李惠成，李小菊，张 兵
(陇东学院化学化工学院，甘肃 庆阳 745000)
据国际绿色和平组织Greenpeace对于全球20多种品牌的抽样调查，有超过63%的服装检出了致癌偶氮染料[1]。除了纺织领域，印刷、皮革、化妆品等行业在生产过程中，也会产生大量含有染色剂的废水，若直接排放将对生态系统构成严重威胁。研究表明，废水中的悬浮物、胶体粒子等可以经絮凝法去除，其去除效果的优劣主要取决于絮凝剂的性能。传统絮凝剂活性位点较少，对水体中无机离子和有机大分子的去除能力有限。壳聚糖是自然界中最丰富的多糖之一[2]，这种无毒无害的天然高分子絮凝剂，因其来源广泛，易生物降解并具有良好的絮凝效果和螫合作用，能与许多重金属离子形成稳定的螫合物，被广泛地应用于水处理中。然而，单一的壳聚糖分子所带的游离氨基容易在氢离子浓度指数相对较低的水溶液中形成NH3+，使壳聚糖溶解于水中，导致絮凝分离效果下降[3]。与此同时，单一的壳聚糖分子在吸附某些离子和分子时，并没有表现出优良的选择性和吸附能力。由于将壳聚糖分子直接作为絮凝剂有选择性差、易溶于酸性介质、易于沉淀等缺点。因此，在壳聚糖原有结构的基础上引入螯合能力强的基团，提升其吸附能力的研究具有很大的现实意义。
以天然高分子壳聚糖为基体，缩合醛类或者酸酐，得到絮凝性和选择性优良的壳聚糖席夫碱类化合物，一直是壳聚糖研究领域的热门话题[4-5]。比如李若慧等[6]在《戊二醛对壳聚糖交联聚乙烯吡咯烷酮水凝胶结构和性能的影响》中，研究了用戊二醛改性后的壳聚糖对脂肪的吸附效果；
胡慧媛等[7]在《戊二醛交联壳聚糖席夫碱的合成及其对Pb2+吸附性能的研究》中，探查了改性后的壳聚糖对Pb2+的吸附效果；
袁春桃等[8-10]在《壳聚糖和苯甲醛的缩合反应研究》中，利用了正交实验找出了最佳的缩合条件。本研究利用紫外光谱分析法对壳聚糖及壳聚糖席夫碱对水溶性偶氮染料的吸附性能进行了试验探讨。
1.1 材料与仪器
壳聚糖(低粘度<200 mPa·s)、戊二醛(50% H2O)、亚甲基蓝(MW)，上海麦克林生化科技有限公司；
冰乙酸(≥99.5%，AR)、无水乙醇(AR)、溴化钾KBr(SP)、甲醇(AR)，天津富宇化学试剂有限公司；
甲基橙(AR)，湘中地质实验研究所。试验用水为去离子水。
SHZ-D(Ⅲ)循环水式真空泵，巩义予华仪器；
DF101S集热式恒温加热磁力搅拌器，巩义科瑞仪器；
B5A225分析天平，Sartorius；
GF101-2A电热鼓风干燥箱，鹤壁天冠仪表；
THZ-82恒温振荡器，江苏太仓医疗器械；
H1850台式高速离心机，Hunan XiangYi公司；
FTIR-8400S傅里叶变换红外光谱仪，Shimadzu；
G6860A紫外可见分光光度计，安捷伦科技有限公司；
TESCAN MIRA LMS扫描电子显微镜，捷克；
SmartLab-SE X射线衍射仪，日本理学。
1.2 G-CTS的制备
1.2.1 反应原理
壳聚糖(Chitosan)是甲壳素的N-脱乙酰基的产物，它在C2位上的羟基被氨基所代替。选择戊二醛与之交联，发生席夫碱反应，生成的具有C=N或RC=N特性基团的席夫碱(Schiff case)是一种水溶性阳离子聚电解质，可以螯合吸附废水中的阴离子。
席夫碱反应的机理是，壳聚糖中的N原子进攻醛中C=O基团上带正电荷的C原子，形成中间物α-羟基胺类化合物，然后进一步脱水生成席夫碱。
壳聚糖与戊二醛交联反应路线见图1。
图1 制备壳聚糖席夫碱G-CTSFig.1 Preparation of Chitosan Schiff-base G-CTS
1.2.2 G-CTS的合成
