CN109046267A - 一种柠檬酸接枝壳聚糖小球的制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种柠檬酸接枝壳聚糖小球的制备方法,包括如下步骤:1)壳聚糖‑柠檬酸凝胶的制备:向柠檬酸溶液中加入壳聚糖,搅拌均匀,得到壳聚糖‑柠檬酸凝胶;2)柠檬酸接枝壳聚糖湿凝胶球的制备:将步骤1)得到的壳聚糖‑柠檬酸凝胶倒入滴定管中,并在磁力搅拌下逐滴滴入到氢氧化钠溶液中,收集得到柠檬酸接枝壳聚糖湿凝胶球;3)柠檬酸接枝壳聚糖小球的制备:将步骤2)得到的柠檬酸接枝壳聚糖湿凝胶球进行冷冻干燥处理后,得到壳聚糖‑柠檬酸小球。本发明属于重金属吸附剂技术领域,在提高柠檬酸接枝壳聚糖小球吸附性能的同时,兼顾了生物相溶性,提高了稳定性,可广泛应用于铜离子等重金属吸附。
Description
技术领域
本发明属于重金属吸附剂技术领域,尤其涉及一种柠檬酸接枝壳聚糖小球的制备方法及其应用。
背景技术
在人类社会的历史发展进程中,水是人类生存和发展最重要的资源之一。然而,近年来世界人口的不断增长,工业化以及城市化的快速发展,使得人类赖以生存的水环境受到了严重的污染,产生的大量重金属废水(如铅、铬、砷、镉、铜等)严重危害人体健康,尤其是大多数金属离子及其化合物易于被水中的悬浮颗粒所吸附而沉淀于水体的沉积层中,长期污染水体,对人体产生毒性效应。因此,有效地处理水体中过量的重金属,对于减轻环境污染和保障人体健康具有重要意义。
目前,化学沉淀法、离子交换法、膜滤法、电化学法、反渗透法、溶剂萃取法、吸附法等技术已经用于处理水体重金属污染。而吸附法具有成本低、效率高等显著优势,因而被广泛用于水体中重金属污染的治理。同时,各种吸附剂中,生物吸附剂由于具有来源广泛、不会造成二次污染以及价格低廉等优势而受到了广泛关注。
壳聚糖(CS)是由甲壳素经脱乙酰而得到的除纤维素外第二大类天然高分子材料,具有氨基和羟基官能团,是唯一一种可生物再生的碱性多糖类高分子。壳聚糖具有来源广泛、生物降解性、生物相容性、抗菌性、无毒副作用,是一种良好的生物吸附剂,对重金属离子的配位能力较强。然而在弱酸性条件下,壳聚糖的氨基容易发生质子化而导致壳聚糖的强度下降甚至发生溶解,从而在一定程度上限制了其应用范围。
柠檬酸(CA)又称枸缘酸,化学名称为2-羟基丙烷-1,2,3-三羧酸,是一种三羧酸类化合物,具有安全无毒、亲水性和反应活性优良等特点,多用于食品工业,常作为食品的酸味剂,同时也用于医药工业以及化学工业,具有良好的应用前景。
中国专利申请CN 105597690A公开了一种金属吸附生物材料,为多孔泡沫样材料,制备原料包括柠檬酸1-10份、木聚糖1-10份、羧甲基壳聚糖1-10份,对钴、锰和铜等具有吸附效果,对Cu的最大吸附力达到71mg/g,但仍不够理想。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题本发明提供一种柠檬酸接枝壳聚糖小球的制备方法,通过使用柠檬酸对壳聚糖进行反应改性引入羧基基团,进而形成一定粒径的柠檬酸接枝壳聚糖湿凝胶球,再经真空冷冻干燥处理形成疏松多孔的壳聚糖-柠檬酸小球,从而在提高柠檬酸接枝壳聚糖小球吸附性能的同时,兼顾了生物相溶性,并提高了在弱酸性条件下的稳定性,可广泛应用于铜离子等重金属吸附。
本发明提供一种柠檬酸接枝壳聚糖小球的制备方法,包括如下步骤:
