CN103263895A - 改性磁性壳聚糖微球重金属离子吸附剂的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种改性磁性壳聚糖微球重金属离子吸附剂的制备方法，具体涉及一种对食品中重金属离子具有选择性好、吸附性能好、可重复利用的改性磁性壳聚糖材料及其制备方法。具体而言，本发明公开了一种改性磁性壳聚糖微球重金属离子吸附剂的制备方法，包括以壳聚糖粉末为原料制备磁性壳聚糖微球，以及进一步将磁性壳聚糖微球制备成羟丙基氯磁性壳聚糖微球，以所述羟丙基氯磁性壳聚糖微球为母体，2-氨基噻唑为配体，对羟丙基氯磁性壳聚糖微球进行化学接枝，得改性磁性壳聚糖微球重金属离子吸附剂。采用本发明方法制备而得的改性磁性壳聚糖微球重金属离子吸附剂对Hg²⁺离子具备选择性吸附。

Description

改性磁性壳聚糖微球重金属离子吸附剂的制备方法

技术领域

本发明涉及一种改性磁性壳聚糖微球重金属离子吸附剂的制备方法，具体涉及一种对食品中重金属离子具有选择性好、吸附性能好、可重复利用的改性磁性壳聚糖材料及其制备方法。

背景技术

随着现代分析技术和分析仪器的发展，重金属元素的检测限已经大幅降低。但是，在痕量和超痕量重金属元素分析过程中，由于大量共存元素的干扰，使得直接测定非常困难。解决该问题的方法主要有两种，一种办法是发展仪器的联用技术，如ICP-MS等，但此种方法操作较为复杂、成本高且费时，难以实现常规化分析；另一种方法是预先进行分离富集，然后用常规仪器测定。水环境中重金属的分离富集方法种类繁多，主要有化学沉降法、电渗析法、萃取法、薄膜法等。近年来新发展的方法有液膜法、浊点萃取法以及天然高分子作为吸附剂的吸附法。这些方法存在一些缺点，如操作费用高、能耗高，且易对环境造成二次污染等。吸附法也是一种分离和富集金属离子的重要方法，具有机械强度高、化学稳定性好，无二次污染等优点。因此，寻找低成本、高性能的环保型吸附剂已经越来越重要。

磁性高分子微球是近年发展起来的一种新型多功能材料，并被已广泛应用到诸多领域。在具有许多高分子微球的特性同时因具有超顺磁性，能在外加磁场下快速分离，因此已有研究表明，磁性高分子微球是一种新型的重金属离子吸附剂。磁性壳聚糖微球属于磁性高分子微球，其高分子部分为壳聚糖，具有来源广泛，吸附容量大，洗脱率高，无毒无害，易生物降解等优点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种工艺简单、成本低廉的改性磁性壳聚糖微球重金属离子吸附剂的制备方法，采用该方法制备而得的改性磁性壳聚糖微球重金属离子吸附剂对Hg²⁺离子有较高的选择性吸附。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种改性磁性壳聚糖微球重金属离子吸附剂的制备方法，包括以壳聚糖粉末为原料制备磁性壳聚糖微球，以及进一步将磁性壳聚糖微球制备成羟丙基氯磁性壳聚糖微球，以所述羟丙基氯磁性壳聚糖微球为母体，2-氨基噻唑(AT)为配体，对羟丙基氯磁性壳聚糖微球进行化学接枝，得改性磁性壳聚糖微球重金属离子吸附剂。

作为本发明的改性磁性壳聚糖微球重金属离子吸附剂的制备方法的改进：

化学接枝包括以下步骤：

①、将50mg羟丙基氯磁性壳聚糖微球放入40~60mL（较佳为50mL）反应溶剂中，充分溶胀22~26小时（较佳为24h）；

②、在步骤①的所得物中加入作为配体的2-氨基噻唑（AT）240~260mg(较佳为250mg)、

作为催化剂的质量分数为4~6%（较佳为5%）的NaOH溶液12~13mL（较佳为12.5mL），在氮气保护下于70~90℃（较佳为80℃）下搅拌反应7~9h；过滤，得滤饼；

