在传统的水处理系统中，最常用的絮凝剂是铝盐和铁盐。处理后的水中残留的铝盐会危害人体健康，残留的铁盐则会影响水的颜色等；在大多数废水处理中，污泥量大、处置困难等二次污染问题难以克服。因此，寻找一种不会对环境造成二次污染的天然产品来替代铝盐和铁盐絮凝剂，是当今实施可持续发展战略的迫切需求。天然聚合物絮凝剂因其原料来源丰富、价格低廉、选择性好、用量少、安全无毒且可完全生物降解等优点，在众多絮凝剂中备受关注。经过数十年的发展，已经涌现出大量具有不同性质和用途的天然聚合物絮凝剂，其中淀粉、木质素、壳聚糖和植物胶等目前应用最为广泛。
壳聚糖特性
壳聚糖是一种白色无定形、半透明的片状固体，不溶于水，但溶于酸，是几丁质脱乙酰化的产物。一般来说，几丁质中N-乙酰基脱除55%以上后即可称为壳聚糖。几丁质是动植物外骨骼的主要成分，是地球上仅次于纤维素的第二大天然有机化合物。作为一种絮凝剂，壳聚糖天然、无毒且可降解。壳聚糖大分子链上分布着大量的羟基、氨基和一些N-乙酰氨基，在酸性溶液中可形成高电荷密度的阳离子聚电解质，也可通过氢键或离子键形成网状结构，从而螯合并去除多种有毒有害的重金属离子。壳聚糖及其衍生物用途广泛，不仅在纺织、印染、造纸、医药、食品、化工、生物、农业等众多领域具有很高的应用价值，而且在水处理领域也具有应用价值，可用作吸附剂、絮凝剂、杀菌剂、离子交换剂、膜制剂等。由于其在供水和水处理方面的独特优势，壳聚糖已被美国环境保护署批准作为饮用水净化剂。
（1）去除水体中的悬浮物。天然水体中，由于黏土细菌等的存在，悬浮物会形成带负电荷的胶体体系。壳聚糖作为一种长链阳离子聚合物，具有电荷中和、絮凝和吸附、桥接的双重功能，对悬浮物具有较强的絮凝作用。与传统的明矾和聚丙烯酰胺絮凝剂相比，壳聚糖具有更好的澄清效果。RAVID等人研究了壳聚糖在pH值为5-9时对单一高岭土水分布的絮凝处理效果，发现絮凝效果受pH值影响很大，浊度去除的有效pH值为7.0-7.5。当使用1mg/L的絮凝剂时，浊度去除率超过90%，产生的絮体粗大且运动速度快，总絮凝沉淀时间不超过1小时；但当pH值降低或升高时，絮凝效率也会降低，这表明壳聚糖只有在非常窄的pH范围内才能与高岭土颗粒形成良好的聚合反应。一些研究发现，当用壳聚糖处理絮凝后的膨润土悬浮液时，其适宜的pH值范围较宽。因此，当浑浊水中含有类似高岭土的颗粒时，需要添加适量的膨润土作为混凝剂，以提高其聚合效果。壳聚糖在颗粒上。后来，RAVID等人发现
如果高岭土或二氧化钛悬浮液中含有腐殖质，则很容易用壳聚糖进行絮凝沉淀，因为带负电荷的腐殖质会附着在颗粒表面，并且腐殖质有助于调节pH值。壳聚糖对不同浊度和碱度的天然水体仍表现出优异的絮凝性能。
（2）去除水体中的藻类和细菌。近年来，国外一些学者开始研究壳聚糖对藻类和细菌等生物胶体体系的吸附和絮凝作用。壳聚糖对淡水藻类，如螺旋藻、颤藻、小球藻和蓝藻，具有去除效果。研究表明，对于淡水藻类，最佳去除pH值为7；对于海洋藻类，最佳pH值较低。壳聚糖的适宜用量取决于水体中藻类的浓度。藻类浓度越高，需要添加的壳聚糖用量越大，而壳聚糖用量的增加往往会加速絮凝和沉淀。浊度可以用来衡量藻类的去除效果。当pH值为7时，建议添加5mg/L的壳聚糖。壳聚糖可去除水中 90% 的浊度，藻类浓度越高，絮凝颗粒越粗，沉淀性能越好。
显微镜观察显示，絮凝和沉淀去除的藻类仅聚集粘附在一起，仍保持完整活性。由于壳聚糖不会对水体中的生物造成任何负面影响，因此处理后的水仍可用于淡水养殖，这与其他用于水处理的合成絮凝剂不同。壳聚糖对细菌的去除机制较为复杂。通过研究壳聚糖对大肠杆菌的絮凝作用，发现不平衡桥接机制是该絮凝体系的主要机制，壳聚糖在细胞碎片上形成氢键。另一项研究表明，壳聚糖对大肠杆菌的絮凝效率不仅取决于介电体的带电性，还取决于其水力尺寸。
