1、 1 毕业设计 开题报告 纺织工程 海藻酸和甲壳胺纤维对锌离子的吸附性能 一、选题的背景、意义 近几年来，海藻酸和甲壳胺在生物医药领域得到了广泛的应用。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。海藻养殖场和海产品加工厂可以为这 2 种材料提供丰富的原料供应 【 1】 。随着电镀、制革、防腐和染料等工业的发展，人们向自然界排放的金属废弃物越来越多，特别是工业生产过程中产 生的含铬、砷、镍、汞、镉、铅等重金属离子的废水造成了严重的环境污染。
2、含重金属离子的废水对人体和环境造成的危害越来越严重，有效去除废水中重金属离子成为当前十分迫切的任务 【 2】 。 甲壳胺和海藻酸是 2 种与纤维素结构相似的天然高分子材料。甲壳胺的分子结构为 ( 1 ， 4 ) -2 - 胺 - D-葡聚糖聚合物 【 3】 ，海藻酸是一种 二元线性共聚物， 由 - D -甘露糖醛酸 M酸和 a- L -古洛糖醛酸 G酸两个同分异构体组成 【 4】 。 甲壳胺是由多糖甲壳素组成的一种天然产品。甲壳素是一种氨基多糖（糖和蛋白质相结合）， 在自然界中甲壳类生物的外骨骼中大量发现，如虾、螃蟹、龙虾和贝壳类生物。部分甲壳素经过 脱乙酰化 作用，除去 乙酰基 的甲壳素可得
3、到 甲壳胺 【 5】 。 作为含有氨基和羧酸基团的高分子材料，甲壳胺和海藻酸是良好的高分子絮凝剂，已经被广泛用于废水的处理，效果好，成本低，且无污染。 二、相关研究的最新成果及动态 2. 海藻酸和甲壳胺纤维的性能比较 2.1 化学结构 海藻酸和甲壳胺是 2 种与纤维素结构相似的天然高分了材料。海藻酸的分子结构与海藻的种类有关，甘露糖醛酸和古罗糖醛酸单体的含量在不同的海藻中有很大的变化。而且这两种单体 的含量海藻酸的性能有很大影响。甲壳胺与海藻酸中的 G M 很相似，其性能与脱乙酰度有很大的关系。充分脱乙酰的甲壳胺可以很容易地溶解在醋酸水溶液中，在喷丝孔挤出后通过用 Na0H2 中和而形成纤维
4、【 1】 。 2.2 吸附性能 海藻酸纤维大分子在每一个重复单元中都有四个羟基。两个羧基。而水分子与羟基、羧基形成氢键。因此纤维的吸湿性强 【 6】 。再次，由于海藻酸纤维是湿纺纤维，纤维中存在大量的微孔也有利于吸水和保水。所以，海藻酸纤维是比较好的吸附材料。 甲壳胺纤维与海藻酸纤维都有极性基团，都具有很好的吸湿和保湿性能，但经秦益民 【 1】 博士的研究表明，两者的吸附原理还是有区别的。高 M 海藻酸纤维由于很容易与钠离子发生离子交换使大量的水分进入纤维而形成胶体。高 G 海藻酸纤维也可以通过离子交换而形成胶体，但是这种纤维的溶胀率远比高 M 纤维差。甲壳胺纤维由于没有离子交换能力，其在水中
5、的溶胀率与在生理盐水中的基本相似。高 M 的海藻酸把水分吸收到纤维内部而膨胀，使纤维和纤维之间的空间缩小，在一定程度上阻止了液体的进一步扩散。甲壳胺非织造布的吸湿主要发生在纤维和纤维之间，如果使用在伤口上，脓 m 可以沿着纱布从伤口向健康的皮肤涌移。 2.3 与金属的结合性能 作为一种高分子羧酸，海藻酸可以与不同的金属离子结合成盐，生成的海藻酸盐具有良好的离子交换性能 【 7】 。 甲壳素和甲壳胺纤维有一定的螯合性能，在用硫酸铜 CuSO4 和硫酸锌 ZnSO4 溶液处理后，吸附在纤维上的 Cu2+和 Zn2+占整个纤维的含量可达 9.0%和 6.2%， 而且这种对金属离子的螯合是一个相当快的
6、过程。随着金属离子的吸收，纤维的强度也有明显的增加。带 9.0%Cu2+的纤维的湿强度是原始纤维的 2 倍以上。而把吸附了金属离子的纤维用 EDTA 处理后，纤维上的金属离子可以被完全洗除这证明甲壳胺纤维可以被循环地 使用在金属离子的回收利用上 【 8】 。 3. 处理废水 环境污染带来的生态问题和人类健康状况变坏已引起人们的极大关注，用生物法修复被污染的区域有着重要的意义。工业废液排放前经生物材料处理，可减少其对环境的危害。用活体微生物降解有机物已取得了广泛的应用。对于受重金属污染的工业排放物及废渣，采用微生物或其它材料进行修复或回收重金属有着环境的经济的价值许多研究集中在细菌、真菌对重金属