1)壳聚糖-柠檬酸凝胶的制备:向柠檬酸溶液中加入壳聚糖,柠檬酸和壳聚糖的质量比为4:1~8:1,搅拌均匀,得到壳聚糖-柠檬酸凝胶;
2)柠檬酸接枝壳聚糖湿凝胶球的制备:将步骤1)得到的壳聚糖-柠檬酸凝胶倒入滴定管中,并在磁力搅拌下逐滴滴入到氢氧化钠溶液中,收集得到柠檬酸接枝壳聚糖湿凝胶球,湿凝胶球的粒径为2.5-3mm;
3)柠檬酸接枝壳聚糖小球的制备:将步骤2)得到的柠檬酸接枝壳聚糖湿凝胶球进行冷冻干燥处理后,得到壳聚糖-柠檬酸小球。
通过使用柠檬酸对壳聚糖进行反应改性引入羧基基团,使其与重金属更好的发生配位作用,从而提高其吸附容量;在制得一定粒径的柠檬酸接枝壳聚糖湿凝胶球的基础上再经真空冷冻干燥处理,形成疏松多孔的粒径为1.8-2.2mm的壳聚糖-柠檬酸小球,从而在提高柠檬酸接枝壳聚糖小球吸附性能的同时,兼顾了生物相溶性,并提高了在弱酸性条件下的稳定性。
优选地,所述壳聚糖-柠檬酸小球的粒径为1.8-2.2mm。
优选地,所述柠檬酸和壳聚糖的质量比为6:1。
优选地,所述步骤1)中壳聚糖的脱乙酰度为90%-98%。
优选地,所述步骤1)中搅拌的温度为20-30℃,时间为4-8h。
优选地,所述步骤2)中氢氧化钠溶液的浓度为1mol/L。
优选地,所述步骤3)中冷冻干燥的温度为-80±2℃,时间为22-28h。
相应地,本发明还提供柠檬酸接枝壳聚糖小球,该小球采用上述制备方法制得。
此外,本发明还提供柠檬酸接枝壳聚糖小球在重金属吸附中的应用。
优选地,所述重金属为铜离子及其化合物。
与现有技术相比,本发明的有益效果包括:
(1)本发明所用的基础原料为壳聚糖,该原料来源丰富,价格低廉且生物降解性及生物相容性好,是一种环境友好型吸附剂;通过利用柠檬酸对壳聚糖进行化学改性,无需加热,在保持壳聚糖本身的吸附性能外增加了羧酸根,羧酸根离子可以与重金属离子产生配位作用,从而提高了吸附剂的吸附能力,对铜离子的吸附量也显著增加。
(2)本发明通过先形成一定粒径的柠檬酸接枝壳聚糖湿凝胶球,再经真空冷冻干燥处理形成疏松多孔的壳聚糖-柠檬酸小球,从而在提高柠檬酸接枝壳聚糖小球吸附性能的同时,兼顾了生物相溶性,并提高了在弱酸性条件下的稳定性,可广泛应用于铜离子等重金属吸附。
(3)本发明制得的柠檬酸接枝壳聚糖小球可广泛应用于吸附铜离子等的吸附,在pH 3.0-5.4酸性条件下的稳定性好,对铜离子的饱和吸附量高达195.29mg/g,抗吸附干扰能力较强。
附图说明
图1为柠檬酸接枝壳聚糖小球的制备流程示意图;
图2为实施例1制得的柠檬酸接枝壳聚糖小球的红外光谱图;
图3为实施例1制得的柠檬酸接枝壳聚糖小球切面扫描电镜图(×2500倍);
图4为实施例3中不同pH条件下柠檬酸接枝壳聚糖小球对铜离子吸附量的结果图;
图5为实施例3中不同羧基和氨基比条件下柠檬酸接枝壳聚糖小球对铜离子吸附量的结果图;
图6为实施例4中不同初始浓度条件下柠檬酸接枝壳聚糖小球对铜离子吸附量的结果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
本发明中,所涉及的材料和试剂为市售产品,或可通过本领域的常规技术手段获得。例如,壳聚糖购自上海蓝季科技发展有限公司。
实施例1:柠檬酸接枝壳聚糖小球的制备
