1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 海藻酸和甲壳胺纤维对铜离子的吸附性能 所在学院 专业班级 纺织工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘要 ： 铜离子是一种常见的环境污染物 ， 会严重污染人类赖以生存的地表水和地下水，并且危害人体的健康。 同时铜是很重要的 一种有价金属，流失于污水中也是一种资源浪费，所以处理废水中铜离子是目前极其迫切的任务。近年来，因为其自身的优异性能 , 海藻酸和甲壳胺得到越来越广泛的应用，特别是在医学，纺织，食品，生物化学上的应用。 作为天然高分子材料，它们具有生物可相容性、生物可降解性以及无毒性等多个特点。而作为可再生资源，它们在自然界
2、都具有很丰富的来源。海藻酸大量地存在于各类棕藻中，而甲壳胺可以从许多节足动物的翅膀或外壳中提取。 本文从吸附时间和蛋白质含量两个角度来研究对比两种纤维对铜离子的不同吸附性能。 关键词： 铜离子；甲壳胺纤维；海藻 酸纤维；吸附性能 II Alginate and Chitosan Fibers Adsorption Performance to Copper Ions Abstract： Copper is a common environmental pollutant, and it will seriously contaminate surface water and the under
3、ground water which people live by. Whats more, it will endanger humans health. And copper is a important valuable metal. It is a waste of resources that copper is lost in the effluent. So it is an extremely urgent task to conduct the copper ions contained in the effluent. In recent years, alginate a
4、nd chitosan fibers are widely used because of its own excellent performance， particularly on the application of medicine, textile, food, biochemistry. As natural polymer materials, they have many characteristics, for example, compatibility, biodegradation and non-toxic and so on. As renewable resour
5、ces, they have very rich source in nature. A large number of alginate present in the various types of brown algae and many chitosan are found from the wings or shell of arthropods. In this paper, we will research and compare the two fibers adsorption on copper ions from the points of adsorption time
6、 and protein content. Keywords: Copper Ions; Chitosan Fibers; Alginate Fibers; Adsorption III 目 录 1. 绪 论 . 1 1.1 引言 . 1 1.2 甲壳胺纤维的概述 . 2 1.2.1 甲壳胺纤维的简介 . 2 1.2.2 甲壳胺纤维的性质 . 2 1.2.3 甲壳胺纤维的应用 . 3 1.3 海藻酸纤维的概述 . 3 1.3.1 海藻酸纤维简介 . 3 1.3.2 海藻酸的生产、应用 . 4 1.4 对铜离子吸附的研究 . 5 1.4.1 酵母菌对铜离子的吸附 . 5 1.4.2 钙基膨润土对
