果胶在水处理中的研究进展

作者:赵艳 李风亭    文章来源:本站收集    点击数:    更新时间:2006-5-23

  摘要  果胶作为一种功能多样的生物可降解天然高分子,日益成为研究的热点,并已应用于多种领域。本文综述了果胶在水处理中的研究进展,包括其作为重金属吸附剂和絮凝剂的研究,并对今后的发展前景进行了展望。

  关键词 : 果胶 重金属 吸附 絮凝

  Abstract As a poly-functional and biodegradable nature polymer, pectin has been focused in 
research and applied in various fields. This paper reviews the research progress of pectin in 
water treatment, mainly as heavy metal absorbents and flocculants. And the prospect is also 
discussed.

  Keywords: Pectin, Heavy Metal, Adsorption, Flocculation

  1.引言

  果胶是植物细胞壁上的一类多糖物质,广泛存在于甜菜、果渣等物质中。果胶分子以α-(1→4)键合的半乳糖醛酸为基本结构,其中部分羧基被甲醇酯化。果胶最重要的性质是胶凝化作用,这种作用与其酯化度(Degree of Esterification, 简称DE)有关。果胶类物质通常还可能含有少量树胶醛醣、半乳糖、鼠李糖等多糖。

  天然高分子作为一种可持续发展的资源,来源丰富、价格低廉,而且链节上活性基团较多,结构和功能多样化,同时,原料及改性产品易于生物降解,已成为研究的热点。果胶天然高分子具有优良的胶凝化和乳化作用,自20世纪40年代起就在世界上得到了广泛研究和应用,但主要集中在食品、医药和日用化工等领域,在水处理中的研究则相对比较缺乏。近年来,国外已有研究者开始进行果胶及其改性产品的重金属吸附性能研究。果胶天然高分子作为一种弱酸性聚电解质,其絮凝性能也引起一些研究者的关注,但未进行系统研究。国内相关报道较为鲜见。

  2.重金属吸附剂

  果胶能与水溶液中的某些高价态重金属离子或放射性金属离子络合。人们已发现低酯果胶对某些重金属离子具有较强的选择性配合作用,能驱除铅、汞、镉等离子,因此医药工业将果胶用作解毒剂[1,2]。这主要是其组成中半乳糖醛酸上的羧基官能团发生作用的结果,但目前尚无公认的理论解释其吸附机理。

  2.1 原果胶的吸附性能

  在乌克兰,果胶作为一种无害的食品添加剂和吸附性解毒药物成分而受到特殊关注。已有研究表明,果胶可以用作重金属离子的有效吸附剂。但果胶的吸附作用尚未有定量研究,因此,在防护和医药方面果胶的合适剂量和正确的使用方法受到限制,而且果胶的吸附能力未必能保证它在多组分水溶液中仍然具有解毒作用。针对这种情况,Mykola T.Kartel[3]等人研究了三种工业果胶产品对几种有害重金属离子的吸附能力。在模拟水溶液中测定了二价阳离子的吸附等温线,并计算了相应的分配系数,得出以下选择性顺序:Pb2+>> Cu2+>> Co2+>>Ni2+>>Zn2+>>Cd2+。甜菜果胶对Pb2+和Cu2+有很强的亲和力,苹果果胶对Co2+,柑橘果胶对Ni2+有强亲和力。各种果胶对Zn2+和Cd2+的结合作用都很弱。研究者认为,果胶对重金属的显著亲和力与果胶酸盐(或酯)的形成有关,果胶酸盐(或酯)是由离子与果胶聚合体骨架通过多糖羟基和半乳糖醛酸的羰基结合的。果胶酸盐(或酯)的形成可代替离子交换和络合机理。这些机理取决于原果胶(原材料,生产工艺)、离子和试验条件(浓度,pH值以及是否存在竞争性离子和其它螯合剂等)。

