（环境工程专业论文）壳聚糖的制备及其用于吸附no3的改性研究.pdf

大连理 大学硕士学位论文 摘要 壳聚糖( c t s ) 是一种阳离子多糖，因其具有无毒、无害、生物相容性、多功能性、 抗菌性等优点，c t s 及其衍生物的开发应用引起人们的广泛关注。但是c t s 昂贵的价 格限制了其在水处理中的应用。所以本文以降低c t s 生产成本为目的，建立了压力浸 渍法制备c t s 的工艺，并对c t s 进行改性，用于饮用水中n 0 3 的去除，扩展c t s 的应 用领域，从以下三个方面进行了研究： 建立了两点电位滴定测定c t s 脱乙酰度( d d ) 的方法。用o 1m o l l 氢氧化钠溶 液滴定c t s 的o 1m o l l 盐酸溶液时，当溶液p h = 2 8 4 3 1 0 时记录碱液消耗体积乃 及相应溶液的p h 值，滴加碱液至体系p h 增加o 3 o 4 时，再记录第二个消耗碱液体 积乃及相应p h 。根据这两点计算得到的d d 误差最小。与传统电位滴定法测定结果比 较，本法相对误差小于0 6 5 ，适用于各种规格的壳聚糖。 建立了压力浸渍法制备c t s 的工艺，分别以脱蛋白甲壳素和未脱蛋白甲壳素为原 料，在压力o 1 5m p a ( 表压) 下，采用浸渍法制备c t s ，考察了碱液浓度和反应时间对 c t s 性能的影响，并与常压浸渍法进行了比较。结果表明：在相同碱液浓度下，三种工 艺得到的c t s 的d d 顺序为：c t 为原料压力浸溃法) p - c t 为原料压力浸渍法) c t 为 原料常压浸渍法。以c t 为原料时，加压比常压下制备得到的c t s 分子量高，以p - c t 为原料压力浸渍法制备的c t s 分子量低于c t 为原料常压浸渍法。与传统工艺相比，压 力浸渍法碱用量可减少6 5 ，反应时间缩短了8 3 。 对c t s 进行交联改性制备壳聚糖交联树脂( c c r ) ，考察了制备条件对c c r 结构 性能及吸附水中硝酸盐的影响，结果表明c t s 溶液浓度、油水比、甲醛加入量、环氧 氯丙烷和致孔剂乙酸乙酯加入量均对其有较大的影响，改性后壳聚糖比c t s 对硝酸根 的吸附量提高1 2 倍。c c r 对n 0 3 - n 的吸附为放热过程，符合l a n g m u i r 吸附等温式， 7r a i n 达到吸附平衡。酸性比碱性条件下平衡吸附容量大。 关键词：壳聚糖；制备；交联；饮用水；硝酸盐 大连理 大学硕士学位论文 p r e p a r a t i o na n dm o d i f i c a t i o no f c h i t o s a nf o rn 0 3 a d s o r p t i o n a b s t r a c t c h i t o s a ni st h eu n i q u ec a t i o n i cp o l y s a c e h a r i d ew h i c hi s w i d e l yd i s t r i b u t e di nn a t u r e i n t e r e s t si nb a s i ca n da p p l i c a t i o ns t u d i e so fc h i t o s a na n di t sr a m i f i c a t i o na r er a p i d l yg r o w i n g b e c a u s eo fi t sa d v a n t a g e so fi n n o c u i t y ，b i o c o m p a t i b i l i t y ，m u l t i p l ef u n c t i o n s , a n t i b a c t e r i a la n d f l o c c u l a t i n ga c t i v i t y b u tt h ee x p e n s i v ec h i t o s a ni sn o ts u i tt ob eu s e di nw a t e rt r e a t m e n t t h u s 。 t h ep r o c e s sc h i t o s a np r e p a r a t i o nb yi m m e r s i n gm e t h o du n d e rc o m p r e s s e dc o n d i t i o n sw a s d e v e l o p e dt or e d u c et h ec o s t a tt h es a m et i m e ，ak i n do fd e r i v a t i v ew a sp r e p a r e dt or e m o v e n 0 3 - nf r o md r i n k i n gw a t e r t w o p o i n tp o t e n t i o m e t r i ct i t r a t i o nw a se s t a b l i s h e dt ud