壳聚糖复合材料和衍生物对重金属离子、染料和蛋白质的吸附–综述外文翻译资料

 2022-03-11 10:03

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壳聚糖复合材料和衍生物对重金属离子、染料和蛋白质的吸附--综述

LIU Bingjie1), 2), WANG Dongfeng1), *, YU Guangli2), and MENG Xianghong1)

1) Laboratory of Food Chemistry and Nutrition, College of Food Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266003, P. R. China

2) School of Medicine and Pharmacy, Ocean University of China, Qingdao 266003,P. R. China

(Received July 18, 2012; revised January 10, 2013; accepted April 3, 2013)

copy; Ocean University of China, Science Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2013

摘要：由于壳聚糖复合材料及其衍生物成本低，氨基和羟基官能团含量高，作为有效的生物吸附剂而受到广泛关注。们显示出从各种介质中去除金属离子，染料和蛋白质的巨大潜力。 导致形成壳聚糖衍生物和壳聚糖复合物的化学改性已经被广泛研究并且在文献中被广泛报道。本文旨在总结壳聚糖生物活性的重要信息，突出壳聚糖基活性生物吸附剂的各种制备方法，并概述其在废水和水溶液中吸附重金属离子，染料和蛋白质的潜在应用。

关键词：壳聚糖复合材料；聚糖衍生物；吸附；金属离子；蛋白。

1介绍

生物聚合物如几丁质和壳聚糖属于从废水和水溶液中去除低浓度重金属离子，染料和蛋白质的材料（Crini，2006；Varma等，2004）。几丁质是由1,4-糖苷键连接在一起的2-乙酰氨基-2-脱氧-D-吡喃葡萄糖单元的高分子量线性聚合物（Wan Ngah和Isa，1998; Kumar，2000），是第二种含量丰富的天然纤维，在许多方面与纤维素相似，纤维素是最丰富的天然纤维。几丁质最丰富的来源是螃蟹和虾壳（Bhatnagar和Sillanpauml;auml;，2009）。壳聚糖是几丁质的部分N-脱乙酰化衍生物，其每个C3和C6的构建单元中具有一个伯氨基和两个游离羟基（Juang和Shao，2002; Benavente等，2011）。

壳聚糖作为重金属离子，染料和蛋白质的优异生物吸附剂而闻名。它含有大量的—NH2和—OH基团，能够在接近中性的溶液中去除这些物质。壳聚糖的这种能力可归因于1）由葡萄糖单元的大量羟基产生的高亲水性；2）大量官能团（例如乙酰氨基，伯氨基和/或羟基）存在；3）这些基团的高化学反应活性和4）聚合物链的柔性结构（Crini，2005）。活性氨基选择性地结合几乎所有的III族的过渡金属离子，但不与I和II族离子（碱金属和碱土金属离子）结合（Muzzarelli，1973）。另外，壳聚糖在酸性介质中呈阳离子行为：胺基的质子化导致壳聚糖通过离子交换的方式吸附金属阴离子（Guibal，2004；Kunkoro等，2005）。

几丁质和壳聚糖由于其无毒性，可生物降解性，生物相容性，生物活性以及有一定的物理和机械性能等特性而成为一种重要的天然聚合物。这些性质使壳聚糖在去除水溶液中的金属离子方面具有多种潜在应用和液体饮料（Kifune，1992；Liu等人，2011a），染料（Wang等，2007；Wan Ngah等，2011），蛋白质吸附（Hoven等，2007），药物递送（Sinha等2004），食品加工（Suntornsuk等，2002；Dutta等，2009），抗菌性能（Chen等，2010；Lin等，2009）等等。在壳聚糖的各种应用中，最有吸引力的是用作金属螯合剂，从废水中去除金属杂质。这次文章的目的是概述几丁质和壳聚糖及其衍生物的当前和未来的应用。

2在金属离子吸附中的应用

至少20种金属是有毒的，其中一半（镉，镉，砷，砷，汞，汞，铬，铬，铜，铜，铅，铅，镍，镍，硒，硒，银，银和锌，Zn）可以排放到对人体健康有害的环境中。在这些有害金属中，毒性最大的是As（III），Cd（II）Pb（II）。

2.1壳聚糖复合材料
2.1.1壳聚糖聚乙烯醇复合材料

库马尔等人（2009）通过将壳聚糖/PVA水溶液悬浮在甲苯和氯苯的混合物中以去除废水中的Cd（II）制备壳聚糖/PVA混合珠，发现pH对珠的吸附能力有显着影响：吸附在酸性介质中，由于H 浓度高，吸附剂的活性部位被质子化，从而导致金属的预防离子吸附。Cd（II）离子在pH 6和40℃下达到最大吸附量，平衡时间为8h。珠子可以用0.01mol/ L EDTA再生。 Wan Ngah等人（2004）研究了壳聚糖/PVA混合珠粒从水溶液中吸附Cu（II）的性能。吸附等温线数据可以通过Langmuir等温线模型很好地解释。动力学实验数据与假二阶动力学模型正确相关。通过用EDTA溶液处理，Cu（II）离子可以快速从壳聚糖/PVA珠上除去。Li等人（2011）制备了一种基于聚乙烯醇/壳聚糖（PVA /CS珠）的新型大孔珠吸附剂，用于从水溶液中吸附重金属离子。他们制备的PVA/CS珠粒形状完美，有良好的机械强度和化学稳定性。这些PVA/CS珠是大网状结构，它们容易分离并且对重金属离子具有优异的吸附性。