（3）去除残留铝并净化饮用水。铝盐和聚合铝絮凝剂广泛应用于自来水处理工艺中，但使用铝盐絮凝剂会导致饮用水中铝含量升高。饮用水中的残留铝对人体健康构成严重威胁。虽然壳聚糖也存在水残留问题，但由于其是一种天然无毒的碱性氨基多糖，残留物不会对人体造成伤害，并且可以在后续处理过程中去除。此外，壳聚糖与聚合氯化铝等无机絮凝剂联合使用可以降低残留铝的含量。因此，在饮用水处理中，壳聚糖具有其他合成有机聚合物絮凝剂无法替代的优势。
壳聚糖在废水处理中的应用
（1）去除金属离子。分子链壳聚糖壳聚糖及其衍生物含有大量的氨基和羟基，因此对多种金属离子具有螯合作用，能够有效吸附或捕获溶液中的重金属离子。Catherine A. Eiden等人的研究表明，壳聚糖对Pb²⁺和Cr³⁺的吸附容量（以壳聚糖为单位）分别可达0.2 mmol/g和0.25 mmol/g，具有较强的吸附能力。张廷安等人利用脱乙酰壳聚糖絮凝法去除铜。结果表明，当pH值为8.0，水样中铜离子质量浓度低于100 mg/L时，铜的去除率超过99%；当铜离子质量浓度为400 mg/L时，残液中铜离子的质量浓度仍符合国家废水排放标准。另一项实验证明，当 pH=5.0 且吸附时间为 2 小时时，壳聚糖对吸附化学镀镍废液中 Ni2+ 的去除率可达 72.25%。
（2）处理高蛋白废水，例如食品加工废水。食品加工过程中会排放含有大量悬浮固体的废水。壳聚糖分子含有酰胺基、氨基和羟基。氨基质子化后，壳聚糖表现出阳离子聚电解质的作用，不仅对重金属具有螯合作用，还能有效絮凝和吸附水中的带负电荷的细颗粒。几丁质和壳聚糖可通过氢键与蛋白质、氨基酸、脂肪酸等形成复合物。方志敏等人利用壳聚糖以硫酸铝、硫酸铁和聚丙烯邻苯二甲酰胺为絮凝剂，从海产品加工废水中回收蛋白质。可获得较高的蛋白质回收率和良好的出水透光率。由于壳聚糖本身无毒且无二次污染，因此可用于回收食品加工厂废水中的蛋白质和淀粉等有用物质，进行加工再利用，例如添加到动物饲料中。
（3）印染废水处理。印染废水是指棉、毛、化纤等纺织品在预处理、染色、印花、整理等过程中产生的废水。其成分复杂，色度高，化学需氧量（COD）高，且具有抗氧化、抗生物降解等特点，对人体健康和环境危害极大。壳聚糖含有氨基和羟基，对染料具有很强的吸附作用，包括物理吸附、化学吸附和离子交换吸附，主要通过氢键、静电吸引、离子交换、范德华力、疏水相互作用等作用机制。同时，壳聚糖分子结构中含有大量伯氨基，可通过配位键形成优良的聚合物螯合剂，能够吸附废水中的染料，且无毒无害，不会造成二次污染。
（4）在污泥脱水中的应用。目前，绝大多数城市污水处理厂采用阳离子聚丙烯酰胺处理污泥。实践表明，该剂絮凝效果好，易于污泥脱水，但其残留物，特别是丙烯酰胺单体，是强致癌物。因此，寻找替代品具有重要的意义。壳聚糖是一种良好的污泥调理剂，有助于活性污泥中细菌形成胶束，从而聚集溶液中带负电荷的悬浮物和有机物，提高活性污泥法的处理效率。研究表明，聚合氯化铝/壳聚糖复合絮凝剂不仅在污泥调理方面效果显著，而且与单独使用聚合氯化铝或壳聚糖相比，污泥比阻力首先达到最低点，过滤速率更高，速度更快，是一种更优的调理剂。此外，还使用了三种羧甲基壳聚糖（N-羧甲基壳聚糖、N,O-羧甲基壳聚糖和O-羧甲基壳聚糖）作为絮凝剂，测试了其对污泥脱水性能的影响，发现形成的絮体强度高且不易破碎，表明该絮凝剂对污泥脱水的效果明显优于普通絮凝剂。
壳聚糖壳聚糖及其衍生物资源丰富、天然无毒、可降解，并兼具多种特性，是绿色水处理剂。其原料几丁质是地球上第二大天然有机化合物。因此，近年来壳聚糖在水处理领域的开发发展势头强劲。作为一种变废为宝的天然高分子材料，壳聚糖已初步应用于多个领域，但与发达国家相比，国内产品的性能和应用仍存在一定差距。随着对壳聚糖及其衍生物，特别是具有优异合成性能的改性壳聚糖的研究不断深入，其应用价值日益凸显。探索壳聚糖在水处理中的应用技术，开发应用范围更广的环保型壳聚糖衍生物产品，将具有非常广阔的市场价值和应用前景。
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发布时间：2022年8月9日