朱勇，谢新玲,2，张友全*,2,黄思宇，蓝艺灵

(1.广西大学 化学化工学院， 广西 南宁 530004；2.广西石化资源加工及过程强化技术重点实验室， 广西 南宁 530004)

0 引言

淀粉是一种天然、可再生、可生物降解的多羟基化合物[1]，但天然淀粉比表面积小、活性位点少、不带电荷等缺点。因此，为了解决这些不足将淀粉改性，改善或赋予淀粉新的特性和功能，研究人员增加淀粉颗粒的比表面积、引入官能团增加更多的吸附活性位点，以提高改性淀粉对含有化学物质的印染废水处理能力[2-3]。近年来，因纳米淀粉具有粒径小和比表面积大等优点而受到广泛关注[4-6]。广义的纳米淀粉通常指粒径在10～1 000 nm的淀粉颗粒，纳米淀粉分为淀粉纳米晶和纳米淀粉颗粒[7]。淀粉纳米晶主要是通过酸水解法得到，纳米淀粉颗粒可通过机械法[8-10]、沉降法[11-12]、反相微乳法[13-14]制备。研究发现通过酸水解得到的淀粉纳米颗粒结晶度高，不利于染料分子进入淀粉纳米颗粒内部[15]，如CHANG等[16]通过脱支淀粉重结晶法和羧甲基化制备了阴离子淀粉纳米颗粒，该纳米淀粉结晶度为30.4%，其对MB的吸附量为21.1 mg/g。而孙锦等[17]利用乙醇沉淀法制备了电位为-23 mV的P-SNPs，但是其在水中溶解度高达78%[18]，不利于后期淀粉纳米颗粒与母液分离。经反相微乳液制备的纳米淀粉即可引入阴离子，也可解决结晶度高、水中溶度大等问题。本文通过酸水解及W/O微乳液交联技术制备木薯淀粉纳米颗粒(P-SNPs)，其中交联剂三氯氧磷与淀粉羟基反应后的磷酸二酯为P-SNPs提供了阴离子(-PONa)。实验过程中木薯淀粉首先经酸水解制备成粘度和分子量比较低的酸降解淀粉，然后在W/O微乳液中与交联剂三氯氧磷进行交联反应制备P-SNPs，探讨了交联剂用量对P-SNPs粒径和介质pH值对P-SNPs产品Zeta电位的影响，利用纳米粒度分析仪、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和N2吸附-脱附分析仪，表征P-SNPs的粒径形貌、结晶度和孔结构，并考察了P-SNPs对亚甲基蓝(MB)的吸附性能及其重复使用性。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料与试剂

木薯淀粉(食品级别，广西那坡县金源淀粉有限公司)；无水乙醇、浓盐酸(AR，科隆化学有限公司；C6H12，(AR，广东光华科技有限公司)；氢氧化钠，(AR，广东光华科技有限公司)；Span80、Tween60、MB、结晶紫、罗丹明B(AR，上海麦克林生化科技有限公司)；三氯氧磷，(AR，上海国药集团化学试剂有限公司)。

1.1.2 仪器与设备

数显精密增力电动搅拌器(常州普天仪器制造有限公司)；循环水式多用真空泵(上海央申科技仪器有限公司)；X射线衍射仪(DX-2700A型，日本理学公司)；N2吸附-脱附分析仪(Tristarll3020型，美国麦克公司)；扫描电子显微镜(SU8220型，日本HitachiCo)；pH计(OHAUS，奥克斯仪器有限公司)；Zeta电位粒度分析仪(Nano-ZS90X，马尔文公司)；紫外-可见分光光度计(UV759型，上海精科仪器有限公司)。

1.2 酸降解淀粉的制备

用2.2 mol/L的盐酸水溶液将木薯淀粉制成10%的木薯淀粉乳，在200 r/min、40 ℃的条件下，分别水解16 h、32 h、48 h，反应结束后，用1%氢氧化钠溶液将木薯淀粉悬浮液的pH值调节至6.0，抽滤，用蒸馏水洗涤多次至无氯离子，在60 ℃常压干燥24 h，研磨，即得酸降解淀粉。