准确称取一定量的壳聚糖样品并转移到三颈烧瓶中。量取适量无水乙醇，加入装有壳聚糖样品的三颈烧瓶中，将组装好的回流装置置于集热式磁力搅拌恒温水浴锅中，维持温度恒定，溶胀2 h[11]。量取一定量的戊二醛(50% AR)试剂，逐滴转入三颈烧瓶中，用质量分数为2%的冰乙酸溶液，缓慢调节溶液的pH至3～4，随后，保持温度和转速，回流一定时间后，将反应产物抽滤，再用95%的乙醇和去离子水洗涤，直至抽滤完毕。将抽滤得到的戊二醛和壳聚糖的反应产物小心刮下，置于电热鼓风干燥箱中，45 ℃恒温干燥至恒重。干燥后的固体产物为姜黄色固体粉末，称量。
1.2.3 G-CTS的精制
打开恒温水浴，使温度维持在80 ℃，用索氏提取装置5%乙醇连续抽提12 h，以除去产物中过量的醛。抽提完毕后，用长镊子小心将滤纸包取出，在通风处让乙醇挥发，抽提瓶中的乙醇另行回收。待滤纸包中的乙醇挥发后，将样品置于电热鼓风干燥箱中，干燥至恒重，得姜黄色粉末状固体产物。
1.3 理化性质指标的测定
1.3.1 壳聚糖的分子量
为了计算合成产物的接枝率，首先测定壳聚糖的分子量。通过查阅壳聚糖生产商麦克林MACLIN官网的对应试剂的COA报告，可以查得，实验用的壳聚糖为低粘度且黏度大小为 142 MPa·s。
根据Georage等[12]修订的Mark-Houwink公式，黏度η和黏均分子量Mv的关系为η=KMα，其中K=1.81×10-3；
α=0.93，由此，计算得Mv=1.832 4×105。
1.3.2 缩合率的计算
采用的缩合率计算公式[10]：
式中：m1为壳聚糖的质量，g；
M1为壳聚糖单体的摩尔质量；
m2为戊二醛交联壳聚糖的席夫碱质量，g；
M2为戊二醛交联壳聚糖的席夫碱的摩尔质量。
1.3.3 产物的FTIR、XRD、SEM测定
CTS、G-CTS样品的红外光谱用傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪记录，使用溴化钾研磨、压片。
CTS、G-CTS样品的x射线衍射(XRD)测定在日本理学SmartLab-SE型x-射线粉末衍射仪上采集，镍过滤Cu-Kα辐射(λ=1.540 56 Å)，电压为40 kV，电流为100 mA。
使用捷克TESCAN MIRA LMS扫描电子显微镜检测了CTS、G-CTS样品的形貌。样品在观察前涂上了一层金。对于CTS，将少量样品分散在丙酮中，在载玻片上取悬浮液。丙酮挥发后，喷涂金。对于G-CTS样品被冷冻在液氮中，破碎，并喷金。
1.4 絮凝吸附效果的测定
1.4.1 模拟染液的配制
亚甲基蓝(MB)和甲基橙(MO)均是偶氮苯磺酸类的水溶性染料，亚甲基蓝的水溶液为碱性，是阳离子型染料，而甲基橙溶于水后呈现弱酸性，是阴离子酸性染料。为了考察改性后的壳聚糖对染料分子中的阴阳离子和含氮基团的吸附效果，实验分别称取6 mg的甲基橙和亚甲基蓝固体溶于去离子水，于 1 000 mL的容量瓶中定容，得到浓度同为6 mg/L的溶液。分别称取4 mg的CTS和G-CTS各两份，用移液管分别移取50 mL配制好的亚甲基蓝和甲基橙溶液到锥形瓶中，得到CTS-MB溶液，CTS-MO溶液，G-CTS-MB溶液，和G-CTS-MO溶液。
将四种样品溶液置于THZ-82型恒温振荡器中，固定转速下振荡80 min后，用10 mL的医用注射器抽取上清液各20 mL，到带有刻度的清洁好的离心管中。将4支离心管做好标记，按对角线放入H1850台式离心机中，固定转速6 000 r/min，离心8 min后取出，分别静置24 h后观察其颜色变化，并测定其紫外吸收。
1.4.2 吸附性能测定
分别采用比色观察法和紫外-可见分光光度法进行吸附效果的测定：经过80 min的恒温振荡，将溶液转移到50 mL比色管中进行静置，24 h后进行观察。
