CN102614850B - 交联壳聚糖微球重金属离子吸附剂的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交联壳聚糖微球重金属离子吸附剂的制备方法，包括以下步骤：1)以壳聚糖为材料，液体石蜡作为有机分散介质，先用甲醛对壳聚糖C2上的氨基进行保护后，再以环氧氯丙烷作为交联剂，通过反相悬浮交联法制备得交联壳聚糖微球；2)以交联壳聚糖微球为母体，2-氯甲基苯并咪唑为配体，对交联壳聚糖微球进行化学接枝，得交联壳聚糖微球重金属离子吸附剂。采用该方法制备而得的交联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，吸附速度快，易完全脱附，可重复使用。

Description

交联壳聚糖微球重金属离子吸附剂的制备方法

技术领域

本发明涉及一种新型交联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吸附、吸附性能好、可重复利用的改性壳聚糖材料及其制备方法。

背景技术

目前常用的重金属检测方法为石墨炉原子吸收光谱、ICP-AES、X射线荧光光谱法等。现代分析技术和分析仪器也在不断发展，元素的检测限已经大幅降低。但是，在一些低浓度的重金属元素分析过程中，大量共存元素的干扰使得直接测定变得很困难。解决该问题的一种办法是通过发展仪器的联用技术，如ICP-MS等，但此种方法操作较为复杂、费用高且费时，因而较难实现常规分析化；另一种方法则是预先对金属离子进行分离富集，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，主要有化学法(如化学沉降法、氧化还原法)、电化学还原法、电渗析法、液-液萃取、固相萃取法[3，4]、薄膜法[5]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。化学沉降法是一种最为常见的处理方法，但这种方法费用高，污染严重，且往往适用于金属离子浓度高的情况；溶剂萃取法使用的有机溶剂往往具有挥发性和毒性，这使其实际应用受到了限制[6]；膜分离法常需较高的材料及操作费用[7]，其他一些方法，如电渗析、电化学沉降，能耗较高，且易对环境造成二次污染[8]。吸附法也是一种分离和富集金属离子的重要方法。与这些方法相比，它具有机械强度高、化学稳定性好，无二次污染等优点。因此，寻求高效廉价的吸附剂就显得尤为重要。

壳聚糖是自然界中唯一的碱性多糖，来源丰富，自然界中的含量仅次于纤维素。同时壳聚糖具有大量的活性基团(氨基和羟基)，也是一种良好的吸附剂，对重金属离子具有良好的螯合性能。但是，壳聚糖易溶于酸性溶液，稳定性差，这也在很大程度上限制了它的应用范围。

研究表明，交联和改性后的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。对壳聚糖进行化学修饰会改变其天然晶体结构，增加其吸附能力。壳聚糖具有很多优良的性能，且对金属离子具有很好的螯合作用。这对拓宽壳聚糖的应用范围起着重要的作用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种工艺简单、成本低廉的交联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交联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，本发明提供一种交联壳聚糖微球重金属离子吸附剂的制备方法，包括以下步骤：

1)、以壳聚糖为材料，液体石蜡作为有机分散介质，先用甲醛对壳聚糖C2上的氨基进行保护后，再以环氧氯丙烷(表氯醇)作为交联剂，通过反相悬浮交联法制备得交联壳聚糖微球；

2)、以所述交联壳聚糖微球为母体，2-氯甲基苯并咪唑(CBM)为配体，对交联壳聚糖微球进行化学接枝，得交联壳聚糖微球重金属离子吸附剂。

作为本发明的交联壳聚糖微球重金属离子吸附剂的制备方法的改进：步骤1)包括以下步骤：

①、室温下，在0.5g粉末状的壳聚糖中加入质量浓度为3～5％(较佳为4％)的乙酸溶液12～13ml(较佳为12.5ml)，待壳聚糖充分溶解后，再加入液体状的石蜡50～62.5ml，搅拌5～15分钟；

②、将步骤①的所得物升温至53～57℃，继续搅拌5～15分钟后滴加乳化剂span-800.08～0.12ml(较佳为0.1ml，约2滴)，搅拌状态下保温乳化5～15分钟；在乳化剂的作用下，会形成细小的壳聚糖液滴；