1.3 P-SNPs的制备

采用W/O微乳液交联技术制备了P-SNPs。以C6H12为油相，Tween60和Span80作为复合表面活性剂，经酸水解48 h的酸降解淀粉为原料，三氯氧磷为交联剂。主要分4个步骤：①淀粉糊化液的制备：将酸降解淀粉配置成5%淀粉悬浮液，在95 ℃下糊化40 min，再用2 mol/L的NaOH调节pH值为12备用。②油相的配置：将10.5 g的Span80和4.5 g的Tween60分散在70 g的C6H12中，然后倒入装有机械搅拌的三口瓶中，在450 r/min、40 ℃的条件下机械搅拌混合均匀。③取10 g木薯淀粉糊为水相，在高速搅拌(1 500 r/min)下逐滴加入到油相中，继续搅拌2 h形成W/O微乳液。然后加入5%～30%(基于淀粉干基质量)作为交联剂，继续反应2 h。④反应结束后将微乳液逐滴加入到150 mL的带磁力搅拌的乙醇中破乳，将破乳后的木薯淀粉纳米颗粒悬浮液用0.45 μm的有机系滤膜抽滤，然后用乙醇和水交替洗涤至滤液无氯离子后，最后在35 ℃下真空干燥待用。

1.4 样品表征

Zeta电位分析：将样品分散于去离子水中，配成1 mg/mL的淀粉悬浮液，超声处理10 min，并通过滴加0.1 mol/L的HCl和0.1 mol/L的NaOH调节pH值(pH为3.0～11)，再用Zeta电位粒度分析仪测P-SNPS悬浮液的Zeta电位，分析pH值与Zeta电位的关系。

粒径测定：用Nano-ZS90X纳米粒度仪测定P-SNPs的平均粒径及其分布。测定前将一定量P-SNPs加入到去离子水中配置成1 mg/mL的淀粉悬浮液，超声处理10 min使P-SNPs充分分散。

X射线衍射(XRD)分析：采用DX-2700在辐射36 KV和20 mA进行XRD分析。扫描范围2°～80°，扫描步长为0.02°，扫描速度为10 °/min。

扫描电镜分析：使用SU8220扫描电镜对淀粉样品进行表征，加速电压为5 kV。取适量样品固定在样品台上，然后在真空状态下喷金30 s，最后在扫描电镜下观察。

N2吸附-脱附分析：样品在60 ℃下干燥24 h，再用氮气吸附-脱附分析仪在77 K下测定并计算样品的比表面积、孔容和平均孔径。

1.5 P-SNPs对阳离子污染物吸附性能测定

1.5.1 标准曲线的制作

配置浓度为1～10 mg/L的MB溶液，分别在665 nm处测定其吸光度[15]。然后以质量浓度为横坐标，吸光度为纵坐标，进行线性回归，得到MB的标准曲线为

A=0.068 6C+0.001 2,R2=0.999 5。

(1)

配置浓度为1～10 mg/L的罗丹明B溶液，分别在554 nm处测定其吸光度[19]。然后以质量浓度为横坐标，吸光度为纵坐标，进行线性回归，得到罗丹明B的标准曲线为

A=0.040 5C+0.000 25,R2=0.999 3。

(2)

配置浓度为1～10 mg/L的结晶紫溶液，分别在585 nm处测定其吸光度[20]。然后以质量浓度为横坐标，吸光度为纵坐标，进行线性回归，得到结晶紫的标准曲线为

A=0.040 5C+0.000 25,R2=0.999 3。

(3)

1.5.2 吸附量和吸附效率的测定

以带正电荷的MB、结晶紫和罗明丹B模拟污染物，评价P-SNPs的吸附性能。取60 mg P-SNPs分散于30 mL质量浓度为40～120 mg/L、pH值为3～11的MB溶液中，然后在30 ℃下搅拌吸附。每隔一定时间移取2 mL溶液，离心，取1 mL上清液用去离子水稀释至10 mL，采用可见分光光度计测定溶液的吸光值。最后通过标准曲线计算P-SNPs的吸附量以及吸附效率。

式中,qt为t时刻P-SNPs的吸附量，(mg/g);C0为污染物的初始溶液浓度,(mg/L);Ct为t时刻污染物浓度,(mg/L);t为吸附时间,min;V1为污染物溶液体积,mL;m1为P-SNPs的质量,g;η1为吸附效率,%;1 000为单位换算。

1.6 脱附再生能力测定

取0.50 g P-SNPs分散于250 mL质量浓度为100 mg/L、pH值为7的MB溶液中，在30 ℃下搅拌吸附，吸附达平衡后，离心烘干至恒重。在30 ℃下使用pH值为3的50 mL HCl水溶液搅拌脱附，每隔1 h置换新鲜HCl水溶液，直至溶液中MB浓度低于检测线，将几次溶液中含有的MB质量相加，即为脱附的MB质量(m3)，由公式6计算脱附率，重复吸附-脱附过程4次。

式中,m2为上次未脱附量与本次吸附量之和,mg;m3为脱附至溶液中MB的质量,mg;η2为脱附率,%。

2 结果与讨论

2.1 P-SNPs颗粒外貌和粒径分析

图1所示为木薯淀粉、酸降解淀粉和P-SNPs的扫描电镜图。

(a) 原木薯淀粉(×2.5千倍)