  Claire Cérente等[4]研究了甜菜渣对Cu2+、Ni2+和Pb2+的固定作用。甜菜渣是糖提取后留下的残渣,其干基约有25%左右的半乳糖醛酸,是果胶的重要来源,此外还含有一定纤维素成分。经过简单的吸附实验,发现不同金属离子的固定模式不同。固定模式的关键在于离子交换,同时还可能发生不可忽视的吸附作用。就Pb2+而言,在pH=4时,其固定容量的25%取决于吸咐机理;pH=6时,固定量达到最大,即Pb2+60mg•g-1,Cu2+30mg•g-1 ,Ni2+12mg•g-1,而这几乎全部是通过离子交换去除的;去除能力随pH值的升高而提高。此外,在pH=4时检测了三种不同粒径(0.125-0.25,0.25-0.50和0.5-1.0mm)甜菜渣对Cu2+的吸附,粒径最小的甜菜渣初始吸附速度最快,20min即可达到吸附平衡,但粒径大小对Cu2+的吸附容量无明显影响,吸附等温线证实了金属离子向甜菜渣内部特定点的扩散。

  Langenhorst等采用原甜菜渣去除放射性废水中的污染物,其结合能力达到0.62meq•g-1。Sharma和Forster[5]研究了含有甜菜渣的吸附剂对Cr(VI)的吸附性能,在pH值为2时能达到4.4 meq•g-1。V.M.Dronnet等[ ]研究了甜菜渣对几种二价金属阳离子的结合能力,研究发现,1g甜菜渣能够结合0.6meq的Cu2+和Pb2+。在相同的pH值和甜菜渣浓度下,对Zn2+、Cd2+的结合能力为0.5meq•g-1,Ni2+为0.4meq•g-1,这是由于果胶对这几种阳离子的亲和力较弱。甜菜渣对这些金属阳离子的吸附符合Langmuir型等温线。

  2.2 改性果胶的吸附性能

  将果胶类物质作为一种天然吸附剂,可用以去除废水中的有毒金属。然而,尽管甜菜渣中干物质(以果胶类物质为主要成分,通常还含有20%左右的纤维素)的电荷参数与一些合成树脂或其它天然吸附剂相似,但果胶的强烈水合作用却妨碍它的直接应用。事实上,以单位水合体积的meq表示时,合成树脂具有更高的离子保持能力。采用交联作用或皂化作用对果胶进行改性,可以改善其重金属吸附性能[7,8]。已有大量研究表明,交联作用可减弱水合特性,而不受pH值、离子强度等等外部物化参数的影响。最常使用的交联剂是甲醛、二乙烯砜、戊二醛、三氯氧化磷和表氯醇等。其它方法可增强机械性能而减弱水合能力,如接枝到合成聚合物上,或者引入有机或无机基团[7]。

  在分析化学中,果胶酸可用表氯醇交联用作离子交换剂,去除废水中的痕量金属阳离子。果胶与表氯醇交联后还可用于酶分离和提纯时的色谱介质。Langenhorst等采用甲醛使细胞壁多糖发生交联,而减少果胶的膨胀,因此明显提高了每单位体积交换剂的离子结合容量。Laszlo和Dintzis等也发现,采用表氯醇处理甜菜纤维,可得到高的离子交换容量(约1.3 meq•g-1)[7]。