2.1.2壳聚糖蒙脱土复合材料

聚合物/蒙脱土纳米复合材料在机械性能，热稳定性，气体阻隔性和阻燃性方面比常规复合材料具有更好的性能（Zhao 等人，2010）。Assaad等人（2007）制备了脱除Co（II），Ni（II）和Cu（II）的优化壳聚糖-蒙脱土体系。 研究了pH值，蒙脱土用量，阳离子浓度对其影响。发现壳聚糖和蒙脱土分别作用于金属离子时，凝聚絮凝作用强烈地依赖于pH和液体介质的组成。当同时使用时，壳聚糖和蒙脱土显示出协同作用现象，可能是主要参数之间的相互作用强调了这一点。

2.1.3壳聚糖粘土复合材料

为了降低成本，许多研究集中于寻找廉价，本地可用和有效的吸附剂，如废弃生物聚合物，粘土和粘土矿物（王等人，2009）。在这些材料中，粘土和壳聚糖相对便宜并且表现出较高的吸附能力（Crini和Badot，2008；Tang等，2009）。天然粘土是低成本且容易获得的材料，用作优秀的阳离子交换剂，其经常用于吸附金属污染物。Tirtom等人（2012）制备了表氯醇交联壳聚糖复合微球作为Ni（II）和Cd（II）在水溶液中的生物吸附剂。通过傅里叶变换红外光谱（FTIR），扫描电镜（SEM）和热重分析（TGA）对所制备的珠粒进行了表征，以评估其结构和吸附机理。吸附研究表明，环氧氯丙烷交联壳聚糖/壳聚糖复合微球可以有效去除Ni（II）和Cd（II），分别在pH 6.0和pH 4.5时具有最大吸附容量。吸附过程为Ni（II）放热，Cd（II）吸热。解吸研究表明吸附的金属离子可以用EDTA回收。设计聚合-粘土复合材料以从水中吸附Se（II）（Bleiman和Mishael，2010）。壳聚糖-蒙脱土复合材料的吸附效率最高。这些复合材料通过X射线衍射（XRD），zeta;电位和FTIR来表征。Se（II）在复合材料，氧化铝和FeO2上的吸附等温线符合Langmuir等温吸附模型。此外，复合材料的吸附不依赖于pH值，但在高pH值时其吸附量减少。）可以通过复合物从地下水中去除，使Se（II）水平达到lt;WHO极限（0.01mg /L）。这种去除对于Se（II）是特定的，即使当存在硫时，该复合材料的氧化铝含量高于氧化铝；后者吸附硫的效果更好，氧化铝因其较高的导水性能更适合用于过滤塔；半导柱实验表明，Se（II）可从地下水，将离子浓度降至建议限度以下（前400个孔隙体积）。

2.1.4壳聚糖珍珠岩复合材料

珍珠岩是一种玻璃状的火山岩，颜色从灰色变为黑色。不同类型的珍珠岩和珍珠岩的不同来源由于其不同的组成而具有不同的性质（Mathialagan和Viraraghavan，2002）。当珍珠岩被加热到高温（850-1100℃）时，它会膨胀4-35倍的初始体积，被称为“膨胀珍珠岩”（Shameem 等人，2008）。制备了新的复合壳聚糖涂覆的生物吸附剂并用于从水溶液中去除和回收重金属（Swayampakula等，2009）。通过间歇和柱状研究评估了Cu（II），Ni（II）和Co（II）从它们的二元和三元溶液对新开发的生物吸附壳聚糖涂覆珍珠岩珠粒的平衡吸附特性。这些珠子通过使用FTIR，EDXRF和表面积分析技术来表征。研究了各种吸附参数如pH值，搅拌时间，吸附剂浓度和吸附剂用量对吸附程度的影响。吸附遵循Lagergren一级动力学模型。平衡吸附数据符合Freundlich和Langmuir等温线模型，并评估吸附参数。 两种模型都可以代表实验数据。载有金属的吸附剂用0.1nmol / L NaOH再生。此外，柱动力学研究证明了生物吸附剂的再利用。

