本作品以来源固废物虾蟹壳的壳聚糖为原料，合成了羟丙基壳聚糖、O-羧甲基壳聚糖、O-羧甲基壳聚糖季铵盐三种壳聚糖衍生物，并采用离子凝胶法制备成纳米微粒，探讨了pH、Ni2+起始浓度、纳米粒径、吸附剂用量、耐酸性能和解吸附性能等对三种壳聚糖基纳米微粒吸附Ni2+的影响，结果表明壳聚糖基纳米微粒具有许多优良特性，这将有助于在废水治理中的应用，为制备成具有耐酸和再生的新型绿色吸附剂奠定基础。

以壳聚糖为原料，合成了三种壳聚糖衍生物，并通过离子凝胶法将其制备成纳米微粒，分别研究了它们对Ni2+的吸附性能。考察了pH、Ni2+起始离子浓度、吸附时间、纳米粒径、吸附剂用量等因素对纳米壳聚糖基吸附剂吸附Ni2+效果的影响，并比较了制备成纳米吸附剂前后对Ni2+的吸附性能的差异。然后通过XRD对吸附剂吸附Ni2+前后结构形态的变化进行了表征和分析。最后研究了三种壳聚糖基纳米吸附剂的耐酸性能和解吸附性能。结果发现纳米壳聚糖基吸附剂具有非常高的吸附容量，纳米吸附剂能表现出许多优良特性。主要结论如下：
（1）将环氧丙烷与壳聚糖进行反应，制备了取代度为0.732的羟丙基壳聚糖。当HCS溶液的浓度在0.8～2.0 mg/mL范围，TPP的浓度在0.4～1.0mg/mL范围时均可以生成HCS纳米粒。初始HCS和TPP的浓度对纳米粒粒径有影响。HCS浓度从0.8 mg/mL增加到2.0 mg/mL，纳米粒粒径从150 nm左右增加到300 nm左右。TPP浓度从0.8 mg/mL增加到1.0 mg/mL，粒径减小了约50 nm。粒度分析结果表明其粒度分布比较窄，粒径主要分布在200～300nm；透射电镜观察显示该纳米粒呈球状，形状规整。HCS纳米粒对Ni2+吸附性能研究表明：HCS纳米粒吸附Ni2+的最适pH为6.0～7.0，此时吸附速率最快，仅需1h达到吸附平衡，吸附容量也最大。粒径较小的纳米微粒对Ni2+的吸附量要大于粒径较大的吸附量，这表明比面积越大，裸露在表面的官能团就能更充分的和Ni2+发生络合作用，与金属离子的配位作用点也就越多，从而吸附量越大。XRD显示HCS纳米粒能较HCS吸附更多的Ni2+，且吸附得更加牢固，并对形成的新晶形HCS-Ni(Ⅱ)有显著贡献。对Ni2+的解吸附实验表明：脱附能力H2SO4> HCl> HNO3>EDTA；使用H2SO4，脱附时间只需0.5h便能达到85%以上的脱附率，而且重现性较好。
（2）将壳聚糖与氯乙酸反应制备了取代度为0.712的O-羧甲基壳聚糖。当O-CMCS溶液的浓度为0.4～1.6mg/mL，TPP的浓度为0.1mg/mL或O-CMCS溶液的浓度为1.0 mg/mL，TPP的浓度为0.1～0.4 mg/mL时均可以生成O-CMCS纳米粒。粒度分析表明其粒径主要分布在370～710nm；透射电镜观察显示该纳米粒呈球状，形状规整。O-CMCS纳米粒对Ni2+的吸附研究表明：pH为8时，最有利于O-CMCS纳米粒对Ni2+溶液的吸附，吸附达到平衡的时间为0.5 h，此时吸附容量最大。O-CMCS纳米粒对一定溶度的Ni2+溶液具有很大的吸附率，即对Ni2+的去除率显著高于用HCS纳米粒。取代度越高，粒径越小，越有利于吸附。XRD分析显示O-CMCS纳米粒能较O-CMCS吸附更多的Ni2+，且吸附得更加牢固，并对形成的新晶形O-CMCS-Ni(Ⅱ)有显著贡献。通过对O-CMCS纳米粒脱附研究，发现四种脱附剂的脱附能力H2SO4＞HCl＞HNO3＞EDTA，结果显示H2SO4是一种很好的脱附剂，能在 0.5 h 内将吸附在O-CMCS纳米粒表面上的Ni2+脱去90%以上。
（3）以3－氯－2－羟丙基三甲基氯化铵为季铵阳离子化试剂和制备的取代度为0.712的O-CMCS进行反应，合成了季铵盐取代度为0.563的O-羧甲基壳聚糖季铵盐。当O-CMHACC浓度为0.4～2.5mg/mL，TPP浓度为0.4～1.0 mg/mL时，或TPP浓度为1.5 mg/mL，O-CMHACC浓度为0.8～1.5 mg/mL时均可生成O-CMHACC纳米粒。粒度分析表明粒径主要分布在400～900nm。O-CMHACC纳米粒的吸附研究表明：pH为8时，最有利于O-CMHACC纳米粒对Ni2+溶液的吸附，吸附达到平衡的时间为1h。粒径较小的O-CMHACC纳米粒与金属离子的配位作用点更多，从而吸附容量更大。XRD分析结果表明：Ni2+在O-CMHACC中的吸附、配位可以渗透进O-CMHACC的晶区，并使其晶区结构发生变化，O-CMHACC纳米粒较O-CMHACC能吸附更多的Ni2+，渗透进O-CMHACC晶区的Ni2+也更多。对O-CMHACC及其纳米粒脱附研究发现：H2SO4、HNO3、HCl、EDTA四种脱附剂的脱附能力为HCl＞H2SO4＞HNO3＞EDTA，吸附剂O-CMHACC的脱附效率较高，制备成纳米粒后还得到了一定提高，脱附速度也更快，这与纳米吸附剂比表面积大所表现出的特性有关。
（4）在质量相同、粒径相同、取代度近似的条件下，对比三种纳米吸附剂对Ni2+的吸附性能发现：O-CMCS纳米粒吸附性能明显优于HCS纳米粒，而二次改性后的产物O-CMHACC纳米粒对Ni2+的吸附性能只较O-CMCS纳米粒略有提高，不过耐酸性却得到了明显提高。

第十二届“挑战杯”作品 三等奖
2011年5月荣获第十二届“挑战杯”中国大学生课外学术科技作品竞赛江西赛区二等奖。