2023年5月25日，南京財經(jīng)大學食品科學與工程學院吳思邈、陸繼來（通訊作者）在國際TOP期刊International journal of biological macromolecules（Q1，IF: 8.025）發(fā)表題為“Adsorptive performance and mechanism exploration of l-lysine functionalized celluloses for enhanced removal of Pb(II) from aqueous medium”的研究性論文。
纖維素（C6H10O5）是最豐富的天然和可再生聚合物，具備比表面積大、優(yōu)越的吸附能力和結(jié)合親和力等特點，其高分子結(jié)構(gòu)上存在大量的羥基可作為活性位點，為表面化學改性提供了可能性。 L-賴氨酸是人類和哺乳動物的必需氨基酸之一，不存在巰基等有異味和安全隱患的官能團，具備的大量氨基與羧基兩種官能團均是常用于重金屬吸附的常用基團，且分子量適中。 兩者的結(jié)合可以產(chǎn)生“1 + 1 > 2”的效果，L-賴氨酸的接枝提供了豐富的功能性官能團，從而改善了纖維素（微晶纖維素MCC、納米纖維素纖維CNF）的親水性和吸附性能，纖維素作為骨架使氨基酸規(guī)整排布在表面，從而放大了氨基酸的抗菌活性，使得纖維素的氨基酸衍生物具備親水性和高吸附能力。
本文選用高碘酸鈉NaIO4氧化活化MCC后利用還原胺化反應接枝L-賴氨酸成功制得L-PCM，選用TEMPO氧化體系活化CNF維素后利用縮合反應接枝L賴氨酸成功制得L-TCF，并深入分析了吸附機理。研究具體考察了兩種吸附劑材料的微觀結(jié)構(gòu)、表面管能團與元素分析及對Pb(II)離子的吸附劑機理。得益于兩種材料的結(jié)合，兩種吸附劑的吸附位點大大增多，Zeta電位和比表面積大大提高，并通過靜電吸引、離子交換和絡(luò)合作用有效地吸附了水溶液中的Pb(II)離子。本研究的結(jié)果表明，L-賴氨酸功能化纖維素基吸附劑在從水溶液中去除Pb(II)離子領(lǐng)域具有很大的潛力。
研究亮點
以纖維素為基質(zhì)，綠色、無毒害的賴氨酸為單體，通過自由基聚合反應成功制得L-賴氨酸功能化纖維素基吸附劑，研究了L-PCM和L-TCF對水溶液Pb(II)的吸附性能，探究了其吸附機理。
研究結(jié)論
L-賴氨酸功能化纖維素基吸附劑Pb(II)的吸附動力學和等溫吸附線分別符合準一級模型和Freundlich模型，吸附過程為化學吸附和多層非均質(zhì)的自發(fā)放熱過程，吸附機理主要是Pb(II)與-COOH基團間的靜電吸引和離子交換作用、Pb(II)和鉛的配合物與-NH2的絡(luò)合作用。
圖文賞析
圖1 兩種氧化活化方法制備L-賴氨酸功能化纖維素基吸附劑的示意圖
圖2 不同改性方法對纖維素基吸附劑去除Pb(II)的影響：（A）吸附效率，（B）吸附容量
圖3 不同放大倍數(shù)下吸附劑的SEM；5k：（A）MCC，（B）L-PCM，（C）CNF，（D）L-TCF；5w：（E）MCC，（F）L-PCM，（G）CNF，（H）L-TCF。（I）L-PCM，（J）L-TCF的EDS能譜；XPS譜圖：（K）L-PCM全譜圖，（L）L-PCM N1s掃描圖，（M）L-TCF全譜圖，（N）L-TCF N1s掃描圖。
圖4 吸附劑的紅外光譜：（A）MCC和L-PCM，（B）CNF和L-TCF；L-PCM和L-TCF的核磁共振光譜：（C）13C，（D）1H；吸附劑的性質(zhì)：（E）Zeta電位；（F）MCC和L-PCM的XRD圖譜；（G）CNF和L-TCF的XRD圖譜
圖5 對Pb(II)吸附效率和吸附容量的影響。吸附劑用量：（A）L-PCM，（B）L-TCF；Pb(II)初始濃度：（C）L-PCM，（D）L-TCF；反應溫度：（E）L-PCM，（F）L-TCF；初始pH：（G）L-PCM，（H）L-TCF；溶液pH值變化：（I）L-PCM，（J）L-TCF；可回用性（K）L-PCM，（L）L-TCF
圖6 L-PCM 和L-TCF對Pb(II)的吸附行為分析：（A） 吸附時間對吸附效率的影響; 吸附動力學模型擬合：（B）準一級，（準）二級，（D）顆粒擴散模型；等溫吸附模型擬合：（E）Langmuir，（F）Freundlich
圖7 Pb(II)吸附的熱力學模型
圖8 吸附劑對Pb(II)的吸附機理圖
表1 L-PCM and L-TCF吸附Pb(II)的動力學模型參數(shù)
樣品 |
準一級動力學 |
準二級動力學 |
|
k1 (min-1) |
皮爾森系數(shù) |
qm (mg g-1) |
k2 (g mg?1 min-1) |
皮爾森系數(shù) |
qm (mg g-1) |
|
L-PCM |
0.10081 |
-0.98409 |
19.59 |
0.01247 |
0.99967 |
30.71 |
|
L-TCF |
0.12569 |
-0.94628 |
10.78 |
0.01499 |
0.99535 |
7.79 |
|
Samples |
顆粒擴散模型 |
第一階段 |
第二階段 |
kp1 |
C1 |
R2 |
kp1 |
C1 |
R2 |
L-PCM |
13.5070 |
-6.4320 |
0.9997 |
1.2029 |
21.5545 |
0.9059 |
L-TCF |
1.1834 |
-0.1262 |
0.9744 |
0.0171 |
6.2131 |
0.3916 |
表2 L-PCM and L-TCF吸附Pb(II)的等溫吸附模型參數(shù)
Samples |
Langmuir |
Freundlich |
k1 (mg-1) |
Pearson Correlation Coefficient |
qmax (mg g-1) |
k2 |
Pearson Correlation Coefficient |
1/n |
qmax (mg g-1) |
L-PCM |
0.00655 |
0.66317 |
96.71 |
0.81434 |
0.89482 |
1.11219 ± 0.22653 |
104.84 |
L-TCF |
0.00116 |
-0.07755 |
215.52 |
0.47353 |
0.96911 |
0.84061 ± 0.08733 |
10.50 |
原文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2023.124997
