废物处理中的废物利用：一种由虾壳衍生出的可压缩壳聚糖/聚乙烯亚胺气凝胶，能有效吸附模拟废水中的六价铬（Cr(VI)）和刚果红

时间：2026年1月24日

来源：Journal of Environmental Sciences

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本研究以虾壳废料为原料制备了可持续的生物基气凝胶ChP/PEI，通过环氧氯丙烷交联增强吸附性能，高效去除水体中Cr(VI)和CR染料，其吸附容量分别达329.97 mg/g和1495.31 mg/g，并验证了多孔结构对吸附的促进作用。摘要分隔符

尤索夫·A·Y·A·穆罕默德 | J·扬查尔

中欧技术学院，布尔诺技术大学，Purkyňova 656/123，布尔诺 61200，捷克共和国

引言

处理废水面临重大的环境挑战，这主要是由于纺织染色、印刷、电镀和冶金等行业产生的受污染废水量不断增加（Mahmoudi等人，2020年）。这些排放物通常含有有害物质，会污染自然水体，导致水生生态系统退化，并对植物、动物和人类健康构成严重威胁（Mohammed等人，2021年）。六价铬（Cr(VI)）是一种阴离子重金属，是水生环境中毒性最强的污染物之一；其高浓度存在可导致肺纤维化、胃肠道疾病、肾坏死和癌症（Zhao等人，2023年）。同样，CR是一种具有复杂化学结构的毒性阴离子偶氮染料，难以自然降解，对健康构成重大风险，包括致癌作用（Firmansyah等人，2025b）。为了从废水中去除这些污染物，已经开发了多种技术，包括吸附（Mohammed等人，2025年）、离子交换（Tong等人，2022年）、光催化降解/还原（Guo等人，2021年）和膜过滤（Yu等人，2019年）。其中，吸附技术因其简单性、成本效益以及吸附剂可再生性而被广泛使用。多种吸附剂已被用于去除各种污染物，如生物炭（Hassan等人，2024年）、沸石（Tufail等人，2025年）、碳纳米管（Ibrahim等人，2019年）、层状双氢氧化物（LDH）（Lin等人，2023年）、MXene（Othman等人，2022年）和金属有机框架（MOFs）（Aziz等人，2025年）。然而，这些吸附剂往往存在性能不足、分子结构复杂、制备成本高、生物降解性差和回收困难等问题。因此，迫切需要新型吸附剂，能够在考虑成本和可持续性的同时有效去除重金属和染料。

利用生物聚合物作为废水处理的吸附剂提供了一种可持续且环保的替代方案。这些天然衍生的物质可再生、经济可行且无毒，使其在环境修复中极具吸引力。值得注意的是，它们的结构简单，易于进行化学功能化，从而提高了吸附能力，成为可持续废水处理的有希望的解决方案。在各种生物聚合物来源中，虾、龙虾和螃蟹的壳废弃物特别具有潜力。这些壳的主要成分是几丁质，占其重量的大约15-40%（Amiri等人，2022年；Vidal等人，2022年）。全球每年产生的虾壳废弃物估计为600-800万吨。然而，传统的处理方法（如填埋或焚烧）由于几丁质和其他含氮有机成分的降解，会导致陆地生态毒性和温室气体排放，并造成资源浪费（Luo等人，2025年）。因此，将这种未充分利用的生物质废弃物用于提取几丁质，是一条环境和经济上都可行的途径，可以生产出成本效益高、可持续的吸附剂。

基于几丁质的潜在价值，其脱乙酰衍生物几丁聚糖（chitosan）已被广泛研究作为吸附剂。然而，其生产过程成本较高，脱乙酰化需要大量碱，并且在酸性介质中稳定性较差（Peng等人，2025年）。相比之下，基于几丁质的吸附剂具有更高的耐酸性，可以通过更高效的过程生产（Perez等人，2020年）。尽管如此，几丁质和几丁聚糖的氨基密度相对较低，限制了它们的结合亲和力和整体吸附能力。为了克服这一限制，化学功能化和引入活性分子或纳米颗粒已成为提高其吸附性能的核心策略。聚乙炔胺（PEI）是一种富含氨基的阳离子聚合物，在酸性环境中由于其质子化的氨基，能够有效地与六价铬（Cr(VI)）和CR等阴离子污染物发生静电相互作用，从而提高吸附性能（Fang等人，2025年；Mohammed等人，2023年）。

遵循可持续发展目标和高效资源利用的原则，我们通过从虾壳废弃物中回收几丁质，并通过环氧氯丙烷（ECH）介导的交联将其与PEI共价结合，制备出了一种可持续的生物基气凝胶（ChP）。这种ChP气凝胶旨在有效去除水中的六价铬（Cr(VI)离子和CR染料。我们采用了多种表征技术来分析合成气凝胶的结构、表面和化学性质。在关键实验参数下系统研究了ChP的吸附行为，包括溶液pH值、接触时间、温度、初始污染物浓度以及共存离子和有机物的存在。此外，还通过动力学、等温热力学分析以及FTIR和XPS等手段阐明了其吸附机制。

部分摘录

化学品和材料

化学品和试剂的详细信息见附录A（实验部分）。

从虾壳中提取几丁质

首先，将10克原始几丁质片在500毫升5 wt.% HCl溶液中于25°C下搅拌24小时以去除矿物质杂质。然后用Milli-Q水彻底冲洗，并在50°C的烤箱中烘干过夜。随后，在90°C下用5 wt.% NaOH溶液处理24小时以去除蛋白质。

气凝胶的表征

原始几丁质（Ch）、ChP1@1和ChP1@2气凝胶的SEM图像显示了不同的结构特征。原始几丁质气凝胶表面相对光滑、致密且无孔（图1a）。相比之下，引入PEI后结构发生了显著变化，形成了不规则的多孔网络（图1b和c）。这种结构转变增强了吸附剂与吸附物之间的活性位点和功能团的接触。

结论

本研究成功开发了一种可持续且机械性能优异的几丁质/PEI（ChP1@1）气凝胶，可用于高效去除水体系中的六价铬（Cr(VI)和刚果红（CR）。将PEI引入几丁质不仅提高了吸附能力，还形成了多孔且可压缩的结构，在298 K下，其对六价铬的吸附能力达到329.97 mg/g，对CR的吸附能力达到1495.31 mg/g。动力学模型表明，六价铬和CR的吸附遵循PSO模型。