可膨胀壳聚糖泡沫的制备及其在去除水中铜离子中的应用

本方案可实现对甲壳素这一大量废弃物的新型物理转化，而甲壳素通常以难以处理著称。该技术的主要优势在于加工方法简单，无需使用特殊材料。

仅需化学实验室中常见的基本设备即可。我们以壳聚糖为例演示了该方法，但此技术可经修改后用于制备其他可形成凝胶的聚合物及生物聚合物的膨胀版本。本技术的最简版本即如演示所示进行操作。

耐心至关重要。凝胶化速率会随着每日和季节性湿度变化而改变。在制备膨胀甲壳素前一天，将至少1.2克甲壳素碎片置于80摄氏度烘箱中干燥24小时。

次日早晨，在通风橱内佩戴耐化学腐蚀手套和护目镜，将15克氯化锂加入含有285克D-MAc的500毫升锥形瓶中，锥形瓶内另置一个50毫升聚四氟乙烯（PTFE）涂层磁力搅拌子。用橡胶塞将锥形瓶密封后置于加热搅拌器上。通过橡胶塞将温度探针插入混合物中，在80摄氏度下以每分钟400转的速度搅拌约4小时。

当所有氯化锂完全溶解后，将1克烘箱干燥的甲壳素碎片加入5%氯化锂D-MAc溶液中。然后将所得溶液转移至一个含有50毫升聚四氟乙烯（PTFE）内衬磁力搅拌子的500毫升圆底烧瓶中。将带有橡胶隔垫的烧瓶盖置于搅拌加热块上。

用针头刺穿隔膜，使烧瓶通气，然后在80摄氏度下加热溶液，同时以每分钟400转的速度搅拌24至48小时。当所有几丁质完全溶解后，将所得的几丁质溶胶-凝胶在搅拌下冷却至室温，约1小时。待溶液达到室温后，将烧瓶置于冰浴中，继续搅拌约20分钟，直至温度稳定。

在通风橱中，佩戴耐化学腐蚀手套和护目镜，将约1克从矿物油储存中取出的氢化钠用正己烷洗涤3次，每次使用10毫升，以制备100毫升氢化钠与D-MAc的浆液。

向一个洁净的 250 毫升锥形瓶中加入 0.82 克洗涤过的氢化钠，该锥形瓶内含有 100 毫升 D-MAc 和一个聚四氟乙烯磁力搅拌子，旋转混合物以制备氢化钠 D-MAc 悬浮液。为形成甲壳素凝胶，将全部体积的氢化钠悬浮液加入已冷却的溶胶-凝胶中，同时剧烈搅拌凝胶溶液。然后盖上瓶盖，在 400 转/分钟的条件下继续搅拌混合物，直至形成凝胶。

凝胶形成后，在通风橱中向烧瓶内加入 100 毫升去离子水，并将膨胀的壳聚糖泡沫从烧瓶中取出，必要时将泡沫破碎成小块。将泡沫置于一个足够大的结晶皿中，同时加入 1000 毫升去离子水。用 500 毫升去离子水洗涤分离的凝胶 3 次，每次洗涤后，再将凝胶依次浸泡于 1000 毫升去离子水、500 毫升甲醇和 1000 毫升新鲜去离子水中，每次浸泡 24 小时。

最后一次去离子水洗涤后，让凝胶在空气中干燥24至48小时。随后可将凝胶置于85摄氏度的烘箱中，在常压空气中干燥48小时，或使用冷冻干燥机在-43摄氏度和0.024毫巴压力下干燥48小时。当形成固体甲壳素泡沫后，使用研钵和研杵将泡沫研磨成细粉。

干燥前，揉捏后的甲壳素碎片呈现类似砂芯的外观。干燥后，无论采用何种方法，膨胀后的甲壳素形态均类似于爆米花颗粒。扫描电子显微照片显示，揉捏后的甲壳素为致密的紧凑结构，而膨胀后的甲壳素则类似褶皱纸或起皱的片状结构。

在X射线衍射研究中，揉捏后的壳聚糖在19.3度处显示出一个对应于其晶面的强峰，该峰在烘烤或冷冻干燥后强度降低，表明干燥过程改变了壳聚糖的结晶度指数。

通过氮气物理吸附等温线测定比表面积，结果显示膨胀泡沫的吸附体积最大，证实了这些样品具有更加开放和多孔的结构。尽管形态发生了变化，但膨胀过程似乎并未影响壳聚糖的化学结构。

如这些典型的红外光谱图所示。热重分析后也观察到类似现象。三种样品的热分解起始温度均为260摄氏度，但由于甲壳素薄片具有更致密的形态结构，其最大分解速率出现在更高的温度。

比表面积的增加伴随着壳聚糖对铜的最大吸附量预期上升。然而，当将铜吸附量按表面积进行归一化处理后，这些吸附差异便不再存在。需要牢记的是，D-MAc 和 NAH 是危险化学品，必须小心操作。

始终在通风橱中操作，并穿戴适当的个人防护装备。我们测得的有限氮气吸附等温线只能提供比表面积数据。完整的氮气吸附等温线可提供孔隙度信息，这对于判断材料在尺寸选择性应用中的实用性至关重要。