e t e r m i n et h ed do fc h i t o s a n c t sw a ss o l v e di no 1mh c lf i r s t , t h e nas t a n d a r da d d i t i o no f o 1 mn a o hw a sm a d e 西v i n g ap hi nt h er a n g eo f2 8 4 3 1 0 ( p h o ，a n dt h ev o l u m eo f n a o hs o l u t i o nw a sr e c o r d e d ( v 1 ) ； af t h e rn a o ha d d i t i o ni sm a d eg i v i n gap hi n c r e a s eo f0 3 0 4u n i t sa n dt o t a la l k a l i n i t ya r e c a l c u l m e df r o mp h 2a n dp h i c o m p a r e dw i t l lt r a d i t i o n a lp o t e n t i o m e 埘ct i t r a t i o n , t h er e l a t i v e e r r o ro f t w o p o i n tp o t e n t i o m e t d ci sl e s st h a no 6 5 i t sa p p l i c a b l et oa l lk i n d so f c l l i t o s a n c ta n dp c tw a su s e da sr a wm a t e r i a l st op r e p a r e dc h i t o s a n , a n dt h ei n f l u e n c eo f n a o h c o n c e n t r a t i o n sa n dr e a c t i o nt i m eo nc h i t o s a np r o p e r t i e su n d e rc o m p r e s s e dc o n d i t i o n so f 0 1 5 m p aw a sc o m p a r e dw i t ht h a to fa t m o s p h e r i cp r e s s u r e t h er e s u l ts h o w st h a c ，t h ed do f c h i t o s a np r e p a r e db yt h r e ek i n d so f t e c h n i c si si nas e q u e n c eb e l o w ：i m m e r s i n gm e t h o du n d e r c o m p r e s s e dc o n d i t i o n s ( c t ) i m m e r s i n gm e t h o du n d e rc o m p r e s s e dc o n d i t i o n s 口c 畛 i m m e r s i n gm e t h o du n d e ra t m o s p h e r i cp r e s s u r e ( c a 3 ；硼舱v i s c o s i t y - a v e r a g em o l e c u l a r w e i g h t so fc h i t o s a np r e p a r e du n d e rc o m p r e s s e dc o n d i t i o n si sl a r g e rt h a nt h a tu n d e r a t m o s p h e r i cp r e s s u r ew h e nc tw a su s c da sm a t e r i a l b u tt h ee h i t s o a np r e p a r e df r o mp - c t h a dt h el o w e rv i s c o s i t y - a v e r a g em o l e c u l a rw e i g h t st h a nt h a t p r e p a r e df r o mc tu n d e r a t m o s p h e r i cp r e s s u r e ，c o m p a r e dw i t h t r a d i t i o n a lt e c h n i c s ，i m m e r s i n gm e t l l o du n d e r c o m p r e s s e dc o n d i t i o i l sd e c r e a s e dr e a c t i o nt i m ef r o m6 ht ol h a n dc o n s u m p t i o no f n a o h w a