浅谈壳聚糖在废水处理中的应用

摘 要：壳聚糖是一种对环境友好同时具有多种特性的天然高分子聚合物。以壳聚糖及其衍生物处理工业废水，安全无毒、可生物降解、无二次污染。本文通过壳聚糖性质的研究介绍了壳聚糖在废水处理方面具有广泛的应用前景。

关键词：壳聚糖；废水处理；应用

一、壳聚糖

壳聚糖是甲壳素经化学法处理脱乙酰基后的产物，是至今发现的唯一天然碱性多糖。壳聚糖因制备工艺条件和需求不同，脱乙酰度由60%至100%不等，壳聚糖脱乙酰度越高，相对稳定性越低，但机械强度增大，生物相容性增加，吸附作用增强。壳聚糖对许多物质具有螯合吸附作用，其分子中的氨基和与氨基相邻的羟基与许多金属离子（Hg2+、Pb2+、Cd2+、Ag+等）能形成稳定的螯合物，用于治理重金属废水、净化自来水及在湿法冶金中分离金属离子等。此外，壳聚糖能通过络合及离子交换的作用，对染料、蛋白质、氨基酸、核酸、酶、卤素等进行吸附，用于染料废水、印染废水、食品工业废水的处理，从而净化环境，保护人类健康。

二、壳聚糖的性质

（一）壳聚糖的物理性质

纯甲壳素和纯壳聚糖都是一种白色或灰白色半壳聚糖透明的片状或粉状固体，无味、无臭、无毒性，纯壳聚糖略带珍珠光泽。生物体中甲壳素的相对分子质量为1×106～2×106，经提取后甲壳素化学名：β-（1→4）-2-氨基-2-脱氧-D-葡萄糖，分子式是（C6H11NO4）N，单元体的分子量为161.2。

（二）壳聚糖的化学性质

在特定的条件下，壳聚糖能发生水解、烷基化、酰基化、羧甲基化、磺化、硝化、卤化、氧化、还原、缩合和络合等化学反应，可生成各种具有不同性能的壳聚糖衍生物，从而扩大了壳聚糖的应用范围。

壳聚糖大分子中有活泼的羟基和氨基，它们具有较强的化学反应能力。在碱性条件下C-6上的羟基可以发生如下反应：羟乙基化—壳聚糖与环氧乙烷进行反应，可得羟乙基化的衍生物。羧甲基化—壳聚糖与氯乙酸反应便得羧甲基化的衍生物。磺酸酯化—甲壳素和壳聚糖与纤维素一样，用碱处理后可与二硫化碳反应生成磺酸酯。氰乙基化—丙烯腈和壳聚糖可发生加成反应，生成氰乙基化的衍生物。

上述反应在甲壳素和壳聚糖中引入了大的侧基，破坏了其结晶结构，因而其溶解性提高，可溶于水，羧甲基化衍生物在溶液中显示出聚电解质的性质。

因壳聚糖分子中带有游离氨基，在酸性溶液中易成盐，呈阳离子性质。壳聚糖随其分子中含氨基数量的增多，其氨基特性越显著，这正是其独特性质的所在，由此奠定了壳聚糖的许多生物学特性及加工特性的基础。

壳聚糖对许多物质具有螯合吸附作用，其分子中的氨基和与氨基相临的羟基与许多金属离子（如Hg2+、pb2+、Ag+等）能形成稳定的螯合物，用于治理重金属废水、净化自来水及在湿法冶金中分离金属离子等。此外，壳聚糖能通过络合及离子交换的作用，对染料、蛋白质、氨基酸、核酸、酶、卤素等进行吸附，用于染料废水、印染废水、食品工业废水的处理，从而净化环境，保护人类健康。

三、壳聚糖的应用

（一）在印染废水处理中的应用

目前，印染废水的处理技术主要有絮凝法、吸附法。在絮凝法中，传统无机絮凝剂对水溶性染料或分子量较小的染料处理效果往往不能达标；而高分子絮凝剂因为具有投加量少、污泥脱水容易等优点，所以倍受青睐。林静雯等研究用丙烯酰胺与壳聚糖接枝共聚物作为絮凝剂对印染废水絮凝处理，并且与壳聚糖的絮凝效果的进行了比较，结果表明，其絮凝效果明显好于壳聚糖的絮凝效果，在pH值为5～8范围内，当丙烯酰胺与壳聚糖接枝共聚物浓度为100mg/L时，对印染废水的COD去除率分别为最好。

（二）在食品工业废水处理中的应用

在生产鱼粉时，熟鱼压榨出来的液体中含有悬浮的碎鱼肉，虽然经过高速离心，但仍然含有大量的悬浮蛋白胶体颗粒，如果在1000份这种悬浮液中加入35份0.5%壳聚糖的乙酸溶液，悬浮物可以凝集分离，增加鱼粉的收率，并且COD的去除率达到50%以上。黄慧等研究了以壳聚糖作为絮凝剂絮凝沉降粉丝废水。结果表明，絮凝沉降速度快，COD除去率为86%。而且，在pH条件为6.5～8.5时，浓度比较低浓度的壳聚糖絮凝效果好，煮沸废水有利于沉降。

（三）在造纸废水处理中的应用

张亚静等用氯化三甲基壳聚糖季铵盐作絮凝剂处理造纸废水，在pH值为8～13时，COD去除率可达75%以上。较高浓度时的絮凝效果优于低浓度时，适当延长缓慢搅拌时间，能提高絮凝效果；另外壳聚糖季铵盐与8阴离子絮凝剂配合使用可使废水COD进一步降低。石中亮等将壳聚糖处理制浆造纸废水，发现壳聚糖絮凝剂既有较高COD去除率、又可以避免二次污染，有较好的环保效果。程建华以壳聚糖、丙烯酰胺和二甲基二烯丙基氯化铵为原料，选择过硫酸铵-亚硫酸氢钠为引发剂，EDTA-2Na作为金属离子螯合剂，合成了壳聚糖接枝丙烯酰胺二甲基二烯丙基氯化铵絮凝剂，应用于造纸废液处理对COD去除率达到52.0%。

（四）城市污水处理中的应用

曾德芳研究了壳聚糖复合絮凝剂在不同来源城市生活污水处理中的应用，确定了最佳投加量，它与传统的絮凝剂相比，COD的去除率提高7%～13%，药剂添加量减少76%～82%。

四、结语

总之，壳聚糖及其衍生物有着优越的性能，最大的优点是可生物降解， 同时兼具多种特性，是绿色的水处理剂，而且中国壳聚糖的资源极为丰富， 探索其在工业废水处理中的应用有着重要的价值。随着对壳聚糖及其衍生物研究的不断深入，特别是合成性能优良的改性壳聚糖，以及加强与其他技术的复合使用，壳聚糖及其衍生物终将成为二十一世纪环境污染治理中的一项重要内容。