  V.M.Dronnet等[7,8]通过试验提高了每体积水合甜菜渣的结合能力,即通过皂化反应提高阳离子交换能力,或者通过与甲醛、表氯醇发生交联反应而减小膨胀体积。他们还研究了这些处理方法对化学组成、水合能力和对Pb2+、Zn2+结合能力的影响。试验结果表明,皂化反应在不改变甜菜组份或减少其水合作用的情况下,使甜菜渣的离子交换能力增加了一倍,膨胀能力等同于原甜菜渣(水溶液pH~7时,约为32ml•g-1)。甲醛处理对其水合特性影响较小。表氯醇处理对水合特性的效果是最好的,它可以将膨胀和水份保持能力分别降至7ml•g-1和2g•g-1,而与pH值和离子强度无关。但这种处理并没有改变其吸附能力。在较低表氯醇浓度时,果胶损失较多,因此这些处理方法对甜菜的成份改变较大。这种损失在较高浓度表氯醇情况下会减弱,这表明,果胶参与了交联过程。吸附等温线表明,高的吸附剂浓度会增大对金属的结合能力,并具有明显的选择性:Cu2+~Pb2+>>Zn2+~Cd2+>> Ni2+>Ca2+。Langmuir等温线比Freundlich等温线更能解释吸附数据,这表明单分子层吸附主要是由于离子交换,而不会受到具有相似吸附能量的阳离子的侧向互作用的影响。根据Langmuir参数、吸附平衡常数(KL)和最大结合能力(MeAmax)作图,可得到相同的选择性次序。无论是何种阳离子,KL会随吸附剂浓度的升高而降低,但MeAmax会随之升高。与根据一个二价阳离子和两个羧基官能团结合计算得出的理论值相比,对Cu2+和Pb2+具有更高的吸附量。其中一部分原因在于在离子点附近的羟基官能团发生了吸附,因而解释了底物对这些阳离子具有更高亲和性的原因。每单位体积的交联产品比原吸附剂具有更高的金属结合性能。

  Zacaria Reddad等[9]采用皂化、酸提取、碱提取和对原甜菜渣(NP)进行改性处理,分别制得三种改性产品SP和AEP、BEP以提高其离子交换容量,比较了原吸附剂和改性产品对水溶液中Ni(II)和Cu(II)离子的去除能力,并讨论了糖的成分对金属吸附效率的影响。作者还通过电位滴定,对几种吸附剂的官能团作定性和定量分析,比较了Ni(II)与Cu(II)离子在原产品和改性产品上的吸附速率与效果,对改性的效果进行了评价。所有产品对Cu(II)的去除效果均优于Ni(II)。由于皂化反应去除了所有的甲氧基基团,因此对两种离子的固定作用得到提高。虽然在碱提取过程中损失了部分果胶聚合物,但BEP仍然可以有效吸附两种金属离子,这可能与其中含有的纤维素成分有关。果胶物质被去除或部分降解都会对吸附动力学和交换容量造成影响。Ni(II)与Cu(II)离子在30min内可以被快速和完全吸附,并用二级反应模型计算了其动力学参数。平衡数据与Langmuir模型吻合较好,并给出了产品对金属离子的亲和力顺序:对Ni(II),BEP>SP>AEP≈NP;对Cu(II),SP>BEP> AEP≈NP。在所有产品中,用碱提取的改性产品(BEP)和皂化的改性产品(SP)对Ni(II)与Cu(II)离子的吸附能力最强。

[1] [2] 下一页




文章录入:anny    责任编辑:anny 

精彩图片
文章评论
数据载入中,请稍后……
  请您注意:
 ·请遵守中华人民共和国有关法律法规、《全国人大常委会关于维护互联网安全的决定》及《互联网新闻信息服务管理规定》。
 ·请注意语言文明,尊重网络道德,并承担一切因您的行为而直接或间接引起的法律责任。
 ·中国环境生态网文章跟帖管理员有权保留或删除其管辖留言中的任意内容。
 ·您在中国环境生态网发表的言论,中国环境生态网有权在网站内转载或引用。
 ·发表本评论即表明您已经阅读并接受上述条款,如您对管理有意见请向文章跟帖管理员反映。

绿色进行时
推荐文章
研究称全球变暖毁灭远古雨林
隧道内发现的蕨类植物美国研究人员在伊利诺伊州一处煤矿发现…
绿色生活
驴行天下

| 设为首页 | 加入收藏 | 关于我们 | 广告服务 | 联系站长 | 友情链接 | 版权申明 | 管理登录 |