③、将步骤②所得的滤饼先用丙酮、石油醚洗涤，再用无水乙醇、蒸馏水充分洗涤，抽滤；

④、将步骤③所得物干燥至恒重，用磁铁分离、收集，得改性磁性壳聚糖微球重金属离子吸附剂（MCTS-g-AT）。

作为本发明的改性磁性壳聚糖微球重金属离子吸附剂的制备方法的进一步改进：步骤①中的反应溶剂为蒸馏水。

作为本发明的改性磁性壳聚糖微球重金属离子吸附剂的制备方法的进一步改进：以壳聚糖粉末为原料制备磁性壳聚糖微球包括以下步骤：

①、室温（10~25℃）下，在0.6g壳聚糖粉末中加入质量分数为4%的乙酸溶液从而配置成壳聚糖质量分数为2.5%的壳聚糖乙酸溶液，待壳聚糖完全溶解后加入0.15g的Fe₃O₄固体粉末并超声振荡分散20min，然后，加入50mL液体石蜡和20mL的Span-80（具体为S-20）的混合液，充分搅拌；

②、将步骤①所得物升温至55℃，加入3mL戊二醛，设置搅拌速度450r/min，搅拌状态下交联反应3.5h；过滤，得滤饼；

③、在步骤②所得滤饼中加入质量浓度5%的NaOH溶液，维持溶液呈碱性（即，调节ph>7），然后升温至70℃后继续搅拌反应2h；过滤，得滤饼；

④、将步骤③所得滤饼先用丙酮、石油醚洗涤，再用无水乙醇、蒸馏水充分洗涤，抽滤；

⑤、将步骤④所得物干燥至恒重，用磁铁分离、收集，得磁性壳聚糖微球（MCTS）。

作为本发明的改性磁性壳聚糖微球重金属离子吸附剂的制备方法的进一步改进：将磁性壳聚糖微球制备成羟丙基氯磁性壳聚糖微球，包括以下步骤：

①、称取磁性壳聚糖微球（MCTS）1.00g于250mL三颈瓶中，加入70mL异丙醇使磁性壳聚糖微球悬浮，搅拌下缓慢加入10mL环氧氯丙烷以及高氯酸0.2mL，60℃下反应3h；

②、将步骤①所得物先用丙酮、石油醚洗涤，再用无水乙醇、蒸馏水充分洗涤，抽滤；

③、将步骤②所得物干燥至恒重，用磁铁分离、收集，得羟丙基氯磁性壳聚糖微球（ECH-MCTS）。

作为本发明的改性磁性壳聚糖微球重金属离子吸附剂的制备方法的进一步改进：制备而得的改性磁性壳聚糖微球重金属离子吸附剂对Hg²⁺离子具备选择性吸附。

在本发明中，以壳聚糖粉末为原料制备磁性壳聚糖微球的方法可参考《磁性壳聚糖改性研究及其在水处理中的应用》，即：以壳聚糖粉末为原料，球型纳米Fe₃O₄微粒为磁性材料，戊二醛为交联剂，通过乳化交联法制备磁性壳聚糖微球。

在本发明中，将磁性壳聚糖微球制备成羟丙基氯磁性壳聚糖微球的方法可参考《磁性壳聚糖微球的改性表征及吸附行为研究》；即，以磁性壳聚糖微球与环氧氯丙烷反应，通过引入羟丙基氯基团制备羟丙基氯磁性壳聚糖微球。

采用本发明方法制备而得的改性磁性壳聚糖微球重金属离子吸附剂，进行如下的实验：

一、重金属离子吸附实验：

吸附实验在恒温振荡器中进行，称取4份一定量（15.0 mg）的MCTS-g-AT至碘量瓶中，分别加入一定体积（26 ml,24 ml,22 ml, 20ml）、一定pH值(pH值为5)的缓冲溶液浸泡24h，然后分别加入一定量（4 ml,6 ml, 8 ml,10 ml）的配制好的重金属离子标准液，在搅拌下进行吸附操作。每隔一定时间测定分析水相中残余金属离子浓度，直至平衡。用下式计算吸附量(Q_e)及分配比(D)：

$Q_e=\frac{(C_o-C_e)V}{m}$

$D=\frac{Q_e}{C_e}$

式中Q_e为平衡时新型交联壳聚糖微球（改性磁性壳聚糖微球重金属离子吸附剂，即MCTS-g-AT）的吸附量(mg·g^-1)；C_o和C_e分别为水相中金属离子的初始浓度(mg·mL^-1)和平衡浓度(mg·mL^-1)；m为新型交联壳聚糖微球质量(g)；V为液相体积(mL)，是指重金属离子标准液和缓冲溶液体积之和。

二、解吸实验

将吸附平衡后的微球用去离子水反复洗涤多次，晾干后加入一定量(30mL)的解吸剂（即，4mol/L HCl）。恒温振荡至平衡后测定溶液中重金属离子的浓度。吸附剂的解吸率E(%)按下式计算：