首先取18g柠檬酸溶于100mL蒸馏水中,加入3g壳聚糖(脱乙酰度≥90.0%,分子量70-80万),在25℃下搅拌5h,得到均一稳定的壳聚糖-柠檬酸凝胶;然后将上述凝胶倒入50mL滴定管中,在磁力搅拌下逐滴滴入到400mL浓度为1mol/L的氢氧化钠溶液中,形成粒径为2.5-3mm的湿凝胶球;最后将上述形成的湿凝胶球在-80℃下真空冷冻干燥24h,得到疏松多孔的柠檬酸接枝壳聚糖小球。柠檬酸接枝壳聚糖小球的制备过程如图1所示。将制得的柠檬酸接枝壳聚糖小球采用红外光谱仪进行检测,结果如图2所示,壳聚糖(chitosan)在1658和1598cm-1处吸收峰,而柠檬酸接枝壳聚糖小球(CA-CS)则轻微移动到1660和1599cm-1处,这表明柠檬酸接枝壳聚糖小球的壳聚糖NH2-基团发生了反应,CA-CS-Cu则在吸附了Cu(Ⅱ)后1599cm-1处的峰变弱。
柠檬酸接枝壳聚糖小球的切面扫描电镜图(×2500倍)如图3所示,结果表明形成了多孔状结构。
实施例2:柠檬酸接枝壳聚糖小球的制备
首先取18g柠檬酸溶于100mL蒸馏水中,加入3g壳聚糖(脱乙酰度>90%),在25℃下搅拌6h,得到均一稳定的壳聚糖-柠檬酸凝胶;然后将上述凝胶倒入50mL滴定管中,在磁力搅拌下逐滴滴入到400mL浓度为1mol/L的氢氧化钠溶液中,形成粒径为2.5-3mm的湿凝胶球;最后将上述形成的湿凝胶球在-80℃下真空冷冻干燥22h,得到疏松多孔的柠檬酸接枝壳聚糖小球。
实施例3:不同条件对柠檬酸接枝壳聚糖小球铜离子吸附的影响考察
配制25mL浓度为10mg/L的铜离子溶液,用盐酸和/或氢氧化钠溶液调节铜溶液的酸碱性使其pH值为5.4±0.1,然后向溶液中分别加入0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0g/L的壳聚糖-柠檬酸小球,将其放入旋转混合器,振荡速率为160rpm,温度为25±1℃,24h后取出溶液测定铜离子的浓度,计算铜离子的去除率。在低浓度10mg/L条件下,壳聚糖小球投加剂量为1g/L时完全去除了水中的铜离子。
配制25mL浓度为10mg/L的铜离子溶液,用盐酸和/或氢氧化钠溶液调节铜溶液的酸碱性使其pH分别为3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.4,然后向溶液中加入0.025g的实施例1制得的柠檬酸接枝壳聚糖小球,将其放入旋转混合器,振荡速率为160rpm,温度为25±1℃,24h后取出溶液测定铜离子的浓度,计算该吸附剂对铜离子的吸附量。结果如图4所示,当溶液的pH为5.4时,柠檬酸接枝壳聚糖小球对铜离子的吸附量最大,其值高达47.42mg/g。当溶液的pH>5.5时,溶液中的铜离子容易发生沉淀反应。
在实施例1制备方法的基础上,通过调整柠檬酸和壳聚糖的用量,考察不同羧基和氨基比条件制得的柠檬酸接枝壳聚糖小球对铜离子的吸附效果,结果如图5所示,qe表示平衡吸附量,Cu(Ⅱ)表示铜离子。从图5可知,羧基和氨基比为6:1时吸附效果最佳。
实施例4:不同铜离子初始浓度对柠檬酸酸接枝壳聚糖小球对铜离子吸附的影响考察
配制25mL浓度分别为10、30、50、100、200、300、400mg/L的铜溶液,用盐酸和/或氢氧化钠调节溶液的pH为5.4,然后向溶液中加入0.025g的柠檬酸接枝壳聚糖小球,将其放入旋转混合器,振荡速率为160rpm,温度为25±1℃,24h后测定铜离子的浓度,计算出该吸附剂对铜离子的吸附量,结果如图6所示,经过拟合得出饱和吸附量高达195.29mg/g。
同等条件下,如果向溶液中加入0.025g的壳聚糖,计算出该吸附剂对铜离子的吸附量,经过拟合得出饱和吸附量为3.92mg/g。
