用于从水溶液中吸附去除汞(II)的纤维蛋白/壳聚糖混合膜

《Journal of Membrane Science》：Fibroin/Chitosan Blend Membranes for Perstractive Removal of Hg(II) from Aqueous Solutions

汞离子污染水体的绿色治理方法，基于纤维蛋白/壳聚糖生物聚合物膜开发渗透蒸发技术，采用硫脲-盐酸作为下游脱附剂，通过串联阻力模型分析发现膜内扩散和下游界面脱附是主要阻力环节，薄膜厚度可提升30%以上处理效率。

　　水污染已成为全球可持续发展面临的主要挑战之一，其中重金属污染尤为严重，对人类健康和生态系统造成深远影响。汞（Hg(II)）作为重金属污染物的一种，因其高毒性和生物累积性而备受关注，即使在极低浓度下也可能对环境和人体产生危害。世界卫生组织已设定饮用水中汞的最大允许浓度为6微克/升，这凸显了汞污染治理的重要性。针对汞污染，传统的方法包括吸附、凝聚、化学沉淀、膜分离和电化学处理等，其中吸附技术因其操作简便和高效性而被广泛应用。然而，吸附材料在使用一段时间后需要再生或更换，这不仅增加了运行成本，还可能产生二次污染。

在这一背景下，膜基分离技术中的“反抽提”（perstraction）逐渐被重视为一种有效的替代方案。反抽提是一种通过膜介导的选择性质量传递过程，实现污染物的高效分离和富集。该过程类似于连续的吸附与脱附过程，使污染物从原液侧通过膜传递至抽提相。在反抽提系统中，膜的选择性决定了其对目标污染物的吸附和释放能力。研究表明，使用合适的抽提剂可以有效降低膜表面的阻力，提高抽提效率。

本研究开发了一种丝蛋白/壳聚糖复合膜，用于高效去除水中的Hg(II)。通过反抽提方法，结合硫脲作为抽提相的抽提剂，显著提升了Hg(II)的去除效率。此外，使用硫脲和盐酸的混合溶液作为抽提剂，有助于促进Hg(II)从膜中释放，从而降低质量传递阻力。研究还采用了一个串联阻力模型，对质量传递过程中各个阻力组成部分进行了量化和分析。该模型有助于识别整个过程中的限制性步骤，为膜设计和工艺优化提供理论依据。

在实验设计方面，丝蛋白和壳聚糖的混合比例以及膜的厚度对反抽提性能产生了重要影响。研究发现，当丝蛋白含量超过70%时，膜的机械强度显著下降，容易在制备过程中破裂。因此，实验选择了70:30、60:40和50:50的丝蛋白/壳聚糖比例进行测试。结果显示，这些不同比例的膜在反抽提性能方面表现相似，表明膜的结构和性能在一定程度上具有一定的灵活性。同时，膜的厚度也对质量传递阻力产生显著影响，较厚的膜会增加质量传递阻力，而较薄的膜则可能因为外部质量传递阻力较大而影响整体效率。

研究还分析了不同操作参数对质量传递过程的影响，例如原液浓度、抽提剂浓度和液相流体动力学条件。结果显示，抽提剂的浓度对Hg(II)的脱附速率有显著影响，更高的抽提剂浓度可以加快Hg(II)的释放，并显著提高整体质量传递系数。此外，通过增加抽提相的搅拌速度，可以有效减少液相边界层阻力，从而提升质量传递效率。实验还发现，即使在较高抽提剂浓度下，质量传递阻力仍有一定的影响，表明膜本身的渗透性和选择性是决定反抽提效率的关键因素。

本研究强调了使用天然生物聚合物构建膜材料的重要性。丝蛋白和壳聚糖均是从生物质废弃物中提取的可再生资源，具有丰富的官能团和良好的生物相容性。这些特性使得丝蛋白/壳聚糖复合膜在汞去除方面具有较高的潜力。同时，研究还探讨了硫脲作为抽提剂在促进Hg(II)释放方面的有效性，以及其与Hg(II)之间的强相互作用。硫脲的硫原子可以与Hg(II)形成稳定的络合物，从而显著降低膜表面的脱附阻力。

通过本研究，不仅揭示了反抽提过程中各个质量传递步骤的阻力分布，还为优化膜材料和操作条件提供了新的思路。研究结果表明，尽管膜的内部质量传递是影响Hg(II)去除的主要因素，但外部质量传递阻力（如液相边界层和膜-液界面的阻力）同样不可忽视。特别是当使用较薄的膜时，外部质量传递阻力对整体效率的影响更为显著。因此，优化液相流体动力学条件和选择合适的抽提剂是提高反抽提性能的关键。

此外，研究还探讨了硫脲在反抽提系统中的作用机制。硫脲作为一种有机硫化合物，能够通过配位作用与Hg(II)形成稳定的络合物，从而促进Hg(II)从膜中释放。这种作用机制使得硫脲成为一种有效的抽提剂，有助于提高质量传递效率。同时，研究还发现，抽提剂的浓度和搅拌速度对质量传递过程具有显著影响，较高的浓度和适当的搅拌可以显著提高Hg(II)的去除效率。

综上所述，本研究通过开发丝蛋白/壳聚糖复合膜，并结合硫脲作为抽提剂，探索了高效去除水中的Hg(II)的新方法。研究结果不仅揭示了反抽提过程中各个质量传递步骤的阻力分布，还为优化膜材料和操作条件提供了理论依据。这一研究为可持续处理含有Hg(II)的废水提供了一种环保的解决方案，具有重要的实际应用价值。