$E(\%)=\frac{\left(C_d{V}_d\right)}{(C_0-C_e)V}\×100\%$

式中C_d为解吸剂中金属离子的平衡浓度(mg·mL^-1)；V_d为所用的解吸液体积(mL)。C_o和C_e分别为水相中金属离子的初始浓度(mg·mL^-1)和平衡浓度(mg·mL^-1)；V为液相体积(mL)。

本发明相对于现有技术，有以下优点：

1、本发明制得的改性磁性壳聚糖微球重金属离子吸附剂原料是壳聚糖，来源广泛，价格低廉，具有良好的生物兼容性，可生物降解，具有明显的经济效益和环境效益。

2、本发明利用化学接枝法将磁性壳聚糖改性，使壳聚糖具有较大的化学稳定性和生物相容性，并增强了抵抗酸、碱和有机溶剂的能力及其吸附能力。

3、本发明方法制得的MCTS-g-AT对Hg²⁺离子有较高的选择性吸附，吸附量大，吸附速度快。

4、本发明制得的改性磁性壳聚糖微球重金属离子吸附剂化学稳定性好，容易洗脱，只需要少量盐酸就可以完全洗脱，减少二次污染。可在外加磁场条件下快速分离。可重复使用。

本发明的改性磁性壳聚糖微球重金属离子吸附剂的制备方法简单，操作简便，产率高。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1是配体2-氨基噻唑（AT）的结构图；

图2是不同pH值下MCTS-g-AT对金属离子的吸附容量图；

图3是MCTS-g-AT对Hg²⁺的吸附曲线图；

图4是MCTS-g-AT对Hg²⁺的解吸图；

图5是MCTS-g-AT对Hg²⁺的穿透曲线图；

图6是MCTS-g-AT对Hg²⁺的动态解吸曲线图；

图7是MCTS-g-AT吸附Hg²⁺后的EDS表征图。目的是证明Hg²⁺被微球MCTS-g-AT 吸附了。

具体实施方式

下面结合具体实施例来进一步描绘本发明，但本发明的内容并不限于此。

实施例1、一种改性磁性壳聚糖微球重金属离子吸附剂的制备方法，包括以下步骤：

一、制备磁性壳聚糖微球，依次进行以下步骤：

①、室温下，在0.6g壳聚糖粉末中加入质量分数为4%的乙酸溶液配置成的约20mL的质量分数为2.5%的壳聚糖乙酸溶液，待壳聚糖完全溶解后加入0.15gFe₃O₄固体粉末并超声振荡（超声频率59kHz、振荡幅度20mm）分散20min，然后，加入50mL液体石蜡和20mL的Span-80（例如，可选用S-20）的混合液，充分搅拌10min；

②、将步骤①所得物升温至55℃，加入3mL戊二醛，设置搅拌速度450r/min，搅拌状态下交联反应3.5h；

③、在步骤②所得物中加入5%（质量%）的NaOH溶液，维持溶液呈碱性（即，调节ph>7），升温至70℃后继续搅拌反应2h；过滤，得滤饼；

④、将步骤③所得滤饼先用丙酮（50ml）、石油醚（50ml）洗涤，再用无水乙醇（100ml）、蒸馏水（300ml）充分洗涤，抽滤。

⑤、将步骤④所得物干燥（50℃）至恒重，用磁铁分离、收集，得磁性壳聚糖微球（MCTS）约0.5g。

二、制备羟丙基氯磁性壳聚糖微球，依次进行以下步骤：

①、称取磁性壳聚糖微球（MCTS）1.00g于250mL三颈瓶中，加入70mL异丙醇使之悬浮，搅拌下缓慢加入10mL环氧氯丙烷，高氯酸0.2mL，60℃下反应3h。过滤，得滤饼。

②、将步骤①所得滤饼先用丙酮（50ml）、石油醚（50ml）洗涤，再用无水乙醇（100ml）、蒸馏水（300ml）充分洗涤，抽滤。

③、将步骤②所得物干燥（50℃）至恒重，用磁铁分离、收集，得羟丙基氯磁性壳聚糖微球（ECH-MCTS）约0.8g。

三、以羟丙基氯磁性壳聚糖微球为母体，2-氨基噻唑(AT)为配体，对羟丙基氯磁性壳聚糖微球进行化学接枝，依次进行以下步骤：

①、将50mg羟丙基氯磁性壳聚糖微球放入50mL反应溶剂（蒸馏水）中，充分溶胀24h。

②、在步骤①所得物中加入作为配体的2-氨基噻唑（AT）250mg，作为催化剂的质量分数为5%的NaOH溶液12.5mL，在氮气保护下于80℃下搅拌反应8h。过滤，得滤饼；

