综述：基于壳聚糖的水净化吸附剂：机理、性能与可持续性

《Applied Radiation and Isotopes》：Chitosan-based adsorbents for water purification: Mechanisms, performance, and sustainability

壳聚糖因其可生物降解性和高效吸附性能成为水处理理想材料，能有效去除重金属、染料及药物残留。其改性策略（如交联、接枝、复合）显著提升稳定性与选择性，但存在pH敏感性、离子竞争及规模化难题。未来需结合绿色合成、智能响应及混合系统优化，以应对复杂水质挑战。

　　### 水净化中壳聚糖吸附剂的可持续性和高性能分析

壳聚糖，一种来源于甲壳素的可生物降解多糖，因其优异的吸附性能和环境友好特性，在水处理领域展现出巨大的潜力。随着全球水污染问题日益严峻，工业、农业和城市化活动导致水体受到重金属、染料、药物和新兴污染物的广泛污染。这些污染物对水生态系统、生物多样性和人类健康构成严重威胁，引发癌症、神经系统疾病和内分泌紊乱等问题。因此，开发高效、环保的水处理技术成为迫切需求。壳聚糖基吸附剂因其独特的化学结构和可调节的表面特性，成为应对这些挑战的可行解决方案。

#### 壳聚糖的来源与生产

壳聚糖来源于甲壳素，而甲壳素则广泛存在于甲壳类动物的外骨骼、真菌细胞壁和昆虫表皮中。工业生产通常包括三个步骤：脱矿化（如使用盐酸去除碳酸钙）、脱蛋白（如使用氢氧化钠去除蛋白质）以及脱乙酰化（如使用浓氢氧化钠将乙酰氨基转化为氨基）。尽管甲壳类来源提供了丰富的原料，但其季节性和可能的重金属污染成为挑战。相比之下，真菌来源的壳聚糖具有更高的纯度和一致的分子量，但生产成本较高。昆虫来源则提供了一种新兴的选择，虽然其产量较小，但具有较低的环境影响和较高的可再生性。然而，目前对昆虫来源壳聚糖的研究仍处于初级阶段，限制了其在水处理中的广泛应用。

#### 壳聚糖的化学结构与吸附机制

壳聚糖是一种线性多糖，由β-(1→4)-连接的d-葡萄糖胺（脱乙酰化单元）和N-乙酰-d-葡萄糖胺（乙酰化单元）组成。其化学结构赋予其丰富的吸附能力，使其能够与多种污染物相互作用，包括重金属、染料、药物和新兴污染物。这些相互作用包括静电作用、络合、氢键和疏水作用等。例如，壳聚糖在酸性条件下（pH < 6.5）通过氨基的质子化形成正电荷位点，吸引阴离子污染物如染料和氧化阴离子。在中性或碱性条件（pH > 6.5）下，壳聚糖的氨基和羟基可以与阳离子污染物形成络合物，提高其吸附能力。此外，壳聚糖的羟基可以与极性污染物（如四环素和酚类化合物）形成氢键，而乙酰基则可以通过疏水作用与非极性污染物（如多环芳烃和双酚A）结合。

#### 壳聚糖的改性策略

为了克服壳聚糖在实际应用中的局限性，如酸性环境中的溶解性、机械强度低、吸水膨胀和结合位点可及性差，研究者提出了多种改性策略，包括交联、接枝、复合材料的形成以及与其他生物聚合物的混合。这些策略不仅提高了壳聚糖的稳定性、选择性和可重复使用性，还保持了其生物降解性和环保性。例如，使用戊二醛或柑橘酸作为交联剂可以显著提高壳聚糖的机械强度和抗酸性能力。接枝技术则通过引入新的功能基团，如EDTA或酶催化反应，增强其对特定污染物的吸附能力。复合材料的形成，如与粘土、磁性纳米颗粒或金属有机框架（MOFs）结合，可以改善壳聚糖的吸附性能，使其在复杂废水处理中更具竞争力。此外，将壳聚糖与其他生物聚合物（如海藻酸、纤维素或淀粉）混合，可以提高其机械性能和生物降解性，同时降低成本。