紫外测定：使用安捷伦紫外分光光度计，1 cm比色皿测定在波长为300～800 nm的范围内，改性前后壳聚糖对不同染料的24 h吸附效果。分光光度计在使用前用蒸馏水调零。
2.1 反应条件对产物缩合率的影响
在整个反应过程中，交联产物的合成阶段对产物缩合率的影响举足轻重，主要的影响因素有4个，即溶胀程度、溶液酸度、反应时间和反应物配比。采用单因素对照试验，分别控制这4种影响因素进行壳聚糖席夫碱的合成实验，并根据前述公式计算接枝率。
实验表明，采用最优化反应条件溶胀温度80 ℃，pH值3，反应时间8 h，反应物配比1∶3，可以获得80.65%的缩合率。
2.2 改性产物的结构表征
2.2.1 FTIR分析
壳聚糖(CTS)、戊二醛交联壳聚糖席夫碱(G-CTS)的红外光谱图见图2。
图2 CTS(a)和G-CTS(b)的傅里叶变换红外光谱图Fig.2 FTIR spectra of CTS (a) and G-CTS (b)
由图2可以看出，壳聚糖CTS在3 435、2 878、1 604、 1 410和1 081 cm-1处有较强的吸收，他们分别归属于羟基和氨基的对称伸缩振动，甲基或亚甲基(C-H)对称与不对称伸缩振动，C-N键的伸缩振动，O-H或N-H面内弯曲振动，和C-O伸缩振动，此外还有1 460 cm-1处的C-H的弯曲振动，720 cm-1的C-H摇摆振动等。3 435 cm-1的强、宽吸收峰是分子内缔合-OH的伸缩振动吸收峰和-NH2的伸缩振动吸收峰重叠而成的多重吸收峰。与原壳聚糖谱图中3 435 cm-1处相比，改性后的壳聚糖的峰型变得圆滑而钝，说明缔合伯胺基已参与反应[13]。1 641～1 670 cm-1处吸收峰变得尖锐，这是由于C=N席夫碱的吸收峰与C-N吸收峰互相叠加的缘故[14]。尽管二者谱图很相似，但仍然可以发现之间的差别在于G-CTS的中强峰在波长1 604 cm-1消失，而在1 573 cm-1处出现了一个中强吸收峰，说明壳聚糖上的NH2已发生改变，NH2与醛基反应后，出现 1 573 cm-处的吸收可归属于C=N键的伸缩振动，与C-N键的伸缩振动吸收峰区域接近，部分重合，同时3 435 cm-1处G-CTS的吸收峰变宽变弱，表明OH的吸收变强，也说明了戊二醛交联剂与壳聚糖的氨基发生缩合，NH2的吸收消失。通过以上分析说明壳聚糖发生了缩合反应，生成了壳聚糖席夫碱，此外，由于在2 500～2 700 cm-1的波数范围内，没有观察到C-H吸收峰，说明通过回流萃取精制，反应产物中的醛已被除去。
2.2.2 XRD分析
XRD主要用于验证戊二醛交联以及金属配位对壳聚糖结晶度的影响。图3为CTS、G-CTS的XRD图谱，图谱显示二者在2θ=20°处有比较明显衍射峰。从图3中可以看出，与CTS相比，G-CTS在2θ=20°处的衍射峰变宽、变低，取代度越大，2θ=20°处衍射峰越宽越低。同时，接枝及交联后的壳聚糖与原壳聚糖相比，衍射峰位于2θ=20°前后发生较小的位置移动。峰高的降低意味着晶体化程度也降低，即规整性有所降低，d间间距越大表示晶粒直径越小[15]。
图3 CTS (a)和G-CTS(b)的XRD谱图Fig.3 XRD Spectrums of CTS (a) and G-CTS (b)
众所周知，X射线衍射峰的宽度与微晶化程度有关的，衍射峰越宽结晶度越低。表明壳聚糖在与戊二醛交联的过程中结晶状况发生了一定程度的改变。这可能是因为在壳聚糖溶解及与戊二醛交联和配位过程中分子内和分子间氢键被破坏，以至于其衍射峰变宽强度变弱。
2.2.3 SEM分析