③、将步骤②的所得物升温至58～62℃，加入1.3～1.7ml(较佳为1.5ml)的甲醛搅拌反应1～2小时；所得物呈透明状；

④、在步骤③的透明状所得物中滴加质量分数为4～6％(较佳为5％)的NaOH溶液，当透明状所得物变成白色时，停止滴加质量分数为4～6％(较佳为5％)的NaOH溶液；然后升温至68～72℃，滴加环氧氯丙烷1.3～1.7ml(较佳为1.5)，搅拌状态下保温反应4～6小时；

⑤、将步骤④反应所得的产物过滤后水洗，直至洗涤液的pH值达到中性；

⑥、将步骤⑤的所得物干燥至恒重，得交联壳聚糖微球。

上述步骤①～步骤④中搅拌的最佳转速为320～380r/min。

作为本发明的交联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2)包括以下步骤：

①、将交联壳聚糖微球浸泡在浓度为0.9～1.1mol/L(较佳为1mol/L)的盐酸溶液中1～3小时，取出后于60～80℃加热处理8～10小时；

②、将步骤①的所得物依次进行碱洗、水洗、酸洗和水洗后，干燥至恒重，得到去保护的交联壳聚糖微球；

③、将20mg的去保护的交联壳聚糖微球放入15～25ml的反应溶剂中，浸泡10～15小时；

④、在步骤③的所得物中加入作为配体的2-氯甲基苯并咪唑(CBM)90～110mg(较佳为100mg)、作为催化剂的质量分数为4～6％(较佳为5％)的NaOH溶液4.5～5.5ml(较佳为5ml)，在氮气保护下于90～110℃(较佳为100)搅拌反应10～14小时；得改性后的交联壳聚糖微球；

⑤、将改性后的交联壳聚糖微球用反应溶剂浸泡洗涤至洗涤液为无色，用丙酮、乙醚、无水乙醇依次洗涤，然后用蒸馏水洗涤，接着依次进行碱洗、水洗、酸洗和水洗，干燥至恒重，得交联壳聚糖微球重金属离子吸附剂。

上述步骤④中搅拌的最佳转速为320～380r/min。

备注说明：

上述步骤②和步骤⑤中的“依次进行碱洗、水洗、酸洗和水洗”为常规操作方式，即为：将前一步骤的所得物先进行碱洗(放入浓度为1oml/L的NaOH溶液中浸泡1～3小时)；然后水洗至洗涤液为中性；再进行酸洗(将水洗后的所得物放入浓度为1oml/L的HCl溶液中浸泡1～3小时)；然后水洗至洗涤液为中性。

作为本发明的交联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2)的步骤③和步骤⑤中的反应溶剂均为N，N-二甲基甲酰胺(DMF)。

采用本发明方法制备而得的交联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(15.0mg)的CCTS-g-CBM至碘量瓶中，分别加入一定体积(26ml，24ml，22ml，20ml)、一定pH值(pH值为4.5)的缓冲溶液浸泡24h，然后分别加入一定量(4ml，6ml，8ml，10ml)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)：

$Q_e\frac{(C_o-C_e)V}{m}---(4-1)$

$D=\frac{Q_e}{C_e}---(4-2)$

式中Q_e为平衡时新型交联壳聚糖微球(交联壳聚糖微球重金属离子吸附剂，即CCTS-g-CBM)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，用滤纸吸干表面水分后加入一定量(30ml)的解吸剂。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：

$E(\%)=\frac{\left(C_d{V}_d\right)}{(C_0-C_e)V}\×100\%---(4-3)$

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、本发明制得的新型交联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壳聚糖改性，使其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CCTS-g-CBM对Hg2+离子有较高的选择性吸附，吸附量大，吸附速度快。