#### 壳聚糖在水净化中的性能表现

壳聚糖基吸附剂在去除重金属、染料和新兴污染物方面表现出优异的性能。其吸附容量通常在120–600 mg/g之间，去除效率可达80–95%。例如，壳聚糖在酸性条件（pH 4–6）下对阴离子染料（如 Congo Red）表现出较高的吸附能力，而在中性条件（pH 6–8）下对阳离子染料（如 Methylene Blue）效果更佳。对于重金属如 Pb2? 和 Cd2?，壳聚糖的氨基和羟基可以通过络合作用形成稳定的复合物，其吸附容量可达300–420 mg/g。此外，壳聚糖在去除药物和新兴污染物（如四环素、双酚A和全氟化合物）方面也显示出潜力，通过氢键和疏水作用实现高效的污染物捕获。然而，在实际废水处理中，壳聚糖面临诸多挑战，如离子竞争、pH敏感性和大规模应用的可行性。

#### 壳聚糖的可持续性与环境影响

壳聚糖的可持续性主要体现在其可再生来源和生物降解性上。通过利用海鲜废弃物，壳聚糖的生产可以显著减少填埋废物，降低碳足迹。相比之下，活性炭和离子交换树脂的生产过程涉及高能耗和非可再生原料，导致更高的环境影响。壳聚糖的碳足迹为1.5–2.5 kg CO?-eq/kg，远低于活性炭（8–12 kg CO?-eq/kg）和离子交换树脂（15–20 kg CO?-eq/kg）。此外，壳聚糖的生物降解性使其在使用后能够自然分解，避免了传统吸附剂的处理难题。然而，壳聚糖的生产过程中会产生碱性废水，需要额外的处理以防止对水生生态系统造成损害。

#### 壳聚糖的再生与可重复使用性

再生是提高壳聚糖基吸附剂经济可行性的关键因素。通过酸性或碱性再生剂，如0.1 M HCl或NaOH，壳聚糖可以恢复其吸附能力，保留80–90%的吸附容量。例如，使用0.1 M NaOH再生壳聚糖-粘土复合材料，可以实现90%的染料去除效率，且在多次循环中保持较高的稳定性。此外，超声波辅助再生技术可以提高吸附剂的再生效率，减少化学试剂的使用。然而，再生过程中的能耗和可能的材料降解仍然是需要解决的问题。例如，多次使用后，壳聚糖的结构可能因酸碱条件而发生断裂，导致吸附容量下降。因此，开发更高效的再生方法和更稳定的吸附剂结构是未来研究的重要方向。

#### 壳聚糖在复杂废水中的挑战与改进

在实际废水处理中，壳聚糖面临离子竞争、pH波动和污染物种类复杂等挑战。例如，废水中的竞争离子（如Ca2?和Mg2?）可能降低壳聚糖对重金属的吸附能力，而高盐度或复杂有机物可能影响其对染料的吸附效果。为了解决这些问题，研究者提出了多种改进策略，如引入选择性功能基团（如硫醇或络合剂）以提高对特定污染物的亲和力。此外，结合磁性纳米颗粒或金属有机框架（MOFs）可以增强壳聚糖的吸附选择性和分离效率。这些改进不仅提高了壳聚糖的吸附性能，还增强了其在实际废水处理中的应用潜力。

#### 壳聚糖基吸附剂的未来发展

壳聚糖基吸附剂的未来发展将聚焦于绿色改性技术、智能吸附材料和混合系统的集成。绿色改性技术，如无溶剂合成和酶催化接枝，有望降低生产成本和环境影响，提高其经济可行性。智能吸附材料，如pH响应性和磁性分离吸附剂，可以通过动态调整吸附性能，提高其在复杂水处理中的适应性。此外，结合膜过滤或光催化降解的混合系统可以实现吸附与污染物降解的协同作用，提高整体处理效率。这些技术的结合将推动壳聚糖基吸附剂从实验室研究向工业化应用的转变，为全球水净化提供可持续的解决方案。

#### 结论

壳聚糖基吸附剂在水净化领域展现出巨大的潜力，其可再生来源、生物降解性和高效吸附性能使其成为应对全球水污染问题的重要工具。通过改性策略的不断优化，壳聚糖的吸附性能和环境友好性得到了显著提升。然而，其在实际废水处理中的应用仍面临诸多挑战，如离子竞争、pH敏感性和大规模生产的可行性。未来的研究应着重于开发更高效的再生方法、提高吸附剂的稳定性以及优化其在复杂水处理中的性能。通过整合绿色改性技术、智能吸附材料和混合系统，壳聚糖基吸附剂有望成为可持续水处理的基石，为全球水资源保护和利用提供新的解决方案。