基于水处理的壳聚糖树脂的制备、表征及功能性研究
在水产养殖过程中,仅有20％的饵料转化为动物蛋白,其余的残余饵料和排泄物进入水体,使氮、磷等营养物质含量过高,导致水体的富营养化。水体的富营养化会引发藻类大量繁殖,消耗水中的溶解氧,导致鱼贝类大量死亡;其中有害藻类如赤潮异弯藻,产生的毒素会通过食物链对人体造成伤害,进而引发食品安全问题。
本文针对水体中存在的主要问题氮磷过量、藻类过量繁殖等问题,以壳聚糖为材料,制备出一系列壳聚糖树脂,为治理养殖水体水质提供新途径。
1)壳聚糖树脂的孔洞少、脆性大、粒径小等缺点限制了其工业化应用。PEG2000可以较好地增加壳聚糖树脂的孔洞;通过IPN网络共混技术,将壳聚糖与聚乙烯醇共混,制备了壳聚糖-聚乙烯醇共混树脂(CPR),该树脂具有较好的机械性能。CPR的最优制备条件为:壳聚糖与聚乙烯醇共混比为5:2,戊二醛用量为10 ml/100ml,PEG2000添加量为1.2％。FTIR分析表明,壳聚糖与聚乙烯醇之间形成了典型的IPN网络结构。壳聚糖与其它吸附剂共混可以制备粒径较大的树脂微球。以硅藻土为例,当壳聚糖、聚乙烯醇、硅藻土三者质量比为5:2:2时,40目以上树脂的质量比重达到88.82％,粒径明显增大。
2)水体中的氮主要来源于蛋白质,为提高壳聚糖树脂对蛋白质的吸附能力,采用Mannich反应和活化偶联反应,制备了壳聚糖固化单宁树脂(TICR)和壳聚糖-Ce4+固化单宁树脂(TCCR),并优化了制备条件。研究了时间、BSA初始浓度、pH、温度对TICR和TCCR吸附BSA的影响。吸附初始阶段,随着时间的延长,吸附量迅速增加,300 min时达到吸附平衡;随着BSA初始浓度的增加,平衡吸附量不断增加,当树脂吸附位点达到饱和时,增加浓度对平衡吸附量影响不大;pH为6.0时,吸附量最高;温度升高有利于吸附的进行,但影响不明显。
TICR对BSA的吸附等温线符合Langmuir吸附模型,为优惠吸附。吸刚是熵推动的自发吸热过程,升温有利于吸附。吸附属于二级动力学吸附,TICR对BSA的吸附过程由粒子内扩散和液膜扩散联合控制,以粒子内扩散为主。
3)用金属配位分子印迹法制备了壳聚糖-La(Ⅲ)-印迹磷树脂(CLPR),CLPR平均粒径为粒径300μm。树脂的吸附效果与磷溶液的初始浓度、吸附时间、pH吸附温度有关:随着初始浓度的增加,吸附量不断增加,当吸附达到饱和时,增加浓度对吸附量无显著影响;pH对吸附量影响较大,在酸性条件下,吸附容量大,碱性条件下,吸附量大大降低;温度升高有利于吸附的进行,但对吸附量的影响不明显;吸附初始阶段,随着时间的延长,吸附量迅速增加,60 min后吸附达到平衡。
CLPR对磷的吸附等温线符合Langmuir吸和Frendlich附模型,为优惠吸附。吸附属于二级动力学吸附,CLPR对磷的吸附过程由表面扩散和颗粒内扩散联合控制。用KOH再生后,连续使用7次,CLPR仍具有很好的吸附性能
4)制备了壳聚糖-稀土-皂土复合树脂颗粒(CRB),研究其对有害藻赤潮异弯藻细胞的作用机理。结果显示,在低浓度(0.1、0.3 g/L)时,藻细胞可溶性糖含量随处理时间的延长而不断增加。原因是当藻细胞受到损害时,为维持细胞的正常生理功能,细胞出现应急反应,可溶性糖作为细胞的内容物含量增加。高浓度(0.5、0.7、0.9g/L)时,细胞受损严重,自身机能得不到恢复,导致可溶性糖含量降低。蛋白质含量的变化与可溶糖相似。在同一浓度下,赤潮异弯藻细胞中MDA含量随着处理时间的延长而不断增加,相同处理时间时,CRB浓度越高,藻细胞中MDA含量也越高。MDA含量与电导率呈正相关。
对藻细胞抗氧化系统的研究发现:在低浓度处理初期,藻细胞具有较强的自我保护能力,体内出现应急反应,SOD、POD和CAT三者均表现为增加,其中POD起到主要抵御作用;但随着浓度和作用时间的增加,细胞自身的防御系统不能抵抗外来的侵害,藻细胞受损,功能下降,相应的酶活也下降,直至细胞死亡。
CRB对有益藻海水小球藻同样具有抑杀作用,当浓度为0.1 g/L时,连续培养5d后,细胞数量仅为初始细胞数的16％。
壳聚糖树脂;水产养殖;水体治理;富营养化;金属配位分子印迹法;吸附性能
中国海洋大学
博士
食品科学
汪东风
2011
中文
TQ324.8
161
2011-10-31（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）