s r e d u c o db y6 5 w i t h o u tc h a n g ei nc h e m i c a la n dc r y s t a ls t r u c t u r e so f c h i t o s a n w i t l lc h i t o s a na st h er a wm a t e r i a l ，an e w t y p ec h i t o s a nr e s i n ( c c r ) w a sp r e p a r e d t h e e f f e c to ft h eo p e r a t i n gc o n d i t i o n so nt h ep r o p e r t i e so ft h er e s i nw a si n v e s t i g a t e d t h er e s u l t s r e v e a l e dt h a tc t sc o n c e n t r a t i o na n dt h ed o s a g eo ff o r m a l d e h y d e ，e p i c h l o r o h y d r i n ，a c e t i c e a t e ra n dd i s p e r s e ra f f e c t e dt h ep r o p e r t i e so ft h er e s i na n dt h ea d s o r p t i o na b i l i t yo fn 0 3 1 l a r g e l y t h ea d s o r p t i o no fn 0 3 o nc c r h a dl a r g ec a p a c i t yi na c i dc o n d i t i o n w h i c hw a s i i i 壳聚糖的制备及其用于吸附n 0 3 的改性研究 e x o t h e r m a lp r o c e s s t h ee x p e r i m e n t a ld a t af i tw e l li n t ot h el a n g m u i ra d s o r p t i o ni s o t h e r m t h e a d s o r p t i o nr e a c h e de q u i l i b r i u mi n7 m i n u t e s 。 k e yw o r d s ：c h i t o s a n ；p r e p a r a t i o n ；c r o s s - l i n k e d ；d r i n k i n g w a t e r ；n i t r a t en i t r o g e n i v 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：超垂直 日期：? 0 0 6 - t - t - o 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名： 担墨遗 碳笈缅 竺生年旦月上日 大连理丁大学硕士学位论文 引言 壳聚糖( c t s ) 是一种阳离子多糖，广泛存在于甲壳类动物中，具有良好的络合絮 凝性能，在水处理尤其是饮用水处理领域有相当广阔的应用前景。因其天然、无毒、安 全、具有较强的抗菌性，c t s 被美国食品药物管理局批准作为食品添加剂，被美国环保 局批准作为饮用水的净化剂1 1 1 。虽然c t s 目前在国内已工业化生产，但相对其他絮凝剂 来说其生产成本过高，限制了其在水处理领域中的应用，目前其主要应用在医疗、化工、 材料、食品保健等领域，c t s 用于饮用水的研究较少。所以改进c t s 生产工艺，降低 其生产成本，开发c t s 在饮用水中的应用，也是目前需迫切解决的阀题。 针对上述问题，本文参考了国内外相关文献，在对c t s 制备方法进行了大量研究的 基础上，建立了压力浸渍法制备c t s 的工艺，降低其生产成本的同时，得到了更高质量 的c t s 产品。 c t s n 备研究中，评价c t s 质量性能的指标之一是c t s 的脱乙酰度。目前测定方法 存在准确度不高、处理过程复杂或仪器要求高等缺点，因此本文建立了两点电位滴定测 定d d 的方法。用此方法来测定d d 具有方便、快捷、准确的优点。 c t s 本身无毒无害，且具有抗菌性，将其用于饮用水处理将是其很有前景的应用领 域。但是壳聚糖本身形状不规则，内部结构致密，吸附量低，且易在酸性溶液中溶解流 失，所以研究者们将c t s 进行改性得到具有特殊功能的产品。目前c t s 及其衍生物的研 究主要集中于金属离子以及染料的去除，对于饮用水中有害阴离子的去除研究较少，本 文将c t s 进行交联改性制备保留氨基的壳聚糖交联树脂( c c r ) ，利用氨基对阴离子的 静电吸附性能，用于去除水中硝酸根。与改性前的c t s 相比，具有更高的硝酸根吸附量， 且较一般的阴离子树脂和活性炭高，c c r 处理饮用水设备简单，同时因其分子上的氨基 具有抗菌性【2 1 ，可避免滋生微生物而影响饮用水的质量。 