7、的生物吸附作用，现已发展到用藻类及一些高等植物材料 【 9】 。 关于土壤重金属污染及其生物修复的研究较多，而对水体重金属污染生物修复的研究相 对较少，除可利用水生维管植物修复重金属污染的永生态系统低等的藻类植物由于个体小、生民速度快、代谢迅速、吸附作用快、净化效率高等特点，对水体重金属污染的修复也具有较好应用前3 景与其它生物修复方法相比利用藻类修复重金属污染水体具有投资小、针对性强、吸附量大、污染小、效率高等特点，而且可以选择性去除低浓度重金属，尤其是低浓度及一般方法不易去除的金属，具有显著而独特的环境生态效益 【 10】 。 甲壳胺分子中有大量的胺基和羟基，通过 -NH2 和与其相邻的
8、-OH 基 团与金属离子发生螯合反应，对金属离子有良好的吸附作用。 甲壳胺在处理含重金属离子的废水中已经得到广泛的应用。目前，工业上用于废水处理 的主要为甲壳胺粉末和溶液。 与这些材料相比 ， 甲壳胺纤维具有很高的表面积，在吸附重金属离子后可以很方便地与废水分离。 文献资料表明， 吸附在甲壳胺纤维上的重金属离子可以用乙二 胺四乙酸洗去，因而在废水处理中可以重复使用纤维 【 11】 。 4.对锌离子吸附性能的研究 4.1 处理废水的基本原理 对甲壳胺和海藻酸钠处理染整废水已有较多的研究并已证明它们良好的絮凝作用和脱色效果。 甲壳胺可以被溶解在稀酸水溶液中，溶解后其分子中的 -NH2 基团在酸性条
9、件下离子化，成为带正的 -NH2。甲壳胺中极性的 -OH、 -NH2和 -NH3 + 基团对溶液中染料有吸附作用。 海藻酸钠是海藻酸的钠盐，它能溶解在水中，溶 解后其 分子上 的 -COO Na 基 团在水 中离子化而形成带负电的 -COO- 基 团。海藻酸钠中极性的 -OH、 -COO- 基团对溶液中染料也有吸附作用 【 12】 。 4.2 吸附率的计算 4.3 时间对吸附的影响 罗道成等研究了吸附时间对重金属离子去除率的影响 ,随着吸附时间的增大 ,重金属的去除率增大 ,当吸附时间超过 6h 后 ,吸附量随时间 的延长而缓慢。说明此时已接近达到饱和吸附 13 。 举海藻酸的例子：孔庆山 【
10、 14】 等人研究发现 Zn2+溶液初始浓度分别为 87 42 mg/L、 43 71 mg/L，海藻酸纤维用量各为 0 2 g，恒温振荡器水温 25，振荡时间分别为 2 min、 5 min、 10 min、15 min、 20 min、 30 min、 45 min、 60 min，实验结果如图 1 所示。 4 图 1 吸附时间对吸附容量 Q 和去除率 Y 的影响 从图 1 可以看出，吸附时间对吸附容量和去除率的影响是很小的，即海藻酸纤维浸入溶液中，在很短的时间内就 达到了吸附平衡，这 Zn2+与吸附位点间存在较强的作用力，一旦吸附就不容易解吸。 Zn2+的初始浓度高，海藻酸纤维对其的吸附
11、容量大，而去除率则低。这说明海藻酸纤维对高浓度的锌离子的去除能力是有限的。虽然时间对吸附结果的影响不是很明显，但是为了达到更稳定的吸附平衡，以后的实验均采用震荡 30min 的方法来进行。 4.4 蛋白质对吸附的影响 环境中广泛存在着各种有机质，具有络合性质和表面活性，对重金属离子的迁移转化有重要影响。蛋白质是由氨基酸聚合生成的大分子物质，其分子结构中含有多个氨基、羧基、醇羟基5 及酚羟基等官能团 ，在自然环境中有广泛的分布。研究发现，蛋白质的加入减少了重金属离子在锰矿颗粒物表面的吸附，蛋白质和重金属离子的加入顺序对重金属离子吸附也有很大的影响 【 15】 。 4.5 比较海藻酸和甲壳胺纤维的
