磁性分子印迹纳米复合体系用于食品包装重金属吸附的研究

【摘要】纸质食品包装具有成本低、透气性好、耐磨损、便于携带等优点而被广泛使用。但在纸质食品包装的制作过程中,会通过原材料和油墨等途径附带大量重金属,从而引发食品安全性问题。重金属的摄入对人体有很大的危害,严重影响了人们的身体健康。随着国家对食品安全监控的严格,采用合适的方法去除纸质食品包装里的重金属也应受到重视。分子印迹技术的发展,在重金属吸附领域的应用越来越广泛。而磁性纳米材料与分子印迹技术相结合所制备出的磁性印迹聚合物,不仅对重金属有较强的吸附能力,还能回收循环利用。本文首先研究了在Pb(Ⅱ)离子磁性印迹聚合物制备的过程中各因素的影响,其中Pb(Ⅱ)离子印迹含量、壳聚糖的用量、交联时间、交联剂的用量和Fe304纳米粒子的用量是影响其吸附性能的主要因素。Fe304纳米粒子的用量、Pb(Ⅱ)离子印迹含量和交联剂的用量对吸附性能的影响尤为显著。根据Box-Behnken设计实验,探究Fe304用量、Pb(Ⅱ)离子印迹含量、交联剂用量三个自变量对吸附容量的影响。交联剂的用量和Pb(Ⅱ)离子印迹含量对吸附性能具有显著影响。三因素之间也存在一定的交互作用,其中Fe304用量与Pb(Ⅱ)离子印迹含量,Pb(Ⅱ)离子印迹含量与交联剂用量之间的交互作用对吸附性能具有显著影响。磁性印迹聚合物最优的制备条件为Fe304用量为0.50g,Pb(II)离子印迹含量为0.41mmol,交联剂用量为0.55mL,其他条件为壳聚糖用量0.2g,在60℃水浴下均匀搅拌交联反应4h。对合成的吸附材料做了一系列表征实验,由透射电镜照片表明,M-MIP平均粒径约为40nm左右,与Fe304粒子相比粒径增大,可能是壳聚糖包覆到Fe304粒子表面所致。对Fe3O4纳米粒子、壳聚糖和磁性印迹聚合物进行了红外图谱分析,推断出环氧氯丙烷参与了交联反应,且Fe304纳米粒子已被包埋到了聚合物中。通过X射线衍射推断出磁性印迹聚合物的制备过程中并未改变Fe304的晶型,进一步证明磁性印迹聚合物中含有Fe304纳米粒子。然后对制备的Pb(Ⅱ)离子磁性印迹聚合物进行了吸附性能研究。研究表明,Pb(Ⅱ)离子磁性印迹聚合物具有很高的吸附容量达到38.01mg/g。M-MIP的吸附速率较快,200min左右即达到吸附平衡,由假一级动力学和假二级动力学的模拟结果可知,假二级动力学模型所拟合出的平衡吸附容量q(34.84mg/g)更接近实验值qm(33.15mg/g),相关系数R2达到0.9988,说明M-MIP对Pb(Ⅱ)离子的吸附过程能用假二级动力学模型来说明,并且吸附过程属于化学吸附。从Langmuir和Fredunlich两种吸附等温模型所模拟的结果表明,实验数据与Langmuir模型得到的计算结果更相近,其吸附机理属于单分子层的吸附。选择性吸附实验表明,在与其他金属离子的混合溶液中,M-MIP对Pb(Ⅱ)离子具有较强的选择性吸附能力高于其他离子,其选择性系数K’在Pb(Ⅱ)/Cu(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)体系中分别为2.86和3.01,完全可用于吸附的选择性富集分离。同时可以重复多次使用,重复使用五次时吸附容量为原来的92.43%,没有明显下降,经济应用价值较高。通过对纸质食品包装样品进行前处理后进行吸附分离实验,对三种包装中Pb(Ⅱ)离子吸附率分别为95.2%、97.6%和99.3%,表明M-MIP能有效用于纸质食品包装中Pb(Ⅱ)离子的吸附分离。最后制备了Cd(Ⅱ)离子磁性印迹聚合物并研究了其吸附性能。实验表明,调节溶液的pH为7时,最有利于M-MIP对Cd(Ⅱ)离子的吸附。当反应时间为80min时,吸附容量为25.33mg/g,体系达到吸附平衡。选择性吸附实验表明,M-MIP对Cd(Ⅱ)离子具有特异性吸附,M-MIP对Cd(Ⅱ)/Cu(Ⅱ),Cd(Ⅱ)/Zn(Ⅱ)的相对选择系数K’分别为2.53和2.36,相比M-NIP起到了很好的印迹效果,能实现对Cd(Ⅱ)的选择性分离。M-MIP使用5次以后,对Cd(Ⅱ)离子吸附容量为第一次吸附容量的90.35%,质量为最初投加量的87.30%,这表明Cd(Ⅱ)-M-MIP具有很好的实用性和重复使用性。通过对纸质食品包装样品进行前处理后进行吸附分离实验,对包装样品中的Cd(Ⅱ)离子的吸附率均大于90%,表明M-MIP对于纸质食品包装中Cd(Ⅱ)离子的吸附分离能起到很好的应用效果。
【作者】郑磊；
【导师】李忠海；
【作者基本信息】中南林业科技大学，食品科学，2014，硕士
【关键词】食品纸质包装；重金属；磁性印迹聚合物；吸附；

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