壳聚糖的制备及其用于吸附n 0 3 的改性研究 1 文献综述 1 1 壳聚糖简介 1 1 1 壳聚糖的来源 c t s 是由甲壳素( c t ) 通过脱除乙酰基而制各得到的阳离子多糖。甲壳素是数量 仅次于纤维素的天然有机化合物，其在自然界的存在情况可见表1 1 。 表l 。1 甲壳素在自然界中的分布 t a b1 1t h ed i s t r i b u t i n go f c h i t i ni nn a t u r e 生物门类所属纲代表生物 甲壳素含量 甲壳纲虾、蟹等 可达5 8 8 5 昆虫纲蝗、蝶、蚊、蝇、蚕等蛹壳可达2 0 一6 0 节肢动物 多足纲马陆，蜈蚣 蛛形纲蜘蛛、蝎、螨、蜱 可达4 一2 2 双神经纲石鳖 腹足纲鲍、蜗牛 软体动物掘足纲 角贝可达3 一2 6 瓣鳃纲牡蛎 头足纲乌贼、鹦鹉 原环虫纲 角窝虫 有的含量很少，有 环节动物毛足纲 沙蚕、蚯蚓 的高达2 0 一3 8 蛭纲蚂蟥 水螅虫纲中水螅、简螅 腔肠动物钵水母纲 海月水母、海蜇、蟹水母 含量很少有的能达 到3 一3 0 珊瑚虫纲 海藻绿藻 含量很少 真菌 子囊菌、担子菌、藻菌微量4 5 植物 香菇 其他 动物的关节、蹄、足坚硬部分， 大连理1 ：大学硕士学位论文 需要指出的足，在生物体内的甲壳素，作为一种多糖，并不是以游离态存在的，而 是与其它物质键合在一起( 硅藻除外) 。在昆虫和其他无脊椎动物中，甲壳素糖链通过 共价和非共价键形式与特定蛋白质键合形成了糖蛋白。 1 1 2 甲壳素和壳聚糖的结构特征 甲壳素是一种天然高分子化合物，属于碳水化合物中的多糖，其学名是b ( 1 ，4 ) 2 一乙酰氨基一2 脱氧- d 一葡萄糖，是由n 乙酰氨基葡萄糖以b 1 ，4 糖苷键缩和而成的，其 结构式见图1 1 。 甲壳素分子链上的n - 乙酰氨基大部分被去掉的话，就是甲壳素最为重要的衍生物 c t s ，其结构式见图1 2 。 图1 1 甲壳素分子结构 f i g1 1m o l e c u l a rs u u c t u r a lf o r m u l a o f c h i t i n 图1 2 c t s 分子结构 f i g1 2m o l e c u l a rs t r u c t u r a lf o r m u l ao f c h i t o s a n 甲壳素和c t s 大分子链上分布着许多羟基、氨基和乙酰氨基，他们会形成各种分 子内和分子间氢键，由于这些氢键的存在，使得甲壳素有三种不同的晶体结构：第一种 壳聚糖的制各及其用于吸附n 0 3 - 的改性研究 是n 甲壳素，由两条反向平行的糖链组成；第二种是b 甲壳素，有两条同向平行的糖链 组成；第三种是y 一甲壳素，由三条糖链组成，两条同向，一条反向。 1 1 3 甲壳素和壳聚糖的性质 ( 1 ) 物理性质 甲壳素是白色或灰白色无定型、半透明固体，相对分子质量因原料不同而有数十万 至数百万，不溶于水、稀酸、稀碱、浓碱和一般有机溶剂，可溶于浓的盐酸、硫酸、磷 酸和无水甲酸，但是同时主链发生降解。 c t s 也是白色无定型、半透明、略有珍珠光泽的固体，因原料和制备方法不同，相 对分子质量也从数十万至数百万不等。不溶于水和碱液，可溶于稀的盐酸、硝酸等无机 酸和大多数有机酸，不溶于稀的硫酸、磷酸。 ( 2 ) 化学性质 c t s 化学性质的研究，内容广泛，是认识c t s 的本质，开发c t s 产品的重要基础。 目前关于c t s 化学反应的研究，主要集中在两方面，一是解决它在水中或有机溶剂中 的溶解性，二是获得性能更好或者是性能独特的产品。 酰化 c t s 可与酸酐、酰卤等反应，导入不同分子量的脂肪族或芳香族酰基。由于c t s 分子链上既有羟基，又有氨基，因此，酰化反应既可以在羟基上发生生成酯，也可以在 氨基上发生生成酰胺。由于c t s 上的c 6 - - o h 是一级羟基，而c 3 - - o h 是二级羟基，同 时由于空间构象的影响，c 3 - - o h 不能自由旋转，空间位阻大一些，所以一般情况下， c 6 一o h 比c 3 - - o h 活性大一些。另外，c t s 分子链上的氨基活性要比c 6 - - o h 活性大。 但是酰化反应究竟发生在哪个官能团上，还与反应溶剂、酰化试剂、催化剂等工艺条件 有关，需要指出的是酰化反应往往不能得到单一的酰化产物，既发生n - 酰化，也有c 6 一o h 和c 3 一o h 的酰化。 酯化 c t s 分子结构上的羟基，尤其是一级羟基，可与一些含氧无机酸如硫酸、氯磺酸、 二硫化碳、硝酸等或酸酐，以及一些有机酸如哌啶- n 一磺酸发生酯化反应；另外，在c t s 的氨基上也可能发生这类反应。c t s 的酸酯化反应中，目前研究最多的主要是硫酸酯化 反应。由于甲壳素c t s 具有与肝素相似的骨架结构，比其它多糖更适合于制备类肝素 物质。国外不少学者对甲壳素c t s 选择性硫酸酯化后引入- n h s 0 3 h ，一c o o h ， c h 2 0 s 0 3 h 等基团，得到类旷素物质，显示出抗凝血、抗病素抗肿瘤等治疗性p j 。