12、吸附性能 海藻纤维的高金属离子吸附性可吸附大量金属离子形成导电链， 可提高大分子链的聚集能， 从而可使其用于制造防护纺织品。甲壳胺是一种高性能的重金属离子捕集剂，这主要得益于甲壳胺大分子内含有大量的胺基和羟基 【 16】 。甲壳胺纤维在用含氯化锌的溶液处理后可以螯合锌离子，这种含锌的甲壳胺纤维可以用来给缺锌病人补锌 【 1】 。 三、课题的研究内容及拟采取的研究方法、技术路线及研究难点，预期达到的目标 本项目的主要研究内容如下： (1) 海藻酸和甲壳胺纤维的制备 本研究拟比较以下五种纤维对锌离子的吸附性能： 海藻酸纤维（ A） 海藻酸钙纤维（ B） 甲壳胺纤维（ C） 羧甲基甲壳胺纤维（ D）
13、 （ 2）、吸附实验步骤 实验基本计算 实验采用的重金属离子盐（分子量）如下： 七水硫酸锌 : 26.390 实验时把 1 克纤维加入 1000mL 含 300mg 金属离子的水溶液 吸附后的水溶液以 10mL 1000mL 稀释 吸附前配置的溶液以 50mL 1000mL 备用 初始溶液中金属离子的浓度为 20 X 300 mg.L-1 = 6 g.L-1 实验步骤： 称取 26.390 克七水硫酸锌，用去离子水溶解至 1000mL，得到含 6 g.L-1 锌离子的水溶液 吸取 50mL 以上溶液，加水稀释到 1000mL 备用（ 含 300mg.L-1锌离子） 加入 1 克纤维 在不同的时
14、间段，取 10mL 溶液，稀释到 1000mL 6 过滤后用原子吸收光谱测定 铜 /锌 /镍 离子含量 （ 3）、时间对吸附性能的影响 称取 1 克海藻酸纤维，加入 1000mL 含金属 离子的溶液中 ,室温下吸附不同时间后，取 10mL溶 液 ,稀释到 1000mL,过滤后取样 ,测定溶液中离子的浓度。 样品序号 海藻酸纤维 含金属 离子的溶液 ， mL 处理时间，小时 溶液中金属离子浓度 A1 1 克 取 50mL 含 6 g.L-1 锌离子的水溶液加去离子水 定 容 到1000mL 0 A2 0.5 A3 1 A4 3 A5 8 A6 24 （ 5）、蛋白质含量对吸附性能的影响 。 称取
15、 1 克海藻酸纤维，加入 1000mL 含金属 离子的溶液中 ,在溶液中加入不同量的蛋白质，室温下吸附 2 小时后，取 10mL 溶液 ,稀释到 1000mL,过滤 后取样 ,测定溶液中离子的浓度。 样品序号 海藻酸纤维 含金属 离子的溶液 ， mL 蛋白质添加量，克 溶液中金属离子浓度 A7 1 克 取 50mL 含 6 g.L-1 锌离子的水溶液加去离子 水 定 容 到1000mL 1 克 A8 3 A9 5 7 A10 10 （ 6）、在其他几种纤维上重复以上的实验 样品的序号分别加上 B/C/D 四、论文详细工作进度和安排 在文献的基础 上， 进度安排如下： 2011年 2月 25日
16、2010年 3月 5日：完成文献资料的检索和整理。 2011年 3月 6日 2010年 5月 5日： 基本完成论文所需的实验工作。 2011年 5月 6日 2010年 5月 12日：完成论文的写作。 五、主要参考文献 1 秦益民 .海藻酸和甲壳胺纤维的性能比较 J . 纺织学报 2006, 27 1： 112 113. 2 庆山 . 类水滑石化合物的合成及处理含第一类重金属离子废水的试验研究 D . 济南大学 , 20090516. 3 罗先珍 . 甲壳素与壳聚糖纤维的制备与应用 J . 广西化纤通讯 .1999 ， (1) ： 2 3 2 8 4 Kurt I. Draget*, Cathe
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