③、将步骤②所得滤饼先用丙酮（50ml）、石油醚（50ml）洗涤，再用无水乙醇（100ml）、蒸馏水（300ml）充分洗涤，抽滤。

④、将步骤③所得物干燥（50℃）至恒重，用磁铁分离、收集，得改性磁性壳聚糖微球重金属离子吸附剂（MCTS-g-AT）约50mg。

实验1：

准确称取每份为15.0 mg 的MCTS-g-AT 6份，分别加入20ml，pH=6.0、pH=5.5、pH=5.0、pH=4.5、pH=4.0和pH=3.5的HAc-NaAc缓冲溶液浸泡24h后，加入10mL，1mg/mL的重金属Hg²⁺离子溶液（为氯化汞的水溶液），288 K下置于恒温振荡中，以100rpm的转速恒温振摇，每隔一定时间测定分析水相中残余金属离子浓度，直至平衡。按上述方法，能获得吸附剂MCTS-g-AT对不同金属离子（分别为1mg/mLCu²⁺、1mg/mLCd²⁺、1mg/mLPb²⁺、1mg/mLZn²⁺）的吸附容量，从而得出pH对改性后的交联壳聚糖微球吸附各重金属离子性能的影响。所得结果如图2所示。

从图2中可得知：pH=5.0HAc-NaAc缓冲溶液浸泡后的MCTS-g-AT对Hg²⁺的饱和吸附容量为192.8mg/g。

此实验主要是考察pH对吸附容量的影响，从而得到相对于其他几个重金属离子，该吸附剂对Hg²⁺ 具有选择性。

随着pH值逐渐接近最佳值，微球MCTS-g-AT对Hg(II)的吸附容量逐渐达到最大值，而对其他四种金属离子吸附容量的变化很微小；而当pH值逐渐远离最佳值，MCTS-g-AT对五种金属离子吸附容量的差距逐渐变小，显示不出选择性。pH=5.0HAc-NaAc缓冲溶液浸泡后的MCTS-g-AT对Hg²⁺的饱和吸附容量为192.8mg/g。

将温度由288 K分别改成298K、308K，pH=5.0HAc-NaAc缓冲溶液浸泡后的MCTS-g-AT对Hg²⁺的吸附容量如图3所示。即，18小时后，分别为198.6mg/g、213.9mg/g。

图3，主要是为了说明吸附剂对Hg²⁺ 的吸附量随时间和温度的变化，微球的吸附量随着吸附时间的延续而增加，在接触时间相同的条件下，温度对吸附量也存在影响，随着温度升高吸附量也依次升高。

实验2：

准确称取100 mg 的MCTS-g-AT，用静态实验中吸附Hg²⁺的最佳NaAc-HAc缓冲溶液（即pH=5缓冲液）浸泡24小时后装入带有旋塞的玻璃柱中，加入1mg/mL的Hg²⁺金属离子标准液，控制流速为25mL/h。以25.0 mL的流出液为单位分段收集，测其吸光度，求得相应金属离子浓度C_e，直到流出液中金属离子的浓度C_e＝C₀为止。计算动态吸附量，并将实验数据用托马斯模型对曲线参数进行线性拟合，如图5所示。金属离子Hg²⁺的动态吸附量为201.7mg/g。

实验3：

当动态吸附达到饱和时，用吸附条件中最佳pH值的NaAc-HAc缓冲溶液（即pH=5缓冲液）冲洗微球五遍后（每遍的用量为10ml），将未被吸附的金属离子（即可能附着在微球表面的金属离子）全部洗出。然后用如图4所述的静态解吸实验中得到的最佳解吸条件（即解吸剂为4mol/L的盐酸溶液）进行解吸实验。控制流速为25mL/h，以25.0 mL的流出液为单位分段收集，收集了五次，每次测得的Hg²⁺浓度分别为0.398mg/mL，0.19mg/mL，0.077mg/mL，0.003mg/mL ，0 mg/mL。具体如图6所示。

对比例1-1、

将实施例1步骤三的步骤②中的配体由2氨基噻唑(AT)改成2-巯基苯并咪唑（MBM），其余等同于实施例1，按照上述实验的方法进行检测，最终所得的结论为：

在pH=5（为最佳pH）的HAc-NaAc缓冲溶液浸泡24小时后，MCTS-g-MBM对Hg(II)离子的饱和吸附容量（静态吸附试验）仅为66.1mg/g。其吸附量远不及MCTS-g-AT的吸附容量。

