交联壳聚糖珠的制备及其对染料的脱色性能

 白志强，  汤浪，  李林

 （华中农业大学生命科学技术学院，农业微生物学国家重点实验室，湖北武汉430070）

  摘要：通过自行配置壳聚糖珠制备仪元件，成功制备出5种不同粒径的壳聚糖珠( CTS-B)。在控制系统电压为5.6 kV的条件下，制备出一种平均粒径为420um的最小壳聚糖珠CTS-B1，其平均比表面积达到1.31 m2/g。以5种制备的CTS-B为载体，通过戊二醛交联化，进一步制备出交联壳聚糖珠CCTS-B。在25℃、转速180 r/min和脱色30 min的反应条件下，所制备的粒径最小的CCTS-B1对染料酸性绿AG25的脱色率最高，达到82.3%;在相同条件下CCTS-B1对酸性红18、活性蓝198、活性蓝220和直接红243的最高脱色率分别达到82.2% .75.4%、79.2%和83.2%，均显著高于非交联CTS-B1的脱色率。

  关键词：壳聚糖；交联；染料；脱色

  壳聚糖是一种属于聚氨基糖类的天然高分子化合物，是世界上储量丰富的可再生有机资源。壳聚糖主要来自于虾、甲壳类动物的外骨骼，在昆虫体表和真菌细胞壁中也富含壳聚糖，其最基本的构成单位是氨基葡萄糖。壳聚糖有良好的生物相融性、亲水性、机械稳定性和一定程度的渗透性，可以制成多种几何形状的固化材料而用于多种目的。事实上，由于壳聚糖具有多种优良物理与化学性能，加上其良好的环境相容性和可再生性，使其在印染废水处理、生物化工、水体修复和食品等多个行业得到广泛应用。

 染料是印染行业污水排放的主要污染物质。染料物质成分复杂，来源广泛，应用领域广阔，而很多染料对人和动物具有高度毒性，且多数染料因具有复杂的分子结构而难以被降解，因而未处理的染料废水对人和动物可造成严重的环境威胁。即便水体中存在少量的染料废水，也会严重影响水体透明度和水体中的气体溶解度。壳聚糖对多种染料具有良好的吸附脱色效果，但微粒形态的壳聚糖材料用作反应器填料时会严重阻滞反应器内流体的流动性。此外，先前有研究证实壳聚糖珠经交联化后，其表面结构呈多孔状态，从而可能增加对染料的吸附性能。基于此，本研究以粉末壳聚糖为原料，通过制备不同粒径的聚合型壳聚糖珠材料，和对壳聚糖珠材料进行交联反应以增加其比表面积，研究制备了交联壳聚糖珠，并进行了对几种染料的脱色性能分析。

1  材料与方法

1.1  材料

壳聚糖( Chitosan，CTS)购买自国药集团化学试剂有限公司，分析纯，脱乙酰度≥90.0%)，为灰白色半透明粉末状固体，化学式为(C6H4N04)n，平均分子量为6.2x105。酸性红18( AR18)和酸性绿25(AG25)为化学纯，购自泰国现代染料公司。活性蓝198( RB198)、活性蓝220( RB220)和直接红243(DR243)均为化学纯，购自中国金升染料化工有限公司。5种染料的化学如表1所示，其分子结构式见图1。

1.2  不同粒径壳聚糖珠的制备

 将2%( W/V)的壳聚糖溶液通过恒流泵以规格为30 G医用针头滴定至5%( W/V)的NaOH-乙醇溶液（乙醇：水=7:3）中。将针头一端与高压直流电源的正极相连，将高压直流电源的负极置于NaOH-乙醇溶液中。调节高压直流电源的电压可制备出不同粒径的壳聚糖珠。制备完毕后，取出壳聚糖珠，用去离子水反复冲洗，直到壳聚糖珠无NaOH残留。选取各个粒径下壳聚糖珠100粒，利用光学显微镜法测算出每一粒壳聚糖珠的粒径，利用统计学方法得出不同制备条件下壳聚糖珠平均粒径。制备的壳聚糖珠粒径为420—2 600um，将壳聚糖珠置于PBS缓冲液(pH=7.4)中于4℃下保存。

1.3  交联化壳聚糖珠的制备

 取2g壳聚糖珠(CTS-B)，加入10 m1 5%( V/V)的戊二醛溶液进行交联化反应6h。交联结束后，用去离子水反复洗涤交联壳聚糖珠(CCTS-B)，以取出交联壳聚糖珠上未交联的残留戊二醛，将交联壳聚糖珠置于4℃冰箱保存。

1.4  染料脱色测定方法

 用分光光度计分别对酸性绿25(AG25)、酸性红18(AR18)、活性蓝198( RB198)．活性蓝220( RB220)和直接红243 (DR243)进行全波长扫描，结果发现AG25、AR18、RB198、RB220和DR243的最大特征性吸收峰（入。）分别为636、506、621、612和为527 nm(表1)。使用2g各种交联壳聚糖珠对10 m1的0.1 mo1/1乙酸钠缓冲液(pH 7.0)染料反应体系进行脱色实验，染料终浓度为1 g/1。在25℃、180 r/min条件下脱色，在染料的最大吸收波长处用紫外分光光度计测定并计算脱色率，见式(1)。

 脱色率(%)=(Ao-A)/Aox100% (1)

