壳聚糖的絮凝机理及其影响因素

李春泉

（上海达源环境科技工程有限公司上海200092）

壳聚糖由于其无毒无害、具有良好的生物可降解性和絮凝效果、来源广泛和较低的使用成本而在水处理领域有着广泛的研究[1]。但是，壳聚糖在水处理中的工程案例不多，且其容易受到反应条件的影响，下面将着重讨论壳聚糖的絮凝机理和影响因素，希望能通过此类分析，为壳聚糖在水处理中的广泛应用提供依据。

1 絮凝机理

一般认为，壳聚糖的絮凝机理主要有螯合、电中和和吸附架桥三种作用。这三种作用在具体的水处理使用过中相互作用。

1.1 螯合作用

壳聚糖的螯合作用与它的特殊结构相关。壳聚糖是一种线性多聚糖，化学名称为2-氨基-β-1，4-葡聚糖，分子式为（C6H11NO4）n。每个单体上含有两个羟基和一个氨基。很多资料表明，壳聚糖对重金属具有良好的吸附作用。这些主要归功于壳聚糖上的氨基活性基团以及羟基的共同作用。即氮上的孤对电子在中性条件下可与金属离子结合，以及酸性条件下质子化的氨基使壳聚糖带正电导致对金属离子的吸引[2]。壳聚糖吸附金属离子的机理不仅通过螯合作用，也可通过静电作用。如溶液中金属离子通过配位作用形成阴离子型螯合物，该螯合物能在静电作用下结合壳聚糖质子化的带正电的氨基。壳聚糖对金属离子的吸附作用不论是螯合作用或是静电作用，都与溶液的组成、pH息息相关。在进行吸附机理分析时，要结合反应条件综合分析，才能得出正确的结论，为壳聚糖在金属废水中的处理创造良好的理论基础。

1.2 电中和作用

研究表明，壳聚糖在稀酸的作用下，如盐酸、甲酸、乙酸等，壳聚糖分子上的氨基被质子化，形成-NH3+，使得壳聚糖带正电，形成一种阳离子高分子絮凝机。由于污水中很多污染物带有负电荷，在电中和的作用下，壳聚糖能有效地降低这些污染物表面的负电荷，使其脱稳，利于沉降[3]。

1.3 吸附架桥作用

对于壳聚糖而言，吸附架桥往往发生在静电作用后，通过静电作用使废水中的带电污染物脱稳，脱稳的胶体相互聚合形成大的聚体，通过过滤或沉淀去除。例如，在静电作用下，阳离子型的壳聚糖聚合物容易被吸附在阴离子型无机物表面形成环，从而增大了该无机物与溶液之间的距离。这种在溶液散开的部分与另一个颗粒的环相互连接，形成桥连作用[4]。为了增加这种桥连作用，聚合物的链要足够长，壳聚糖的相对分子量要足够大。因此，架桥的作用和效率与壳聚糖的相对分子量和粘度相关。

通过以上分析得出，壳聚糖的电荷密度、相对分子量和分子结构对絮凝效果影响大。

2 絮凝性能影响因素

影响壳聚糖在水处理中效率的主要外在因素有pH值、初始浊度、水力条件、离子浓度、有机物、空隙度和比表面等等[3,5]。pH主要通过影响壳聚糖的表面电荷进而影响其絮凝性能，在利用壳聚糖的电中和为主导作用的反应中，需特别注意。初始浊度影响着稳态絮体的直径，浊度越大，絮体直径越大，这样形成脱稳絮体的时间短，效果越好[6]。水力梯度G表征了水流紊动程度，亦反映了颗粒的碰撞频率。为了使壳聚糖和被处理物质有更好的接触机会，可以通过试验确定最佳搅拌条件和搅拌时间。离子浓度对于电中和作用有较大影响，离子浓度越高，电中和效果越差。反应中的其他有机物，如腐殖酸类物质，因产生与壳聚糖相同电荷导致壳聚糖电中和能力下降，进而影响絮凝效果[7]。较好的空隙度和较大的比表面积有利于壳聚糖的吸附能力的提高。

3 小结

从以上分析得知，影响壳聚糖处理效果的因素较多，但是可以根据壳聚糖的作用机理以及结合壳聚糖自身的特点，合理的选择和设计处理条件，从而使壳聚糖的优势得以发挥。

[1]邢佶勇,et al.,壳聚糖作为絮凝剂的研究进展.环境科学与技术,2004(B08):153-155+172.

[2]Elwakeel,K.Z.,Environmental Application of Chitosan Resins for the Treatment of Water and Wastewater:A Review.Journal of Dispersion Science and Technology,2010.31(3):p.273-288.

[3]花蓉蓉,周恭明,and曹大伟,壳聚糖的絮凝性能研究进展.化工进 展，2008(03):335-339.

[4]Renault,F.,et al.,Chitosan for coagulation/flocculation processes-An eco-friendly approach.European Polymer Journal,2009.45(5):p.1337-1348.

[5]张文清,金鑫荣,and蔡培光,壳聚糖作为吸附絮凝剂的应用进展.食品工业,1994(04):51-52.

[6]林志艳,陈亮,and陈东辉,壳聚糖絮凝动力学研究.化学世界,2002(0S1).

[7]Roussy,J.,et al.,Influence of chitosan characteristics on the coagulation and the flocculation of bentonite suspensions.Water Research,2005.39(14):3247-3258.