4、本发明制得的新型交联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。可重复使用。

本发明的新型交联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-氯甲基苯并咪唑(CBM)的结构图；

图2是不同pH值下CCTS-g-CBM对金属离子的吸附容量图；

图3是CCTS-g-CBM对Hg²⁺的吸附曲线图；

图4是CCTS-g-CBM对Hg²⁺的解吸图；

图5是CCTS-g-CBM对Hg²⁺的穿透曲线图；

图6是CCTS-g-CBM对Hg²⁺的动态解吸曲线图；

图7是搅拌速度对壳聚糖微球粒径分布的影响图。

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。

备注：以下实施例中的水洗均为用蒸馏水进行洗涤。

实施例1、一种交联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、制备交联壳聚糖微球，依次进行以下步骤：

①、室温下，在0.5g粉末状的壳聚糖中加入质量浓度为4％的乙酸溶液12.5ml，待壳聚糖充分溶解后，再加入液体状的石蜡55ml，于350r/min的转速下搅拌10分钟；

②、将步骤①的所得物升温至55℃，于350r/min的转速下继续搅拌10分钟后滴加乳化剂span-80 0.1ml(即2滴)，于350r/min的转速下保温乳化10分钟；在乳化剂的作用下，会形成细小的壳聚糖液滴；

③、将步骤②的所得物升温至60℃，加入1.5ml甲醛反应1.5小时(在350r/min的转速下搅拌)；所得物呈透明状；

④、在步骤③的透明状所得物中滴加质量分数为5％的NaOH溶液，当透明状所得物变成白色时(此时pH值为碱性)，停止滴加上述质量分数为5％的NaOH溶液；然后升温至70℃，用恒压滴液漏斗缓慢滴加环氧氯丙烷1.5ml，在350r/min的转速下搅拌保温反应5小时；

⑤、将步骤④反应所得的产物过滤，水洗(水的用量为300ml)，用石油醚于真空泵中抽滤(石油醚的用量为200ml)，然后用无水乙醇抽滤3次(无水乙醇每次的用量为200ml)，之后反复水洗，直至洗涤液的pH值达到中性。

⑥、将步骤⑤的所得物于50℃真空干燥器中干燥至恒重，得交联壳聚糖微球(CCTS)。

二、以交联壳聚糖微球为母体，2-氯甲基苯并咪唑(CBM)为配体，对交联壳聚糖微球进行化学接枝，依次进行以下步骤：

①、将交联壳聚糖微球30mg浸泡在浓度为1mol/L的盐酸溶液(约50ml)中2小时，取出后于70℃加热处理9小时；

②、将步骤①的所得物先进行碱洗，即将步骤①的所得物放入50ml浓度为1oml/L的NaOH溶液中浸泡2小时；然后水洗至洗涤液为中性；

再进行酸洗，即将水洗后的所得物放入50ml浓度为1oml/L的HCl溶液中浸泡2小时；然后水洗至洗涤液为中性；

将上述第二次水洗后的所得物置于50℃的真空干燥器中至恒重，得到去保护的交联壳聚糖微球(约20mg)；

③、将20mg的去保护的交联壳聚糖微球移入100mL的三颈瓶中，放入20ml的反应溶剂---DMF中，浸泡过夜(即浸泡12小时，从而使去保护的交联壳聚糖微球溶胀)；

④、在步骤③的所得物(即溶胀后的去保护交联壳聚糖微球)中加入100mg的配体---2-氯甲基苯并咪唑(CBM)(其结构式如图1)、5ml的催化剂---质量分数为5％的NaOH溶液，在氮气保护下于100℃加热搅拌(350r/min的转速)反应12小时；得改性后的交联壳聚糖微球；

⑤、将步骤4)所得的改性后的交联壳聚糖微球用20ml的反应溶剂--DMF浸泡12小时后，再用反应溶剂--DMF洗涤，直至洗涤液为无色；然后用丙酮、乙醚、无水乙醇依次洗涤(先用丙酮洗，丙酮的用量为50ml/次，洗3次；然后用乙醚洗，乙醚的用量为50ml/次、洗3次；接着用无水乙醇洗，无水乙醇的用量为50ml/次，洗3次)，然后用蒸馏水洗涤(50ml/次，洗3次)。再用50ml浓度为1oml/L的NaOH水溶液浸泡2小时，水洗至中性；再用50ml浓度为1oml/L的HCl溶液浸泡1小时，水洗至中性；最后50℃下真空干燥至恒重；得交联壳聚糖微球重金属离子吸附剂(即CCTS-g-CBM)25mg。