7、水相中铜离子的吸附 . 5 1.4.3 海藻酸对铜离子的吸附 . 6 1.4.4 甲壳胺纤维对铜离子的吸附 . 6 1.5 实验的目的 . 6 2. 实验部分 . 7 2.1 实验的准备 . 7 2.1.1 实验的材料 . 7 2.1.2 实验仪器 . 7 2.1.3 实验设备 . 7 2.2 实验步骤 . 8 2.2.1 实验用的重金属盐溶液的配置 . 8 2.2.2 吸附性能的测试 . 8 2.2.3 数据计算 . 9 3. 实验结果与分析 . 9 3.1 海藻酸纤维（ A）吸附性能的测量 . 9 3.1.1 时间对海藻酸纤维（ A）吸附性能的影响 . 9 3.1.2 蛋白质含量对海藻酸纤
8、维（ A）吸附性能的影响 . 11 3.2 海藻酸钙纤维（ B）吸附性能的测量 . 12 3.2.1 时间对海藻酸钙纤维（ B）吸附性能的影响 . 12 3.2.2 蛋白质含量对海藻酸钙纤维（ B）吸附性能的影响 . 13 3.3 甲壳胺纤维（ C）吸附性能的测量 . 14 3.3.1 时间对甲壳胺纤维（ C）吸附性能的影响 . 14 3.3.2 蛋白质含量对甲壳胺纤维（ C）吸附性能的影响 . 14 3.4 羧甲基甲壳胺纤维（ D）吸附性能的测量 . 15 3.4.1 时间对 羧甲基 甲壳胺纤维（ D）吸附性能的影响 . 15 3.4.2 蛋白质含量对 羧甲基 甲壳胺纤维（ D）吸附性能的影
9、响 . 16 3.5 数据分数对比 . 17 4. 结论 . 19 参考文献 . 20 IV 致 谢 . 错误 !未定义书签。 1 1 绪 论 1.1 引言 随着冶炼、金属加工业、机器制造业、有机合成及其他工业的发展，工业生产所排放的废水量 也在不断加大，废水中的铜离子含量也在不断上涨。其中以金属加工、电镀工厂所排放的废水铜离子含量最高，废水含铜量可达几十至几百毫克每升。 适量的 铜 对人体来说是 不可缺少的微量元素。铜在人们的所有器官和组织中 的存在形式是 与蛋白质或其它有机物 的 结合 体， 而不 是 以自由铜离子的形式存在 的 。铜是机体内蛋白质和酶的重要组分，如铜蓝蛋白、细胞色素、 C
10、 氧化酶等。许多关键的酶，需要 铜 的参与和活化，对机体的代谢过程产生作用，促进人体的许多功能。这就是为什么微量的铜，会对生命产生至关重要作用的主要原因。例如：它有助于提供机体生物化学过程 所需的能量；帮助形成血液中的血红素，影响皮肤色素的形成；促进在骨胶原及弹性蛋白中形成交联，保持和恢复结缔组织；参与葡萄糖和胆固醇的代谢过程；影响头发、皮肤、骨骼、大脑的发育，以及心脏、肝脏、中枢神经和免疫系统的功能等。 但是，当铜在水中的含量超过一定值时， 由于其自身的难降解性和毒害性，会对渔业和农业等产生严重影响，并直接或间接危害人体健康。 相关研究表明，人体摄人过量的铜后，就会刺激消化系统，引起腹痛、呕
11、吐，长期过量摄人可造成肝硬化 1。当 人体吸入过量铜时，表现为威尔逊（ wilson）氏症，这是一种染色体隐 性疾病，可能是由于体内重要脏器如肝、肾、脑沉积过量的铜而引起的。 如果含重金属离子（如铜、铅、锌等）的液体不经处理直接排放到自然环境中，将会严重污染人类赖以生存的地表水和地下水， 此外，水中的铜离子浓度过高时，对植物和水生生物的生长也有抑制作用，并使水体产生异味，同时铜是很重要的有价金属，流失于污水中也是一种资源浪费。因此回收有价金属铜和去除废水中污染的铜显得十分必要。 传统的含铜废水的处理方法主要有： 沉淀法、吸附法、离子交换法、电解法、膜分离法等 2。在这些方法中，吸附法被认为是一
12、种去除废水中铜离子经济有 效的方法。 20 世纪 80 年代以来，国外开始研究一种新的水处理技术，以去除废水中的有机污染物和金属离子，即胶束增强超滤处理法。近来，采用超临界 CO2 流体萃取（ CO2 SFE）技术萃取重金属离子废水越来越受关注，但是 CO2 SFE 萃取技术大规模治理环境重金属污染的经济型尚无定论。所以，新的吸附方法就应运而生，利用生物吸附法去除废水中的重金属越来越受到人们的重视。当废水中的金属浓度低于大约 100 mg/L 时，若采用化学处理方法则效率低或不经济，而采用生物吸附法就更为有效。 2 1.2 甲壳胺纤维的概述 1.2.1 甲壳胺纤维的简介 甲壳素是一种以 1-