已经 先后研制出硫酸酯化甲壳素c t s 以及磺化n 一羧甲基c t s 等衍生物。m i s a o 等【4 】研究了 4 大连理 大学硕士学位论文 聚合电解质络合物肘普通造骨细胞的附着、形态、增殖及分裂情况，发现硫酸酯化c t s 聚合电解质络合物具有与胶原质涂覆层相似的性能，从一定程度上说明了硫酸酯化c t s 有望成为新的骨再生支架材料。 醚化 用类似纤维素的改性方法，甲壳素和c t s 的羟基可与羟基化试剂反应生成醚，如 甲基醚、乙基醚、苄基醚、羟乙基醚、羟甲基醚等。姜翠玉等1 5 1 以2 ，3 环氧丙基三甲基 氯化铵( e p t m a c ) 为醚化剂，在有机溶剂中合成了c t s 季铵盐，合成的产品水溶性好， 对油田污水具有良好的絮凝净水性能。有研究以异丙醇为介质对c t s 进行羧基化研究， 得到的产品具有较好的水溶性，吸湿性 6 1 。张艳艳等【_ n 采用异相法合成了c t s 季铵盐 羟丙基三甲基氯化铵( h a c c ) ，测定了h a c c 的取代度( d q ) ，并对其溶液性质进行研究。 结果表明：通过在c t s 分子结构中n 上引入季铵盐侧链合成的h a c c ，具有较好的水 溶性和较高的稳定性，室温下水中溶解度达1 0 ，l 醋酸水溶液粘度在1 2d 内、水溶 液粘度在d h = 3 9 范围内几乎没有降低。 烷基化 烷基化反应可以在c t s 的羟基上( o 烷基化) ，也可以在c t s 的氨基上进行( n - 烷基 化) ，以n 烷基化较易发生。用不同碳链长度的卤代烷对c t s 进行改性，可制备乙基 c t s ( e c t s ) ，丁基c t s ( b c t s ) ，辛基c t s ( o - c t s ) 和十六烷基c t s ( c c t s ) 。在c t s 的烷基化反应中，反应时间、反应温度、反应介质、碱的用量和改性剂的用量直接影响 改性产物的理化性质。一般而言，为了制得高取代度和高粘度的衍生物，反应时间以2 4h 为宜，反应温度以4 0 6 0 0 c 度为宜 8 1 。c t s 引入烷基后，c t s 的分子间氢键被显著 削弱。因此烷基化c t s 溶于水，但若引入的烷基链太长，则其衍生物会不完全溶于水， 甚至不完全溶于酸性水溶液，如c c t s 。汪敏等1 9 采用氢氧化钠水溶液为反应介质，溴 化十六烷基三甲基铵( c t a b ) 作相转移催化剂( p t c ) ，以卤代烷( r x ) 作为烷化剂 进行低聚水溶性的修饰改性，制备了双亲性n 烷基化衍生物。 氧化 c t s 可以被氧化剂氧化，氧化反应的机理很复杂。氧化剂不同，反应的p n 值也不 同，氧化机理和氧化产物也不同，既可以使c 6 - - o h 氧化成醛基或羧基，也可以使c 3 一o h 氧化成羰基，还可能破坏毗喃环以及糖苷键l l o j 。 交联 c t s 可以通过双官能团的醛或酸酐进行交联。交联的主要目的是使产物不溶解，性 能稳定。交联主要是在分子间发生，也不排除在分子内发生。交联更多的是醛基与c t s 的氨基生成s h i f t 碱结构，其次才是醛基与羟基的反应。常用的交联剂是甲醛、乙二醛、 壳聚糖的制备及其用于吸附n 0 3 。的改性研究 戊二醛等。反应可以在水溶液中进行，也可以在非均相介质中进行。袁彦超等p 驯采用甲 醛为预交联剂，环氧氯丙烷( e c h ) 为交联剂得到了保护氨基的交联壳聚糖，由c t s 制备经过三步反应( 见图1 3 ) ：1 甲醛与c t s 的自由氨基进行希夫碱( s e h i f f b a s e ) 反 应保护氨基，以便进行羟基的改性。此反应形成的亚胺基在酸性条件下迅速水解再生自 由氨基，中性和碱性条件下很稳定。2 碱性条件下用环氧氯丙烷( e c h ) 与c t s 的羟基进 行醚化反应交联。3 在酸中水解除去交联的甲醛，再生氨基。 q _ c h2 c h ( o h ) c h 2 e q , h 2 6 一c h c h 2 c 1 o r 图1 3 反应原理 f i g1 3r e a c t i o np r i n c i p l e 接枝 c t s 的c 6 - - o h 和c 3 一o h 以及c 2 一n h 2 处都可以成为接枝点，通过接枝反应，可以 将烷基链、聚醚链等引入至u c t s 分子上，从而赋予c t s 新的性能。研究比较多的是采用 铈离子作为引发剂，将烯类单体如丙烯酸、丙稀酰胺、苯乙烯等接枝到糖残基上。吴根 等【1 以硫酸铈铵为引发剂，在硫酸存在的条件下，用丙烯酰胺修饰c t s 分子，制备a a m 2 c h t 乳液。研究了反应温度、c t s 用量、引发剂用量及硫酸用量对反应结果的影响， 制得了稳定性好的a a m2 c h t 孚l 液。另外，用过硫酸盐做引发剂，并与亚硫酸氢钠或硫 酸亚铁配合成氧化一还原体系，近年来比较引人注意。