环氧氯丙烷交联壳聚糖-纤维素复合微球高效去除水体中铅离子的研究

《Inorganic Chemistry Communications》：Epichlorohydrin-crosslinked chitosan-cellulose composite beads for Lead ions removal from aqueous media

本研究针对水体铅污染问题，开发了环氧氯丙烷交联壳聚糖-纤维素(CS@CE@ECH)复合微球吸附剂。研究通过系统优化吸附条件，证实该材料在pH=3、投加量2.5g/L时对Pb(II)的最大吸附容量达500mg/g，吸附行为符合伪二级动力学和Freundlich等温模型，且具备5次循环使用的稳定性。该环保型吸附剂为重金属废水治理提供了新技术方案。

　　

随着工业化的快速发展，重金属污染已成为全球性的环境挑战。在众多重金属离子中，铅(Pb(II))因其高毒性、生物累积性和非降解性而被视为最危险的污染物之一。铅离子通过工业废水排放进入水体，不仅危害水生生态系统，更通过地下水循环进入人类饮用水源，引发贫血、肾功能障碍、中枢神经系统损伤等一系列健康问题。根据世界卫生组织(WHO)标准，饮用水中铅离子的最大允许浓度仅为0.01mg/L，然而在孟加拉国、印度阿萨姆等地区，地下水中铅浓度严重超标，亟需开发高效、经济的水处理技术。

传统的水体重金属处理方法包括膜过滤、絮凝沉淀、电化学处理等，但存在成本高、能耗大、操作复杂等局限性。相比之下，吸附法因操作简便、成本低廉、效率高等优势而备受关注。在众多吸附材料中，生物基材料如壳聚糖(CS)和纤维素(CE)因其来源广泛、环境友好、功能基团丰富等特点展现出巨大潜力。壳聚糖分子中的氨基(-NH₂)和羟基(-OH)基团，以及纤维素的高比表面积和机械强度，都为重金属吸附提供了理想条件。然而，单纯的壳聚糖-纤维素复合微球在酸性环境中稳定性较差，限制了其实际应用。

为解决这一难题，印度国立技术学院斋浦尔分校的研究团队在《Inorganic Chemistry Communications》上报道了一种新型环氧氯丙烷交联壳聚糖-纤维素(CS@CE@ECH)复合微球。该研究通过简单的化学交联法，利用环氧氯丙烷(ECH)作为交联剂，显著提升了材料的机械强度和化学稳定性，同时创造了更开放的多孔结构，有利于铅离子的扩散与吸附。

研究人员采用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)证实了交联反应的成功进行，通过场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)观察到材料具有丰富的多孔结构，zeta电位分析揭示了材料表面电荷特性，BET比表面积测试则显示了材料的高比表面积特征。系统考察了pH值、初始铅离子浓度、吸附剂投加量、接触时间和温度等参数对吸附性能的影响。

在关键实验技术方面，研究主要运用了材料合成与表征技术（包括化学交联法制备复合微球、FT-IR结构分析、FE-SEM形貌观察）、吸附性能评估体系（涵盖吸附动力学、等温线、热力学研究）以及实际应用验证（涉及循环使用性能测试和真实地下水样本验证）。

材料表征结果

FT-IR分析显示，CS@CE@ECH复合微球在3447-3390cm^-1处出现N-H和O-H伸缩振动峰，2875和2920cm^-1处为C-H键振动峰，1632cm^-1处为酰胺带特征峰，证实了壳聚糖、纤维素和环氧氯丙烷的成功交联。FE-SEM图像显示交联后的微球表面形成更加开放和互连的孔道结构，这种多孔特性为铅离子提供了更多的吸附位点和扩散路径。

吸附性能研究

在优化条件（pH=3，初始Pb(II)浓度50mg/L，吸附剂投加量2.5g/L）下，CS@CE@ECH微球对铅离子的吸附动力学符合伪二级模型，表明化学吸附是速率控制步骤。等温吸附数据与Freundlich模型高度吻合，说明吸附过程为多层吸附行为。Langmuir模型计算得到的最大吸附容量高达500mg/g，显著优于未交联的壳聚糖-纤维素复合微球（80mg/g）和单纯壳聚糖微球（79.02mg/g）。

实际应用性能

循环实验表明，CS@CE@ECH微球经过5次吸附-脱附循环后仍保持稳定的吸附效率，证明其良好的可再生性和实用性。在真实地下水样本测试中，即使存在多种干扰离子，该材料仍能实现55%的铅离子去除率，展示了其在复杂实际环境中的应用潜力。

该研究通过环氧氯丙烷交联策略成功提升了壳聚糖-纤维素复合材料的吸附性能和稳定性。CS@CE@ECH微球中丰富的氨基和羟基官能团与铅离子之间强烈的配位作用，结合材料特有的多孔结构，共同贡献了其卓越的吸附能力。与传统的交联剂如戊二醛相比，环氧氯丙烷不仅成本更低，而且交联时间更短（2-3小时），更适合大规模应用。

这项研究的意义在于开发了一种高效、环保、低成本的重金属吸附剂，为解决水体铅污染问题提供了可行的技术方案。CS@CE@ECH微球的原料来源广泛，合成工艺简单，吸附性能优越，且具备良好的再生能力，使其在工业废水处理、地下水修复等领域具有广阔的应用前景。未来研究可进一步探索该材料对其他重金属离子的吸附性能，优化其在连续流系统中的操作参数，推动其在实际水处理工程中的规模化应用。