13、4键链接的乙酞胺基 D葡萄多糖， 甲壳胺是甲壳素 N 脱乙酞基的产物，一般而言， N 乙酞基脱去 55%以上就可称之为甲壳胺。甲壳素作为一种丰富的自然资源，广泛存在于蟹、龙虾和其他夹克鱼类、蚍蜉 (虾状的浮游生物 )，昆虫的外壳，鱿鱼的软骨和真菌的细胞壁中，估计自然界每年生物合成量将近 100 亿吨 3，仅次于纤维素。其化学结构式为聚 (1 4) 2 乙酰胺基 2 脱氧 D 葡聚糖 ， 图 1-1显示了甲壳素的分子式： 图 1-1：甲壳素的分子结构 甲壳胺是甲壳素 脱去乙酰基后得到的产物，其化学结构式为聚 (1 4) 2 氨基 2 脱氧 D 葡聚糖 ， 甲壳胺的分子结构式如图 1-2所示： 图
14、 1-2：甲壳胺的分子结构 1.2.2 甲壳胺纤维的性质 甲壳胺纤维保留了甲壳胺的所有性能 4： （ 1） 保湿防止静电：因分子链中含有大量的 OH、 NH2等高亲水性基团，保湿性卓越，保湿能力是一般自然纤维的 7倍，使织物柔软，有效防止静电。 （ 2） 除臭性：甲壳胺纤维本身对氨、三甲胺及变异蛋白有较强的吸附作用，可达到除臭的效果。 （ 3） 抗菌性：甲壳胺是自然界中唯一带正 电荷的有机高分子物质，因正负电荷的作用一方面能捕捉有害菌，同时又与组成细胞壁的成份中的阴离子相结合。这些阴离子主要提供微生物和各种细菌的栖息环境，甲壳胺与这些阴离子结合后，破坏微牛物或各种细菌的栖息环境，阻碍微生物、细
15、菌的生长发育，起到抗菌作用，可防止特异性皮炎。抗菌性为半永久性，即使多次洗涤也3 不减弱。 （ 4） 生物相容性：人的皮肤表皮里有活性溶菌酶，该酶与人的皮肤排泄的汗一起分泌在皮肤表面，形成皮肤的弱酸性，与甲壳胺接触后一起分解甲壳胺。甲壳胺被吸收到体内有利于体内有用细菌的增殖活性化，提高机体的免疫力， 强化免疫机能，不仅可以恢复疲劳还可以增加运动选手肌肉的柔韧性。同时能促进溶菌酶的分泌，增进其活性，加速皮肤再生，促进伤口愈合，有止血作用。 （ 5） 环保性：甲壳胺纤维是 100%天然糖类物质，本身对人体无毒副作用，并参与自然界的新陈代谢，当它接触到植物，植物为了吸收它加速分泌甲壳素酶，加速其代谢
16、，是可降解的环保材料。 （ 6） 染色性：甲壳胺纤维对染料具有很高的亲和力，对反应性及直接性染料有极高的着色性。 1.2.3 甲壳胺纤维的应用 （ 1）手术缝合线： 作为一种天然高分子材料，甲壳胺在体酶的作用下分解并披人体 吸收，它是制备可吸收性手术缝合线的良好材料。可吸收性手术缝合线主要用于消化系统外科和整型外科等体内手术中，理想的产品应该在愈合前与组织相容，愈合的所有缝合线不须拆除，能慢慢被人体吸收而消失，并且在愈合过程中不破坏正常的愈合。 （ 2）医用敷料： 作为治伤用材料，医用敷料可以有许多不同的形式，如非织造布、纱布、绷带、止血棉等。甲壳胺制成的医用敷料有以下一些特点：给病人冷爽之感
17、以减轻伤口的疼痛； 具有极好的氧涌透性，防止伤口缺氧； 吸收水分并通过体内酶自然降船而不需要另外去除它们； 降解产生可加速伤口愈合 的 N 乙酰葡糖胺，大大提高了伤口愈合速度。 （ 3）保湿护肤舒适性纺织品： 经相应测试数据表明，甲壳胺纤维在标准大气压下的凹潮率高达 16。 7 5，远远高于棉、羊毛、粘胶等纤维的回潮率，说明甲壳胺纤维具有良好的保湿效果。穿着甲壳胺纤维制成的纺织品，对人体皮肤能起到一定的护理效果。 （ 4）吸附剂： 由于甲壳胺分子中含有大量的胺基和羟基，甲壳胺对重金属离子和酸性染料、活性染料、媒染料、直接染料等都有很好的吸附性能，已被广泛应用于废水处理中。 1.3 海藻酸纤维的
18、概述 1.3.1 海藻酸纤维简介 海藻酸纤维是一 种天然生物高分子材料，属于可再生资源，是一种良好的环境友好材料。海藻酸纤维通常由湿法纺丝制备，即将可溶性海藻酸盐 (通常用海藻酸钠 ) 溶于水中形成粘稠溶液，4 然后通过喷丝孔挤出到含有二价金属阳离子 ( Mg2+ 除外 ) 的凝固浴中，形成固态不溶性海藻酸盐纤维长丝 6。 其分子结构如图 1-3所示 7: 图 1-3：海藻酸的分子结构 1.3.2 海藻酸的生产、应用 海藻酸的生产方法有化学方法和发酵方法两种。用化学方法生产海藻酸的原料有海带和马尾藻等。用 这种方法的缺点是效率较低。用发酵方法采用菌种是维氏固氮菌（ A zoto-bacter