t a os u n 等【1 2 】以过硫酸铵为引发 剂，将甲基丙烯酸( m a a ) 共聚接枝至i j c t s 分子链上，并对反应条件进行了研究，认为最 佳合成条件是，引发剂过硫酸铵浓度8m m o l l ，【m a a = 2 4m o l l ，反应温度6 0 7 0 0 c ， 反应时间1 2 0r a i n 。 螯合 舻p n ，啜 乞卜驴站睃凸 大连理t 大学硕士学位论文 c t s 的糖残基在c 2 上有一个乙酰氮基或自由氨基，在c 3 上有一个羟基，从构象上 来看他们都是平伏键，这种特殊结构，使得它们对具有一定离予半径的一些金属离子在 一定p h 条件下具有螯合作用，另外由于其无毒、无副作用，使得c t s 有广泛的应用价 值和应用领域。c t s 与金属的螫合作用，有以下的特点：一、c t s 与金属离子螯合后， 本身的结构并未改变，但产物的性质改变了。外观上看，大都伴有颜色的改变，如c t s 与钛离子形成红色鳌合物，与三价铬产生绿色产物，与铜螯合产物为蓝色。二、由于碱 金属和碱土金属离子的半径比较小，不能被c t s 螯合。三、当有两种或两种以上的过 渡金属离子共存于一种溶液中时，将是离子半径合适的离子优先与c t s 螯合。例如张 伟安等【1 3 1 研究表明，c t s 对单一的h 矿和p d 2 + 的饱和吸附量分别为8 1 1m g g ，1 2 7 4 m g g 。在h 矿p b 2 + 一c d 2 + 三元体系中，对三者的吸附量分别为1 2 2 2 m g g 、8 9 8 m g g 、 8 9m g g 。四、金属离子的氧化价态不同，结合能力也不同。五、c t s 对过度金属离子 的结合受到阴离子的影响，氯离子会抑制金属离子的结合，而硫酸根会促进结合。 1 1 4o t s 质量评价指标 ( 1 ) 脱乙酰度 简介 c t s 的脱乙酰度，定义为c t s 分子中脱除乙酰基的糖残基数占c t s 分子中总的糖 残基数的百分数，是一项极为重要的技术指标之一。d d 值的高低直接关系到在稀酸中 的溶解能力、粘度、离子交换能力、絮凝性能、和与氨基有关的化学反应能力，以及许 多方面的应用。c t s 是甲壳素n 脱乙酰基的产物，一般而言，n 乙酰基脱去5 5 以上 的就可以称之为c t s ，或者说，能在1 乙酸或1 盐酸中溶解1 的脱乙酰甲壳素，这 种脱乙酰的甲壳素被称之为c t s 。根据d d 值的大小，c t s 可分为以下几种：n 脱乙 酰度在5 5 7 0 的是低脱乙酰度c t s ；n 脱乙酰度在7 0 8 5 的是中脱乙酰度c t s ； n 脱乙酰度在8 5 9 5 的是高脱乙酰度c t s 。n 脱乙酰度1 0 0 的c t s 极难制备。 脱乙酰度测定方法 脱乙酰度的测定方法较多，归纳起来，可以分为两大类，一类利用胺基的化学性质， 如胺基具有碱性，容易质子化；胺基与醛基反应生成希夫碱等，如水杨醛法。另一类则 利用胺基以及c t s 大分子的波谱学特性，如酰胺在紫外光谱、红外光谱中的特征吸收 峰，在核磁谱图中，吡喃糖环上碳原子和乙酰胺基上碳原子的峰位置能很清楚地区分。 利用c t s 分子链上的氨基显碱性的性质，出现了多种脱乙酰度测定方法，其区别 就是判断滴定终点方法的不同。其测定原理是c t s 上的自由氨基呈碱性，可与酸定量 的发生质子化反应，形成c t s 的胶体溶液，如图1 4 所示，溶液中游离的h + 用碱反滴 壳聚糖的制备及其用于吸附n 0 3 的改性研究 定。这样，从用于溶解c t s 的酸量与滴定用去的碱量之差，即可推算出c t s 自由氨基 结合酸的量，从而计算出c t s 中自由氨基的含量。 0 - - + h + 一 图1 4 反应方程式 f i g1 4r e a c t i v ef o r m u l a 首先最常用的就是以指示剂判断终点的滴定法，由于其方法简单、仪器要求不高而 成为最广泛的研究及应用方法。但是由于c t s 是大分子物质，其盐酸溶液呈胶f i a t 态， 且c t s 本身常常带有颜色而使滴定终点时的颜色突变不明显i ，导致滴定结果偏差较 大。因此许多研究者在此基础上对酸碱滴定法进行了改进。葛为公等【1 5 】采用传统电位滴 定方法确定脱乙酰度，此方法判断终点比较客观。但是数据繁多，处理过程复杂，费时。 由于c t s 常含有吸附残碱或残酸因此常常影响测定结果的可靠性，贾之慎等【1 6 】提出根 据滴定曲线中两个突变间消耗的n a o h 的量来测定脱乙酰度的电位滴定法，此法可有效 地消除c t s 吸附残碱或残酸的影响，相对标准偏差小于0 9 但是由于c t s 在中性条 件下容易析出而导致误差。 c t s 分子是由氨基葡萄糖和n 一乙酰氨基葡萄糖两个单元组成的，这两个单元在 2 0 1 2 0 3a m 范围内有特征吸收，且文献报道这两种单元在测定紫外范围内对吸光度并 无相互干扰行为，可以用于表征c t s 分子链中两种单元所占的百分含量【1 7 1 ，即为脱乙 酰度。由于c t s 没有标准样品，d a s h e n gl i u ，张广明等0 9 , 1 9 1 在实验中采用n 乙酰d 葡萄 糖胺和d 葡萄糖盐酸盐作为对照品，进行标准曲线的绘制，并取得了较好的结果。