对比例1-2、

将实施例1步骤三的步骤②中的配体由2氨基噻唑(AT)改成2-氨基苯并咪唑（ABM），其余等同于实施例1，按照上述实验的方法进行检测，最终所得的结论为：

在pH=5（为最佳pH）的HAc-NaAc缓冲溶液浸泡24小时后，MCTS-g-ABM对Hg(II)离子的饱和吸附容量仅为40.2mg/g。其吸附量远不及MCTS-g-AT的吸附容量。

对比例2、

将实施例1步骤三的步骤②中的温度80℃分别改成60、70、90℃，其余完全同实施例1。

反应温度对合成的微球的S元素含量的影响结果如下：

一般情况下，当温度较高时，有利于合成反应的进行，但也要兼顾反应溶剂和配体的熔沸点，以及微球本身的热承受能力。根据S元素的含量，MCTS-g-AT的最佳合成温度为80℃。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (6)

1.改性磁性壳聚糖微球重金属离子吸附剂的制备方法，包括以壳聚糖粉末为原料制备磁性壳聚糖微球，以及进一步将磁性壳聚糖微球制备成羟丙基氯磁性壳聚糖微球，其特征是：

以所述羟丙基氯磁性壳聚糖微球为母体，2-氨基噻唑为配体，对羟丙基氯磁性壳聚糖微球进行化学接枝，得改性磁性壳聚糖微球重金属离子吸附剂。

2.根据权利要求1所述的改性磁性壳聚糖微球重金属离子吸附剂的制备方法，其特征是：

所述化学接枝包括以下步骤：

①、将50mg羟丙基氯磁性壳聚糖微球放入40~60mL反应溶剂中，充分溶胀22~26小时；

②、在步骤①的所得物中加入作为配体的2-氨基噻唑240~260mg、作为催化剂的质量分数为4~6%的NaOH溶液12~13mL，在氮气保护下于70~90℃下搅拌反应7~9h；过滤，得滤饼；

③、将步骤②所得的滤饼先用丙酮、石油醚洗涤，再用无水乙醇、蒸馏水洗涤，抽滤；

④、将步骤③所得物干燥至恒重，用磁铁分离、收集，得改性磁性壳聚糖微球重金属离子吸附剂。

3.根据权利要求2所述的改性磁性壳聚糖微球重金属离子吸附剂的制备方法，其特征是：所述步骤①中的反应溶剂为蒸馏水。

4.根据权利要求3所述的改性磁性壳聚糖微球重金属离子吸附剂的制备方法，其特征是：

以壳聚糖粉末为原料制备磁性壳聚糖微球包括以下步骤：

①、室温下，在0.6g壳聚糖粉末中加入质量分数为4%的乙酸溶液从而配置成壳聚糖质量分数为2.5%的壳聚糖乙酸溶液，待壳聚糖完全溶解后加入0.15g的Fe₃O₄固体粉末并超声振荡分散20min，然后，加入50mL液体石蜡和20mL的Span-80的混合液，充分搅拌；

②、将步骤①所得物升温至55℃，加入3mL戊二醛，设置搅拌速度450r/min，搅拌状态下交联反应3.5h；

③、在步骤②所得物中加入质量浓度5%的NaOH溶液，维持溶液呈碱性，然后升温至70℃后继续搅拌反应2h；过滤，得滤饼；

④、将步骤③所得滤饼先用丙酮、石油醚洗涤，再用无水乙醇、蒸馏水洗涤，抽滤；

⑤、将步骤④所得物干燥至恒重，用磁铁分离、收集，得磁性壳聚糖微球。

5.根据权利要求4所述的改性磁性壳聚糖微球重金属离子吸附剂的制备方法，其特征是：

将磁性壳聚糖微球制备成羟丙基氯磁性壳聚糖微球，包括以下步骤：

①、称取磁性壳聚糖微球1.00g于250mL三颈瓶中，加入70mL异丙醇使磁性壳聚糖微球悬浮，搅拌下加入10mL环氧氯丙烷以及高氯酸0.2mL，60℃下反应3h；过滤，得滤饼；

②、将步骤①所得滤饼先用丙酮、石油醚洗涤，再用无水乙醇、蒸馏水洗涤，抽滤；

③、将步骤②所得物干燥至恒重，用磁铁分离、收集，得羟丙基氯磁性壳聚糖微球。

6.根据权利要求1~5任一所述改性磁性壳聚糖微球重金属离子吸附剂的制备方法，其特征是：制备而得的改性磁性壳聚糖微球重金属离子吸附剂对Hg²⁺离子具备选择性吸附。

Images