在常規水處理系統中，應用最廣泛的絮凝劑是鋁鹽和鐵鹽，處理後的水中殘留的鋁鹽會危害人體健康，殘留的鐵鹽會影響水的顏色等；在大多數廢水處理中，難以克服污泥量大、污泥處置困難等二次污染問題。因此，尋求一種不會對環境造成二次污染的天然產物來取代鋁鹽和鐵鹽絮凝劑是當今實施永續發展策略的需要。天然高分子絮凝劑由於原料來源豐富、價格低廉、選擇性好、用量小、安全無毒、可完全生物降解等特點，在眾多絮凝劑中備受關注。經過數十年的發展，出現了大量不同性能和用途的天然高分子絮凝劑，其中目前應用較為廣泛的是澱粉、木質素、殼聚醣和植物膠等。
殼聚醣特性
殼聚醣是一種白色無定形、半透明片狀固體，不溶於水，可溶於酸，是甲殼素的去乙醯基產物。一般來說，當甲殼素中的N-乙醯基脫除55%以上時，即可稱為殼聚醣。甲殼素是動物和昆蟲外骨骼的主要成分，也是地球上僅次於纖維素的第二大天然有機化合物。殼聚醣作為絮凝劑，天然、無毒、可降解。殼聚醣大分子鏈上分佈著大量的羥基、氨基和一些N-乙醯氨基，這些基團在酸性溶液中可以形成電荷密度高的陽離子聚電解質，還可以透過氫鍵或離子鍵形成網狀結構，籠罩分子，從而絡合去除許多有毒有害的重金屬離子。殼聚醣及其衍生物用途十分廣泛，不僅在紡織、印染、造紙、醫藥、食品、化工、生物和農業等許多領域有許多應用價值，而且在水處理方面，可用作吸附劑、絮凝劑、殺菌劑、離子交換劑、膜製劑等。殼聚醣因其在供水應用和水處理方面的獨特優勢，已被美國環保署批准作為飲用水的淨化劑。
（1）去除水體中的懸浮物。天然水體中由於黏土菌等的存在，成為帶負電荷的膠體系統。殼聚醣作為長鏈陽離子聚合物，能起到電中和凝聚和吸附架橋的雙重作用，對懸浮物有強烈的混凝作用。與傳統的明礬、聚丙烯醯胺等絮凝劑相比，殼聚醣具有更佳的澄清效果。 RAVID等研究了當殼聚醣pH值為5～9時，對單一高嶺土配水進行絮凝處理的效果，發現絮凝受pH值影響較大，有效去除濁度的pH值為7.0～7.5。加入1mg/L絮凝劑，濁度去除率超過90%，且生成的絮體粗而快，總絮凝沉降時間不超過1h；但當pH值降低或升高時，絮凝效率均降低，顯示僅在很窄的pH範圍內，殼聚醣才能與高嶺土顆粒形成良好的聚合作用。有研究發現，用殼聚醣處理絮凝膨潤土懸浮液時，適宜的pH值範圍較寬。因此，當渾濁水中含有類似高嶺土的顆粒時，需要加入適量的膨潤土作為混凝劑，以提高殼聚醣與高嶺土顆粒的聚合作用。殼聚醣粒子上。後來，RAVID 等人發現
如果高嶺土或二氧化鈦懸浮液中含有腐殖質，則用殼聚醣很容易將其絮凝沉澱，因為帶負電荷的腐殖質附著在顆粒表面，而腐殖質的存在使得pH值易於調節。對於不同濁度和鹼度的天然水體，殼聚醣仍然表現出優越的絮凝性能。
（2）去除水體中的藻類和細菌。近年來，國外有人開始研究殼聚醣對藻類、細菌等生物膠體系統的吸附與絮凝作用。殼聚醣對淡水藻類，即螺旋藻、顫藻、小球藻和藍綠藻有去除效果。研究表明，對於淡水藻類，在pH值為7時去除效果最好；對於海藻，pH值較低。殼聚醣的適宜投加量取決於水體中藻類的濃度，藻類濃度越高，需要投加的殼聚醣投加量就越多，而且殼聚醣投加量的增加容易導致絮凝沉澱速度加快。濁度可以衡量藻類的去除效果。當pH值為7時，5mg/L殼聚醣可去除水中90%的濁度，且藻類濃度越高，絮凝體顆粒越粗，沉澱性能越好。
顯微鏡檢查發現絮凝沉澱去除的藻類只是聚集粘附在一起，仍處於完整活躍的狀態。由於殼聚醣不會對水中的生物物種造成任何負面影響，因此不同於其他用於水處理的合成絮凝劑，處理後的水仍可用於淡水養殖。殼聚醣對細菌的去除機制比較複雜，透過研究殼聚醣對大腸桿菌的絮凝作用發現，不平衡架橋機制是此絮凝體系的主要機制，殼聚醣對細胞碎片產生氫鍵。另有研究表明，殼聚醣絮凝大腸桿菌的效率不僅取決於電介質的帶電性，還取決於其水力維度。