此方 法的缺点就是c t s 由于制备过程和原料的不同，其纯度和品质不同，这将导致测定结 果出现一定的误差。 红外光谱【2 0 l 以及核磁共振等方法可以直接测定固体样品的c t s 的脱乙酰度，解决 了c t s 的溶解问题。红外光谱法可以选择不同的基线、参照峰和吸收峰来计算脱乙酰 度1 2 l 】，如a 1 6 5 5 a 3 4 5 0 、a 1 5 5 d a 2 s t s 、a 1 6 5 5 a 2 e , 6 7 、a 】3 2 舭1 栅等，但是每种方法都有一定的 脱乙酰度使用范围。仰振球等 2 2 1 对红外光谱和核磁共振法，线性滴定法测定c t s 脱乙 酰度进行了研究。结果表明，与”c c p m a s n m r 法测定结果相比，在采用红外光谱法 测定c t s 脱乙酰度时，误差较大，可能是样品的水分造成的影响。线性电位滴定法测 8 大连理工大学硕十学f f 论文 定的结果与n m r 法相比，在试验范围内，相差最大为2 1 3 。目前固体核磁技术尚未 普及的情况下，该方法还不是很经济方便。 ( 2 ) 粘度和分子量 粘度反应了高分子物质相对分子量的大小。c t s 是一种高分子化合物，相对分子量 的大小不同，其物理化学性能不同，从而影响其用途。因此粘度是一项重要质量指标。 粘度测定方法有多种，其物理意义不同。用旋转粘度计测定c t s 粘度，这是表观粘度， 其数值大体可以反映出c t s 相对分子量的大小，但是不能由此计算出相对分子量。另 外一个粘度就是特性粘度m ( t h ei n t r i n s i cv i s c o s i t y ) 表示单个分子在浓度c 的情况下对 溶液粘度的贡献，其数值不随浓度而改变，是常用的高分子溶液粘度表示方法，特性粘 度和相对分子量之间的关系用m a r k - h o u w i n k 经验式来描述：h 】- 圈酽。其中m 是相对 分子质量，a 是一个与相对分子质量有关的数值，k 是常数，是一个与体系性质关系不 大但依赖于温度的数值。 1 20 t s 制备方法研究进展 1 2 1 甲壳紊脱乙酰基原理 甲壳素是酰胺类多糖，其作为原料制备c t s 的过程，就是酰胺的水解过程。酰胺 可在强酸或强碱条件下水解，对于多糖来说，强酸更容易水解糖苷键，所以甲壳素的脱 乙酰基反应，一般情况下不采用强酸水解；相对来说，强碱造成糖苷键的断裂不像强酸 那么严重，所以都用强碱来脱除乙酰基。 酰胺的碱水解是一个亲核取代反应。酰胺和其它羧酸衍生物一样都含有羰基，羰基 的存在，给亲核进攻提供了一个目标。 羰基碳原子是用。键和其他3 个原予连接的，所用的是s p 2 轨道，羰基碳原子剩下 的p 轨道与氧原子的p 轨道重叠而形成1 个代键从而使c 、o 之间形成双键，并使羰基 与其他2 个与c 原子连接的原子都处一个平面之中，羰基与这2 个原子之间间隔1 2 0 0 。 在碱性永解中，o h 有极强的亲核性和较小的体积。由于羰基碳带有正电荷，o h 就首先进攻羰基碳，使原来的平面三角形的酰胺基变成四面体的过渡态，这时部分负电 荷在氧上。四面体的过渡态很快变成四面体的中间态，这时部分负电荷在氧上。四面体 的过渡态很快变成四面体的中间体，负电荷也在氧上。这是反应的第一步，是0 h j 时酰 胺的加成，从反应物到中间体之间存在着平衡，是可逆的。第二步，是碱性基团的离去， 这时才出现取代反应。整个反应历程可表示如图1 5 ： 壳聚糖的制各及其用于吸附n o ；的改性研究 一阵 一0 卜 1 2 2 国内、外壳聚糖生产工艺 c t s 由甲壳素脱除乙酰基来得到的，常用的方法可归纳为化学法和生物法： ( 1 ) 化学法 化学法就是利用化学试剂来脱除甲壳素上的乙酰基来制备c t s ，根据脱乙酰试剂和 处理方式的不同，有以下几种工艺： 碱液法 碱液法是目前制备c t s 采用的较普遍的方法，就是用浓度为4 0 6 0 w t 的氢氧化钠 溶液，在8 0 1 8 0 。c 时，非均相状态下反应一定时间制各脱乙酰度8 0 左右的c t s 。碱 液法方法简单且成本低，对于甲壳素脱乙酰制备c t s 的研究也主要集中于碱液法。不 少研究者得到了关于脱乙酰条件如碱液浓度，反应时间，反应温度，脱乙酰方式等等对 c t s 性能的影响。骆广生1 2 3 等研究认为，脱乙酰化程度随反应时间的变化趋势为：刚开 始几个小时几乎呈线性上升，6 小时以后脱乙酰化程度随时间变化则较小；氢氧化钠溶 液浓度低于3 0 时，脱乙酰化程度不会大于5 0 ；反应温度升高，脱乙酰化程度升高。 周汝忠 2 4 1 等研究表明，完全浸没1g 甲壳素，最少需要4 0 的氢氧化钠溶液8m l ，碱 液再过量对乙酰基的脱除率没有什么影响。孙吉佑等【2 5 】研究表明随着碱处理时间的增 加，c t s 脱乙酰度增加，大分子链的降解也比较剧烈，连续碱处理方式所得c t s 的脱 乙酰度要比分段碱处理的小，分段碱处理7 次可以制得脱乙酰度高达9 8 1 4 的c t s ， 这种工艺虽然可以制得高脱乙酰度的c t s ，但是过程复杂。骆鑫【2 6 】等研究了一步法制备 c t s 的工艺，将原料蟹壳脱除无机盐后得到的甲壳1 6 6g ，用6 0 的氢氧化钠溶液2 5 0 m l 于1 5 0 。