为胺基二硫代甲酸基，得到交联胺基二硫代甲酸基和负载三价铁离子的胺基亚甲基磷酸基的壳聚糖；

所述壳聚糖A、亚磷酸、多聚甲醛、浓盐酸的重量比为1∶0.58～0.88∶0.22～0.32∶0.2～0.29；

所述壳聚糖A与三氯化铁的重量比为1∶0.17～0.26；

所述壳聚糖B与二硫化碳及氢氧化钠的重量比为1∶0.25～0.31∶0.13～0.16。

2.一种权利要求1所述的含螯合基团的壳聚糖的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)用醇类溶剂对壳聚糖进行纯化，得到壳聚糖A；

2)在浓盐酸的酸性条件下，将壳聚糖A在醇类溶剂中与亚磷酸、多聚甲醛反应，加热至70℃，搅拌12～24小时，使壳聚糖A中20％～30％的氨基转化为胺基亚甲基磷酸基，然后与质量百分比为10％的三氯化铁溶液反应，在30℃下搅拌8～12小时，得到含有负载三价铁离子的胺基亚甲基磷酸基的壳聚糖B；

3)在质量百分比为4～6.5％的氢氧化钠溶液的碱性条件下，将壳聚糖B与二硫化碳反应，在20～40℃下搅拌1～3小时，然后在45～50℃下搅拌3～5小时；使壳聚糖B中剩余的氨基转化为胺基二硫代甲酸盐，用浓盐酸调节pH为6～7，用蒸馏水洗涤后得到交联胺基二硫代甲酸基和负载三价铁离子的胺基亚甲基磷酸基的壳聚糖；

所述壳聚糖A、亚磷酸、多聚甲醛、浓盐酸的重量比为1∶0.58～0.88∶0.22～0.32∶0.2～0.29；

所述壳聚糖A与三氯化铁的重量比为1∶0.17～0.26；

所述壳聚糖B与二硫化碳及氢氧化钠的重量比为1∶0.25～0.31∶0.13～0.16。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述醇类溶剂为甲醇、乙醇或异丙醇。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)包括：取壳聚糖，用相当于壳聚糖质量2～5倍的醇类溶剂洗涤，过滤，晾干后得到壳聚糖A。

5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2)包括：

a)将壳聚糖A加入到醇类溶剂中，然后加入亚磷酸、多聚甲醛和浓盐酸，加热至70℃，搅拌12～24小时；冷却至室温，过滤，用蒸馏水洗涤至洗涤液呈中性，干燥；

b)用分别相当于壳聚糖质量5～8倍的醇类溶剂、3～5倍的5％氢氧化钠溶液、6～8倍的去离子水、3～5倍的5％盐酸溶液、8～10倍的去离子水依次洗涤至洗涤液的pH为6～7；

c)加入质量百分比为10％的三氯化铁溶液，在30℃下搅拌8～12小时，过滤，用去离子水洗涤壳聚糖至检测不出三价铁离子，干燥，得到壳聚糖B。

6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3)包括：取壳聚糖B，加入二硫化碳和氢氧化钠溶液，在20～40℃下搅拌1～3小时，然后在45～50℃下搅拌3～5小时；冷却至室温，用浓盐酸调节pH为6～7，过滤，用蒸馏水洗涤3～5次，干燥。

7.一种权利要求1所述的含螯合基团的壳聚糖在去除中药粉末的水溶液、中药提取液或电镀废液中重金属离子的应用。