实验1：

准确称取每份为15.0mg的CCTS-g-CBM6份，分别加入20ml，pH＝5.5、pH＝5.0、pH＝4.5、pH＝4.0、pH＝3.5和pH＝3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，288K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。

实验2：

准确称取100mg CCTS-g-CBM，用静态实验中吸附Hg²⁺的最佳NaAc-HAc缓冲溶液(即pH＝4.5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25.0mL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。如图5所示。金属离子Hg²⁺的动态吸附量为257.98mg/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＝4.5缓冲液)冲洗树脂五遍后，将未被吸附的金属离子全部洗出。然后用静态解吸实验中得到的最佳解吸条件(即解吸剂为1mol/L的盐酸溶液)进行解吸实验。控制流速为25mL/h，以25.0mL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0.82mg/mL，0.1mg/mL，0.05mg/mL，0mg/mL，0mg/mL。具体如图6所示。

对比例1、

将实施例1步骤2)的步骤④中的配体由2-氯甲基苯并咪唑(CBM)改成2-氨基苯并咪唑(ABM)，其余同实施例1，按照上述实验的方法进行检测，最终所得的结论为：

在最佳pH＝4.5时CCTS-g-ABM对Hg(II)离子的饱和吸附容量仅为64.7mg/g。其吸附量远不及CCTS-g-CBM的吸附容量。

对比例2、

将实施例1步骤1)的步骤④中的环氧氯丙烷的用量由1.5ml分别改成：0.5mL、1mL、1.5mL、2mL，其余完全同实施例1的步骤1)。

所得的交联壳聚糖微球分别称为交联壳聚糖微球A、交联壳聚糖微球B、交联壳聚糖微球C(即为实施例1的交联壳聚糖微球)、交联壳聚糖微球D。分别准确称取200mg上述4种交联壳聚糖微球用于溶解性和溶胀性实验，结果如下：

表1、交联剂对CCTS溶解性和溶胀度的影响

注：“+”表示失重率＞5％，即为可溶；“-”表示失重率＜5％，即为不可溶。

具体为：

准确称取200mg交联壳聚糖微球加入50mL去离子水，室温下，以100rmp振荡48小时后，过滤后用滤纸吸干表面的水分，称重分别为433.2mg，378.6mg，348.2mg，324.4mg。溶胀度分别为：116.6％，89.3％，74.1％，62.2％。

交联壳聚糖微球A(环氧氯丙烷用量为0.5mL时)在pH为3.0的醋酸-醋酸钠缓冲溶液和5％(体积浓度)的醋酸溶液中会发生部分溶解；交联壳聚糖微球的溶胀性与环氧氯丙烷用量呈现负相关性。这是由于，环氧氯丙烷的用量越多，使其与壳聚糖发生的交联程度越大，从而降低了壳聚糖在酸性溶液中的溶解性以及对水的吸附性。用环氧氯丙烷用量为1.5mL和2mL的壳聚糖微球分别对Hg²⁺、Cu²⁺、Pb²⁺、Zn²⁺和Cd²⁺进行吸附实验(实验步骤参照实验2)。实验结果如下表2：

表2、交联剂对CCTS吸附金属离子的饱和吸附量的影响

由表2得知，随着环氧氯丙烷的用量增加，交联壳聚糖微球对金属离子的吸附能力下降。这是由于，随着环氧氯丙烷的增加，壳聚糖上越来越多的活性基团参与了交联反应，从而降低了对金属离子的螯合性能。综上所述，壳聚糖的成球实验中，环氧氯丙烷的用量最佳值为1.5mL。

对比例3、

将实施例1步骤1)(步骤①～步骤④)的中350r/min的转速改成150r/min，250r/min，350r/min，其余完全同实施例1的步骤1)。

所得的交联壳聚糖微球分别称为交联壳聚糖微球I、交联壳聚糖微球II、交联壳聚糖微球III(即为实施例1的交联壳聚糖微)。分别准确称取200mg上述3种交联壳聚糖微球用于溶解性和溶胀性实验：