 式(1)中，Ao为染料的初始吸光度值，A为经过脱色处理后染料的吸光度值。

2  结果与分析

2.1  不同粒径壳聚糖珠的制备

  使用自行配置和组装的壳聚糖珠制备仪将壳聚糖(CTS)原料制备成不同粒径的壳聚糖珠(CTS-B)。制备的CTS-B材料外观上呈粒径均一的圆球体，不溶于水。对所制备的5种CTS-B材料的粒径等物理常数进行了测定（表2），结果显示所制备的CTS-B材料粒径大小受制备仪直流高压电源电压强度值的控制，即随着电压的增高，所制备出的CTS-B粒径不断减小，而比表面积也随之不断增大，单位体积总表面积增加。由最大工作电压( 5.6 kV)下所制备的CTS -B1平均粒径值比无外加电压状态下制备的CTS-B5平均粒径值小4.36倍，而单位比表面积比CTS-B5大2.54倍。

 进一步以5%( V/V)戊二醛浓度为交联剂，在28℃下进行6h交联反应，分别得到5种CTS-B的交联化壳聚糖珠，分别称为CCTS-B1、CCTS-B2、CCTS-B3、CCTS-B4和CCTS-B5。

2.2  交联壳聚糖珠粒径对AG25脱色效果的影响

  取5种CCTS-B各2g进行了对染料AG25进行脱色实验。脱色反应时间为30 min，温度为25℃，脱色反应转速为180 r/min。测定并计算的各交联壳聚糖珠的脱色率如图2所示。

  从图2可见，随着CCTS-B粒径不断减小，对染料AG25脱色率不断增加。粒径最小的CCTS-B1对AG25脱色率最高，为82.3%，比粒径最大的CCTS-B5对AG25脱色率提高24.9%。本文选择CCTS-B1进行后续脱色实验。

2.3  脱色反应时间对AG25脱色效果的影响

取CCTS-B1 2 g，在0～60 min内对染料AG25进行脱色实验，每5 min取样，测定脱色率。由图3可知，CCTS-B1随着脱色反应时间的增加对染料AG25的脱色率也不断增加，0—20 min脱色率呈显著增加，但在30 min时对染料AG25脱色达到稳定值。

2.4  脱色温度对AG25脱色效果的影响

  分别在15、25、35、55和85℃下测定了CCTS-B1对AG25的脱色率，实验结果如图4所示。结果表明CCTS-B1对AG25最适脱色温度为25℃。随着脱色温度的增加，CCTS-B1对AG25脱色率下降，而在85℃时，CCTS-B1对AG25脱色率仅为25℃时的77%。

2.5  脱色反应转速对AG25脱色效果的影响

如图5所示，随着脱色反应转速的增加，CCTS-B1对AG25的脱色率也随之增加。在最高转速180r/min下对静置状态下脱色率提高21.4%，但继续提高反应转速则脱色率有所下降。

2.6  CCTS-B1对其它4种染料的脱色效果

采用2 g CCTS-B1，以180 r/min转速在25℃下分别对染料AR18、RB198、RB220和DR243进行脱色30 min实验，定时取样测定并计算各自脱色率，实验结果如图6所示。

 从图6可以看出，CCTS -B1对AR18、RB198、RB220和DR243的最高脱色率分别为82.2%，75.4%，79.2%和83.2%；作为对照的CTS-B1对这4种染料的最高脱色率分别为28.7%、16.2%、36.0%和21.9%．可见经过戊二醛交联后CCTS-B1对染料可达到较高的脱色率。

3  结论

 本文采用自行设计和配制的装置以粉末状壳聚糖制备了5种不同粒径的微米级壳聚糖珠，并通过戊二醛交联化进一步制备出交联壳聚糖珠后，进行了对5种不同染料的脱色效果分析。结果表明来自于一种最小粒径的交联壳聚糖珠CCTS-B1在25℃、转速为180 r/min和脱色30 min后，对酸性绿AG25、酸性红18、活性蓝198、活性蓝220和直接红243的最高脱色率分别达到82.3%、82.2%、75.4%、79.2%和83.2%，均显著高于非交联CTS-B1的脱色率。

 壳聚糖是一种天然大分子生物有机材料，是自然界中仅次于纤维素的第二大类生物材料，同时壳聚糖也是一种可再生生物有机材料。随着近年来对壳聚糖的工业化应用，壳聚糖价格逐步降低。壳聚糖作为一种生物大分子材料，其表面物理特性，尤其是制备成球珠状材料，对染料具有一定的吸附作用。因此壳聚糖是一种可以在工业化应用的优良染料吸附脱色材料。本文实验证实经颗粒化后的CTS-B1对染料有一定的吸附作用，但经过戊二醛处理过后的CCTS-B1交联株对染料的脱色性能显著提高。其原因可能是壳聚糖珠经过戊二醛处理后，其表面结构呈多孔状态，从而有助于提升对染料的吸附作用。此外，经交联后的壳聚糖珠还具备了其它性能，比如可进一步用于与微生物细胞的结合而构建成复合型壳聚糖珠材料。

 本研究自制的壳聚糖珠制备仪可以连续制备不同粒径(420—2 250 p.m)的壳聚糖珠。虽然有报道采用反相悬浮法可以制备更小粒径（10~100 ym）的壳聚糖珠，但其制备过程中使用了大量的表面活性剂等有机试剂，而这些试剂的使用一方面增加了成本，同时也可能对环境造成二次污染。本课题研究制备的壳聚糖珠均一性良好，制备方法简便、高效、稳定且所需设备简单，制备过程无毒性污染物产生，从而具备了一定的工业化应用潜力。本研究室正在进行相关的研究工作。