（3）去除殘留鋁，淨化飲用水。鋁鹽和聚合鋁絮凝劑在自來水處理過程中被廣泛應用，但使用鋁鹽絮凝劑會導致飲用水中鋁含量升高。飲用水中殘留的鋁對人體健康構成嚴重危害。殼聚醣雖然也存在水中殘留的問題，但由於其為天然無毒的鹼性氨基多醣，殘留物不會對人體造成危害，且可在後續處理過程中去除。此外，殼聚醣與聚合氯化鋁等無機絮凝劑併用，可降低殘留鋁的含量。因此，在飲用水處理中，殼聚醣具有其他合成有機高分子絮凝劑無法取代的優點。
殼聚醣在廢水處理的應用
（1）除去金屬離子。殼聚醣及其衍生物含有大量的氨基和羥基，因而對許多金屬離子有螯合作用，能有效吸附或捕集溶液中的重金屬離子。 Catherine A.Eiden等研究表明，殼聚醣對Pb2+和Cr3+（以殼聚醣為單位）的吸附容量分別達到0.2 mmol/g和0.25 mmol/g，具有較強的吸附能力。張廷安等利用脫乙醯殼聚醣絮凝去除銅，結果表明，當pH值為8.0，水樣中銅離子質量濃度低於100 mg/L時，銅的去除率在99%以上；當pH值為8.0，水樣中銅離子質量濃度為400mg/L時，殘液中銅離子排放質量濃度仍符合國家廢水排放質量濃度。另實驗證明，當pH=5.0，吸附時間為2h時，殼聚醣對吸附化學鍍鎳廢液中Ni2+的去除率可達72.25%。
（2）處理食品廢水等蛋白質含量較高的廢水。食品加工過程中，會產生含有大量懸浮物的廢水。殼聚醣分子中含有醯胺基、氨基和羥基，氨基質子化後表現出陽離子聚電解質的作用，不僅對重金屬有螯合作用，還能有效絮凝吸附水中帶負電荷的細顆粒物。甲殼素和殼聚醣能與蛋白質、胺基酸、脂肪酸等經由氫鍵形成複合物。方志敏等利用殼聚醣作為陽離子交換樹脂，製備出殼聚醣複合膜。殼聚醣以殼聚醣、硫酸鋁、硫酸鐵和聚丙烯醯胺為絮凝劑，回收海鮮加工廢水中的蛋白質，可獲得較高的蛋白質回收率及出水透光率。由於殼聚醣本身無毒，無二次污染，因此可以回收食品加工廠廢水中的蛋白質、澱粉等有用物質進行加工再利用，例如添加到飼料中作為動物飼料。
（3）印染廢水處理。印染廢水是指棉、毛、化纖等紡織產品在前處理、染色、印花和後整理過程中排出的廢水，通常含有鹽類、有機界面活性劑和染料等，成分複雜，色度大，COD高，且向抗氧化、抗生物降解方向發展，對人體健康和環境極為有害。殼聚醣含有氨基和羥基，對染料有很強的吸附作用，包括：物理吸附、化學吸附和離子交換吸附，主要透過氫鍵、靜電引力、離子交換、范德華力、疏水作用等作用。同時，殼聚醣分子結構中含有大量的伯氨基，透過配位鍵形成性能優良的高分子螯合劑，可以與廢水中的染料發生凝集，且無毒性、不會產生二次污染。
（4）在污泥脫水中的應用。目前，絕大多數城鎮污水處理廠都採用陽離子聚丙烯醯胺處理污泥。實踐表明，該劑絮凝效果好，易於污泥脫水，但其殘留物特別是丙烯酰胺單體是強致癌物，因此尋求其替代品是一項非常有意義的工作。殼聚醣是一種良好的污泥調理劑，有助於形成活性污泥菌膠束，可以凝聚溶液中帶負電荷的懸浮物和有機物，並提高活性污泥製程的處理效率。研究表明，聚合氯化鋁/殼聚醣複合絮凝劑不僅在污泥調理方面效果明顯，而且與單一使用PAC或殼聚醣相比，污泥比阻首先達到較低點，濾速更快，是一種更佳的調理劑；另外，還以3種羧甲基殼聚醣（N-羧甲基殼聚醣、N，O-羧甲基殼聚醣和O-羧甲基殼聚醣）作為絮凝劑，對污泥進行脫水性能測試，結果發現，形成的絮體堅牢，不易破碎，顯示該絮凝劑對污泥脫水的效果明顯優於普通絮凝劑。
殼聚醣殼聚醣及其衍生物資源豐富，天然、無毒、可降解，同時具備多種性能，屬於綠色水處理劑，其原料甲殼素是地球上第二大天然有機化合物，因此近年來殼聚醣在水處理領域的發展呈現明顯的增長勢頭。殼聚醣作為一種變廢為寶的天然高分子，已在多個領域得到初步應用，但國內產品的性能和應用範圍與先進國家相比仍有一定差距。隨著對殼聚醣及其衍生物研究的不斷深入，特別是合成性能優異的改質殼聚醣，其應用價值越來越大。探索殼聚醣在水處理中的應用技術，開發應用範圍更為廣泛的環境友善殼聚醣衍生物產品，將具有十分廣闊的市場價值和應用前景。
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發佈時間：2022年8月9日