从图4的扫描电镜图像可见，壳聚糖呈片状分布，表面较为光滑且具有少量孔隙。交联接枝后的壳聚糖席夫碱(G-CTS)表面疏松粗糙，皱褶和孔洞结构明显增加，说明接枝过程对壳聚糖的微观形貌有很大影响且同时提高了对金属离子以及有机大分子的吸附能力。G-CTS表面出现波纹的纹理结构，表面凹凸不平，条纹状和树枝状的结构清晰可见，孔洞结构规整，数量也明显增加，皱褶明显可见，比表面积有所增加。SEM图像表明，G-CTS比原壳聚糖有比表面积的增大和孔洞结构增加，可增强其与重金属离子和有机染料分子的接触，是增强其吸附性能的重要因素之一。
图4 CTS (a)，G-CTS (b)的SEMFig.4 SEM of CTS (a)，G-CTS (b)
2.3 絮凝性能的应用
2.3.1 比色法吸附效果
比色法：经过80 min的恒温振荡，观察结果见图5所示，G-CTS-MO溶液无论是与振荡前相比，还是与CTS-MO溶液比较，其色彩饱和程度有明显降低，透明度升高，不再显橙黄色而呈现清亮的浅橙色。随着G-CTS-MO溶液放置时间越长，其颜色越浅，24 h后几乎透明。说明交联后的G-CTS的对甲基橙分子的吸附作用效果良好，24 h去除率已经非常高。
图5 交联改性前后壳聚糖对染料的吸附效果Fig.5 Adsorption effect of chitosan on dyes before and after crosslinking modification
而CTS和G-CTS对于MB溶液的吸附效果，仅凭肉眼无法观察到十分明显的区别。
2.3.2 紫外-可见分光光度法测定吸附效果
亚甲基蓝溶液、CTS-亚甲基蓝溶液、G-CTS-甲基橙溶液和甲基橙溶液、CTS-甲基橙溶液、G-CTS-甲基橙溶液在不同波长处的紫外吸收结果见图6。
图6 水溶性偶氮染料溶液的紫外吸收Fig.6 UV absorption of aqueous azo dye solution
紫外吸收谱图表明，加入G-CTS的亚甲基蓝溶液，在665 nm处测得的吸光度与原溶液相比有所降低但变化不大，而加入CTS吸光度明显降低，说明对于亚甲基蓝，未改性的CTS吸附效果更好。而对于加入G-CTS的甲基橙溶液，在波长为464 nm处测得的吸光度与原溶液相比有明显降低，Abs从0.391 1降低到0.070 1，24 h去除率为82.08%，加入CTS后Abs也比原溶液从0.391 1降低到0.281 3。实验结果表明，改性后的G-CTS具备良好的吸附效果，尤其对阴离子弱酸性偶氮染料甲基橙有优良的选择性吸附能力，该结论与观察所得结果一致。进一步的实验表明，溶液静置7天后，G-CTS对甲基橙的去除率达到98.60%，对亚甲基蓝60天后去除率也可达到84.36%。
戊二醛和壳聚糖(CTS)进行交联接枝制备了壳聚糖席夫碱(G-CTS)，在80 ℃，pH=3，反应时间为8 h，料液配比为1∶3时，条件最优化，缩合率可达80.65%；
利用红外光谱(FTIR)，X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)表征其结构。FTIR以及XRD谱图结果均表明壳聚糖发生了接枝和交联反应，SEM观察到其孔洞结构的增加。利用紫外-可见光光谱分析改性前后壳聚糖对水溶性偶氮染料的絮凝吸附效果，实验结果显示，改性后的壳聚糖席夫碱G-CTS对水溶性阴离子偶氮染料甲基橙有优良的选择性和吸附作用，24 h后去除率达82.08%，7天去除率达到98.60%。可以预见，G-CTS对于其他不同结构的水溶性染料也具有不同程度的选择性和絮凝吸附作用，对于染料废水的处理具有良好的应用前景，具有可观的环境效益和经济效益。