19、Vinelandii）。这种菌种利用大气中氮气，发酵时不需添加氮源，而且发酵中不易受污染。这对海藻酸降低成本具有意义。用细菌发酵生产海藻酸不受地理环境和气候条件的限制和影响，可以进行工厂规模控优化生产，还可以通过发酵条件的变化来改变 M/G比值，进行控优化生产。关于细菌源海藻酸的研究较多，其目的是试图以细菌源海藻酸替代或部分替代海藻源海藻酸。 近年来，海藻酸其广泛的用途而被人们日益重视。 海藻酸胶具有良好的生物活性，在“蓝色医 药产业”正在兴起的今日，将海藻酸系列开发成药品保健品具有重要意义。用海藻酸系列原材料可开发抗肿瘤、抗病毒、抗放射、抗衰老、抗心脑血管疾病的海洋药物。海洋药物以其独特的疗
20、效、低毒性引起了人们的高度重视。 海洋生物开发技术的发展诞生了中国第一个海洋药物 藻酸双脂钠 (PSS)，就是用海藻酸胶为原料开发的，开创了中国海洋药物的先河。除此之外，科研者们利用海藻酸系列原材料开发了多种海洋药物：治疗肾衰药物肾海康 (FPS)，开发降胆固醇、降血脂药物，特种海藻酸胶活性药物 海藻酸钾，配制复方海藻酸糖合剂等。 在药物上， 海藻酸具有举足轻重的地位，但在其他方面，海藻酸一样有着其不可替代的作用： （ 1） 海藻酸作为药物转运载体的开发： 聚合物的生物相容性或对生物组织的免疫原性是决定其能否作为药物释放载体与组织工程材料的主要因素之一，海藻酸具有良好的生物粘着性。药剂学中利用
21、海藻酸钠的溶解度特性、凝胶和聚电解质作为缓释制剂的载体、包埋剂或生物粘附剂，利用其水溶胀性，作为片剂崩解剂，利用其成膜性，制备微囊，利用其与二价离子的结合性，曾作为软膏基质或混悬剂的增粘剂，其中5 作为缓释制剂的骨架和包埋和微囊材料等尤为重要 8。 （ 2）海藻酸 钠作为功能食品的开发 海藻酸及海藻酸盐系列可开发纯天然海洋生物药品，同时该产品还可以作为保健品的原料、功能食品添加剂和营养强化剂，对保障和促进人体健康有显著功效。海藻酸钾、钙、锌、镁等海藻酸盐作为新型低分子化功能性食品添加剂，可制备： (1)降脂饮料； (2)降压牛奶、奶伴侣； (3)降压茶、降脂茶； (4)降压、降脂咖啡； (5)
22、降脂糕点； (6)补锌、钾、钙面粉。 1.4 对铜离子吸附的研究 随着对环境关注程度的提高，处理废水中的重金属离子就变得越来越重要。目前 世界各国重金属废水处理方法主要有三类 9：第一 类是废水中重金属离子通过发生化学反应除去的方法，包括中和沉淀法、硫化物沉淀法、铁氧体共沉淀法、 化学还原法、电化学还原法和高分子重金属捕集剂法等。第二类是使废水中的重金属在不改变其化学形态的条件下进行吸附、浓缩、分离的方法，包括吸附、 溶剂萃取、蒸发和凝固法、离子交换和膜分离等。第三类是借助微生物或植物的絮凝吸收、积累、富集等作用去除废水中重金属的方法其中包括生物絮凝、生物化学法和植物生态修复等。 采用化学法、
23、物理化学法都将残生污染转移，易造成二次污染，且对于大流域、低浓度的有害重金属污染难以处理。而吸附法 具有效果好、投资少及运作费用低、易于管理和操作、不产生二次污染等优点，日益受到人们的关注。 1.4.1 酵母菌对铜离子的吸附 生物材料可用于去除或回收环境中的重金属，因其来源广，价廉，用于去除水体中的重金属有经济的、环境的意义。啤酒酵母作为发酵的副产物，对重金属有好的吸附作用。酵母菌能吸附重金属离子，主要是因为其细胞壁上含有一些能结合金属离子的基团，如羧基，羟基和氨基等。为了提高吸附效率和选择性，鉴定吸附 Cu2+的官能团非常重要。 1.4.2 钙基膨润土对水相中铜离子的吸附 膨润土（ Bent
24、onite） 又名斑脱岩或膨土岩。它是一种以蒙脱石为主要成分的黏土，它的应用主要是由所含蒙脱石的性质决定的。膨润土为白色，具有土状光泽，贝壳状或锯齿状断口。 提纯后精制成的钙基膨润土产品，其具有吸附性、离子交换性、分散性、黏接性、触变性、稳定性、无毒性、无刺激性以及电导性。膨润土作污水处理的净化剂、吸附剂，给环境保护带来一条新途径。由于膨润土具有分散性能好，颗粒小、比表面大等特点，在污水处理中，可大量吸附污物毒物。钙基膨润土独特的晶体结构，使其对重金属离子拥有良好的交换性和选择性。钙基膨润土处理污水的方法不但简单、有效而 且成本低，并且重金属在脱吸附时的释放率较低，无二次污染，所以在膨润土资源丰富的地区，研究利用其处理含重金属污水意义重大。