通过对比可知,本发明提供的柠檬酸酸接枝壳聚糖小球对铜离子吸附效果好,饱和吸附量高。
实施例5:共存阴阳离子对柠檬酸接枝壳聚糖小球对铜离子吸附量的影响
配制25mL分别含有阴阳离子(K+,Ca2+,Na+,Mg2+,Cl-,NO3 -,SO4 2-)浓度为10mg/L的铜溶液,阴阳离子(K+,Ca2+,Na+,Mg2+,Cl-,NO3 -,SO4 2-)的浓度设置为100、200mg/L,调节溶液的pH为5.4±0.1,然后向溶液中加入0.025g的柠檬酸接枝壳聚糖小球,将其放入旋转混合器,振荡速率为160rpm,温度为25±1℃,24h后测定铜离子的浓度,计算该吸附剂对铜离子的吸附量,结果表明共存离子(K+,Ca2+,Na+,Mg2+,Cl-,NO3 -)对柠檬酸酸接枝壳聚糖小球吸附水中铜离子的影响非常小(吸附量的波动幅度<5%),SO4 2-离子对柠檬酸接枝壳聚糖小球吸附水中铜离子具有轻微的促进作用。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明,不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干简单推演或替换,都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种柠檬酸接枝壳聚糖小球的制备方法,其特征在于:包括如下步骤:
1)壳聚糖-柠檬酸凝胶的制备:向柠檬酸溶液中加入壳聚糖,柠檬酸和壳聚糖的质量比为4:1~8:1,搅拌均匀,得到壳聚糖-柠檬酸凝胶;
2)柠檬酸接枝壳聚糖湿凝胶球的制备:将步骤1)得到的壳聚糖-柠檬酸凝胶倒入滴定管中,并在磁力搅拌下逐滴滴入到氢氧化钠溶液中,收集得到柠檬酸接枝壳聚糖湿凝胶球,湿凝胶球的粒径为2.5-3mm;
3)柠檬酸接枝壳聚糖小球的制备:将步骤2)得到的柠檬酸接枝壳聚糖湿凝胶球进行冷冻干燥处理后,得到壳聚糖-柠檬酸小球。
2.根据权利要求1所述的柠檬酸接枝壳聚糖小球的制备方法,其特征在于:所述壳聚糖-柠檬酸小球的粒径为1.8-2.2mm。
3.根据权利要求1所述柠檬酸接枝壳聚糖小球的制备方法,其特征在于:所述柠檬酸和壳聚糖的质量比为6:1。
4.根据权利要求1所述柠檬酸接枝壳聚糖小球的制备方法,其特征在于:所述步骤1)中壳聚糖的脱乙酰度为90%-98%。
5.根据权利要求1所述柠檬酸接枝壳聚糖小球的制备方法,其特征在于:所述步骤1)中搅拌的温度为20-30℃,时间为4-8h。
6.根据权利要求1所述柠檬酸接枝壳聚糖小球的制备方法,其特征在于:所述步骤2)中氢氧化钠溶液的浓度为1mol/L。
7.根据权利要求1所述柠檬酸接枝壳聚糖小球的制备方法,其特征在于:所述步骤3)中冷冻干燥的温度为-80±2℃,时间为22-28h。
8.根据权利要求1至7中任一项所述柠檬酸接枝壳聚糖小球的制备方法制得的柠檬酸接枝壳聚糖小球。
9.根据权利要求1至8中任一项所述柠檬酸接枝壳聚糖小球在重金属吸附中的应用。
10.根据权利要求9所述柠檬酸接枝壳聚糖小球在重金属吸附中的应用,其特征在于:所述重金属为铜离子及其化合物。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20181221 |
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