准确称取200mg已干燥至恒重的交联壳聚糖微球于典量瓶中，分别加入50mL去离子水，室温下，以100rmp振荡48小时后，过滤后用滤纸吸干表面的水分，称重分别为355.2mg，350.6mg，348.2mg。对应溶胀度为：77.6％，75.3％，74.1％。

因为随着搅拌速度的增大，分散在液体石蜡中的壳聚糖液滴粒径变小，比表面积变大，从而与交联剂接触的面积变大，交联的位点变多。从而交联的程度就越大，溶胀性就降低。搅拌速度对壳聚糖微球粒径分布的影响如图7所示。

实验结果表明，随着搅拌速度的增加，粒径为20目的交联壳聚糖微球所占的比重越来越小，40目、60目以及80目和80目以下的壳聚糖微球的比重越来越大。壳聚糖微球的粒径越小，比表面积就越大，和金属离子的接触面也就越大。但粒径过小时，比表面积过大时，会使壳聚糖微球漂浮于溶液表面，不利于对金属离子的吸附。本发明由于选取40-60目的壳聚糖微球用作后续的接枝实验，转速为350r/min时，其所占比重最大，因此转速选定为350r/min。

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 (2)

1.对汞离子具有吸附选择性的交联壳聚糖微球重金属离子吸附剂的制备方法，其特征是包括以下步骤：

1）、以壳聚糖为材料，液体石蜡作为有机分散介质，先用甲醛对壳聚糖C2上的氨基进行保护后，再以环氧氯丙烷作为交联剂，通过反相悬浮交联法制备得交联壳聚糖微球；

包括以下步骤：

①、室温下，在0.5g粉末状的壳聚糖中加入质量浓度为3～5%的乙酸溶液12～13ml，待壳聚糖充分溶解后，再加入液体状的石蜡50～62.5ml，搅拌5～15分钟；

②、将步骤①的所得物升温至53～57℃，继续搅拌5～15分钟后滴加乳化剂span-800.08～0.12ml，搅拌状态下保温乳化5～15分钟；

③、将步骤②的所得物升温至58～62℃，加入1.3～1.7ml的甲醛搅拌反应1～2小时；所得物呈透明状；

④、在步骤③的透明状所得物中滴加质量分数为4～6%的NaOH溶液，当透明状所得物变成白色时，停止滴加质量分数为4～6%的NaOH溶液；然后升温至68～72℃，滴加环氧氯丙烷1.3～1.7ml，搅拌状态下保温反应4～6小时；

⑤、将步骤④反应所得的产物过滤后水洗，直至洗涤液的pH值达到中性；

⑥、将步骤⑤的所得物干燥至恒重，得交联壳聚糖微球；

2）、以所述交联壳聚糖微球为母体，2-氯甲基苯并咪唑为配体，对交联壳聚糖微球进行化学接枝，得交联壳聚糖微球重金属离子吸附剂；包括以下步骤：

①、将所述交联壳聚糖微球先浸泡在浓度为0.9～1.1mol/L的盐酸溶液中1～3小时，取出后于60～80℃加热处理8～10小时；

②、将步骤①的所得物依次进行碱洗、水洗、酸洗和水洗后，干燥至恒重，得到去保护的交联壳聚糖微球；

③、将20mg的去保护的交联壳聚糖微球放入15～25ml的反应溶剂中，浸泡10～15小时；

④、在步骤③的所得物中加入作为配体的2-氯甲基苯并咪唑90～110mg、作为催化剂的质量分数为4～6%的NaOH溶液4.5～5.5ml，在氮气保护下于90～110℃搅拌反应10～14小时；得改性后的交联壳聚糖微球；

⑤、将改性后的交联壳聚糖微球用反应溶剂浸泡洗涤至洗涤液为无色，用丙酮、乙醚、无水乙醇依次洗涤，然后用蒸馏水洗涤，接着依次进行碱洗、水洗、酸洗和水洗，干燥至恒重，得交联壳聚糖微球重金属离子吸附剂。

2.根据权利要求1所述的对汞离子具有吸附选择性的交联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2）的步骤③和步骤⑤中所述的反应溶剂均为N，N-二甲基甲酰胺。

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