c 回流0 5 小时，得到表观粘度6 0 8 0p a s 脱乙酰度9 7 的c t s ，此工艺 具有周期短节约能耗的优点。 f u j i t a 法 f u j i t a 法田】是日本的一个专利，其优势在于烧碱用量少。其制备方法是将l o 份甲壳 素与1 0 份5 0 的氢氧化钠混合拌匀，再与1 0 0 份液体石蜡混合，于1 2 0 0 c 加热搅拌2 l o 大连理t 人学硕士学位论文 小时，然后将反应后的混合物倾入8 0 份水中冷却，过滤，用水充分洗涤后干燥，得到8 份c t s ，其脱乙酰度达9 2 。此方法尚未破推广应用。 碱和醇溶剂法 这种方法以b r o u s s i g n a c 法【2 8 】为代表，脱乙酰试剂配料为：氢氧化钠5 0 ，9 6 的 乙醇占2 5 ，乙烯醇占2 5 ( 均为质量分数) ，几乎是在无水状态下脱乙酰。脱乙酰试 剂的制备：先将两种溶剂混合后，搅拌下小部分的加入固体氢氧化钠，其溶解过程是放热 的，这一步中温度可升高至9 0 。c 。这种试剂的优点是可以用玻璃或不锈钢容器，将甲 壳素逐步加入，酒精被蒸馏出来后又回流到反应器，反应进行到一定时间后将其过滤， 并洗涤至中性室温下空气中干燥。反应物投加量为：o 5g 甲壳素加3 0i i l l 混合溶剂。后 来许多研究者又将这一方法进一步改善。王永安等f 2 9 】以8 种一元醇和水做溶剂，考察了 氢氧化钠一醇水体系中甲壳素脱乙酰规律。结果表明，在氢氧化钠醇水体系比在氢 氧化钠一水体系中容易进行。氢氧化钠的浓度可以 c d c l 2 m g c l 2 n a c l ，前两者使吸附量减小，m g c l 2 使吸附量稍有增加，n a c l 对 吸附量基本没有影响。g r a c i e l a t 4 8 1 等考察了用戊二醛交联c t s 对铬的吸附作用，结果表 明，因为c r ( v i ) 以n c r 0 4 。、c r 0 4 2 - 等阴离子的形式存在，在酸性条件下且p h _ 4 时，c t s 上的氨基发生质子化，从而促进了交联c t s 树脂对c r ( v i ) 的吸附。然而当p h d , 于3 时， c r ( v i ) 被还原为c r ( i i i ) 阳离子，与交联c t s 发生静电排斥作用，从而降低了交联c t s 对c r ( i i i ) 的吸附量。这也是交联c t s 对c r ( v i ) 和c r ( i i i ) 吸附量相差很大的主要原因。王 吴云等【4 5 】研究了经环氧氯丙烷交联的c t s 对金的吸附性能，研究结果表明：在p h 为4 0 ， 壳聚糖的制各及其用于吸附n o r 的改性研究 吸附2 5m i n ，对金的吸附率达9 9 0 ；采用2 5 v o ( w v ) 的硫脲溶液可将吸附在树脂上的金 定量洗脱，富集倍数达2 0 倍。 交联制各的树脂没有选择吸附性。为此，近年来模板合成法成为制备具有一定“记 忆”功能高分子吸附螯合树脂的一种新方法，因其分子内保留有恰好能容纳模板离子的 “空穴”，从而对模板离子有较强的识别能力。其制备方法是在酸性条件下，使c t s 与金 属离子络合，然后将络合产物用交联剂进行交联，再用酸将络合的金属离子从c t s 上 洗脱下来，即可得到模板交联树脂。孙胜玲等【4 9 】在非均相条件下，以c u c l 2 、c u ( n 0 3 h 、 c u ( a c ) 2 和c u s 0 4 为金属模板盐，系统研究了不同价态的阴离子盐制各的模板交联c t s 对c u a 0 的吸附性能，结果表明，模板交联c t s 对相应盐的c u ( i i ) 有较高的吸附量，认 为模板交联c t s 树脂对c u 0 i ) 的吸附跟阴离子有直接关系，阴离子参与了模板的形成。 通过c t s 与模板交联c t s 对c u ( i i ) 、c o ( i i ) 、n i ( i i ) 和z n 0 i ) 硫酸盐的吸附量的比较表 明，两种吸附剂对他们的吸附量的顺序没有发生改变，进一步说明交联模板有“记忆”选 择性。另外制备成c u s 0 4 板交联c t s 树脂后对c o ( i i ) 、n i ( 1 1 ) 、z n ( i i ) 和c u ( i i ) 硫酸盐的 吸附量，分别比c t s 的吸附量下降了5 0 、4 8 、3 4 和1 4 ，这进一步说明了以c u s 0 4 为模板的交联c t s 树脂对相应的铜盐有高度的选择性。 1 3 2 交联壳聚糖用于吸附染料、有机酸以及蛋白质( 酶) c t s 的氨基有较高的结合有机阴离子的能力，是一种良好的天然高分子吸附剂。丁 世敏 s o l 等研究了环氧氯丙烷交联c t s 多孔微球对3 种染料的吸附性能，对3 种不同类型的 染料：橙黄i i 、活性艳蓝、酸性紫，交联c t s 多孔微球的饱和吸附量分别为1 1 8 2 、9 3 4 、 5 9 5m g g ，并与活性炭、c t s 的吸附性能进行了比较，在1 0 0 c 时，交联c t s