2.1.5壳聚糖/聚氯乙烯复合材料

聚氯乙烯（PVC）是日常生活中最常见的塑料类型之一。因此，PVC废物有其环境影响，应该建立合适的方法来证明这种废物的环境基础和经济原因。如果PVC可以转换成增值材料，这可能会实现（Sobahi等，2011）。PVC具有较高的比表面积，特别是在浓酸性和碱性介质以及有机溶剂中一段时间​​内具有良好的物理和化学稳定性。此外，PVC的表面可以通过吸附剂进行改性以获得可逆的和有效的金属离子富集（Farzaneh等，2009）。平均而言，Popuri等人（2009）通过将壳聚糖涂布到PVC珠上开发出新的生物吸附剂。与其他复合珠粒相似，对生物吸附剂上Cu（II）和Ni（II）的平衡和柱流吸附特性进行了研究。壳聚糖/PVC复合材料对Cu（II）和Ni（II）的最大吸附容量分别为87.9和120.5mg/g，说明壳聚糖包覆的PVC颗粒可用于去除Cu（II）和Ni (II）从水溶液中分离。

2.1.6壳聚糖/膨润土复合材料

铀（VI）是能源的重要资源之一。 化学家们从天然海水和工业废水中回收铀（VI）是一个具有挑战性的问题。此外，根据放射性废物管理的基本原则，铀（VI）废物最小化应该以有效的方式进行（Fayek等，2011）。Anirudhan和Rijith（2012）通过在膨润土和N，N-亚甲基双丙烯酰胺作为交联剂的情况下，通过甲基丙烯酸和壳聚糖的接枝共聚反应，制备了一种新型吸附剂，聚甲基丙烯酸接枝壳聚糖/膨润土复合材料。平衡数据与具有吸热行为的Langmuir等温线模型相关。估计平衡铀（VI）吸附容量为117.2mg/g在30℃。

钍（III）也是一种广泛分布于具有核意义的地壳中的天然放射性元素。这种放射性核素的毒性甚至有吸引力，多年来一直是一个公共卫生问题（Rastegarzadeh 等人，2010）。Anirudhan等人（2010）通过甲基丙烯酸和壳聚糖在膨润土和N，N-亚甲基双丙烯酰胺交联剂存在下的接枝共聚反应，制备了一种新型的复合基体聚甲基丙烯酸接枝复合/膨润土。 平衡数据与Langmuir等温线模型相关。吸附过程遵循伪二阶动力学模型，表明吸附过程除物理吸附外还涉及化学反应。

2.2壳聚糖衍生物

壳聚糖的改性可使其更有选择性和有效地吸附几种金属离子，特别是重金属离子。（Zhou等人，2009；Wang等人，2010），硫代氨基甲酰基（Bratskaya等人，2011），L-赖氨酸（Fujiwara等，2007），alpha;-酮戊二酸（Zhou，2009），甘氨酸（Ramesh等人，2008），乙二胺（Zhou等人2010；Hu等人，2011）在交联壳聚糖材料（包括壳聚糖树脂和膜）上也可以提高其选择性并且吸附能力。

Wang等人（2011）开发了乙二胺改性的磁性壳聚糖（EMMC）复合物作为用于除去铀酰离子的新型磁性吸附剂。磁性颗粒为尖晶石结构的纯Fe3O4，壳聚糖的结合不引起相变。Fe3O4颗粒被壳聚糖成功包覆，EMMC出现更多的氨基。EMMC在pH 2-7时非常有效地吸附铀酰离子。在30min内建立平衡，动力学实验数据与拟二级动力学模型正确相关。这些参数表明化学吸附是限速步骤。吸附数据可以用Sips模型最好地解释，最大吸附容量为82.83mg/g。EMMC可以高效再生，表明这种吸附剂可用于回收铀酰离子。周等人（2010b）通过将NaOH碱性沉淀剂加入到W/O微乳液体系中制备乙二胺改性的磁性壳聚糖纳米粒子（EMCN）。透射电子显微镜（TEM）表明，EMCN的直径范围为15〜40 nm，吸附实验表明Pt（IV）和Pd（II）的最大吸附容量均在pH 2.0附近，由于小直径和高表面反应性，Pt（IV）和Pd（II）在EMCN上的吸附平衡非常迅速。对于Pt（IV）和Pd（II），EMCN的最大吸附容量分别确定为171和138mg/g。吸附等温线模型在单组分与纯金属溶液和具有不同Pd / Pt质量比的双组分体系中测定。结果表明，吸附剂对铂（IV）的亲和力高于钯（II）。总吸附容量与每种金属单独相当，这表明金属竞争相同的吸附位点。发现0.4mol / L的HNO3-1.0mol / L硫脲溶液对EMCN的Pt（IV）和Pd（II）具有解吸效果，而5mol / L的氨对被测金属离子表现出最高的选择性。用L-赖氨酸化学改性的交联壳聚糖树脂已经用于研究水溶液中的Pt（IV），Pd（II）和Au（III）的吸附（Fujiwara等人，2007）。Au（III）和Pd（II）在Pt（IV）的pH值为1.0，pH值为2.0时发现最大吸附容量。应用Langmuir和Freundlich等温线模型分析实验数据。热力学研究表明，吸附过程本质上是自发和放热的。

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