(b) 酸降解16 h的木薯淀粉(×2.0千倍)

(c) 酸降解32 h的木薯淀粉(×2.0千倍)

(d) 酸降解48 h的木薯淀粉(×2.0千倍)

(e) P-SNPs(×30万倍)

(f) P-SNPs(×60万倍)

由图1(a)可知，天然木薯淀粉颗粒大多呈球形，表面比较光滑，粒径大小不一，有少量破碎的颗粒。图1(b)至图1(d)显示，水解时间延长，酸降解淀粉颗粒表面被侵蚀程度增大，当水解时间达到48 h，淀粉颗粒表面相当粗糙，并且出现了许多不规则形状的细小颗粒。这是因为淀粉颗粒的不定型区的淀粉分子优先被水解而溶于水中，而淀粉颗粒结晶区的淀粉分子水解较慢，部分淀粉颗粒破碎，淀粉颗粒表面变粗糙且粒径缩小。淀粉颗粒经过长时间的酸降解，淀粉分子量也会发生较大的变化，经凝胶色谱法测定，水解48 h的数均分子量为6.60×103g/mol(木薯淀粉分子量=3.71×106g/mol)，淀粉分子量降低利于构建稳定的淀粉反相微乳液体系，从而获得颗粒规整、粒径均一的纳米淀粉[如图1(d)和图1(e)所示]。

图2所示为P-SNPs粒径分布图，P-SNPs的粒径分布在100～600 nm，其平均粒径为237 nm。实验发现，当交联剂用量低至3%时，因交联程度低，淀粉纳米颗粒在水介质中能溶解，在水介质无法检测其粒径大小。图3是交联剂三氯氧磷用量从5%增至30%对粒径的影响结果。从图3可知，交联剂增大至20%，颗粒粒径达到最小(为237 nm)，继续增大交联剂用量，颗粒粒径变化不大。这主要是因为随交联剂用量的增加，交联密度越大，颗粒内淀粉分子排列越紧密，粒径减小，而当交联剂用量增大至一定程度之后，颗粒交联达到饱和，粒径几乎不变[21]。

图2 P-SNPs粒径分布图Fig.2 Particle size distribution of P-SNPs

图3 交联剂用量对P-SNPs粒径的影响Fig.3 Effect of crosslinking agent amount on particle size of P-SNPs

2.2 P-SNPs比表面积和孔结构分析

表1为木薯淀粉和P-SNPs的比表面积、孔容和孔径测定数据，图4是P-SNPs的N2吸附-脱附等温线及孔径分布图。

由表1可见，木薯淀粉几乎不吸收N2，表明木薯淀粉是无孔或极少孔材料，而P-SNPs的比表面积高达93.61 m2/g，平均孔径为13.17 nm。图4(a)显示，在相对压力(P/P0)大于0.5时，N2吸附量随相对压力增大而增大，并表现出Ⅳ型等温线，这符合N2在P-SNPs间隙和中孔中的吸附特征[22]，表明P-SNPs中存在一些中孔。图4(b)发现，孔径大部分分布在8～30 nm，说明孔径分布较窄。这是反相微乳液交联反应过程中形成了以淀粉分子为骨架的具有立体网络结构的水相胶束粒子，胶束中的水分子作为致孔剂，干燥过程中水分子逸出后，便形成以淀粉分子为骨架的多孔类球形粒子。

表1 木薯淀粉和P-SNPs的孔结构特征参数Tab.1 Pore structure parameters of cassava and P-SNPs

(a) N2吸附-脱附等温线

(b) 孔径分布图

2.3 P-SNPs的XRD分析

图5 木薯淀粉、酸降解淀粉和P-SNPs的XRD分析结果Fig.5 XRD patterns of native cassava starch, acid-treated cassava starch, P-SNPs

图5所示为木薯淀粉、酸降解淀粉和P-SNPs的XRD分析图。如图5所示，木薯淀粉和酸降解淀粉在2θ=15°、17°、18°和23.5°处显示出强烈的衍射峰，表现出淀粉的A型晶体结构[23]，说明酸水解并没有改变木薯淀粉的晶体结构，但是其结晶度随酸水解时间的增加而增加，这也证实了酸水解更容易水解淀粉颗粒的无定型区[23]；P-SNPs在15.1°出现了一个微弱的结晶峰，结晶度仅为3.28%，P-SNPs微粒内部大部分表现为无定形特征。这是因为在加热糊化淀粉颗粒时，淀粉分子分散于水介质中形成了胶体溶液，原淀粉颗粒的结晶结构已经彻底被破坏[24]，而在交联成微胶束或后期干燥过程中，少量的淀粉分子重新定向致密排列，故其表现出比原淀粉颗粒低得多的结晶度，而非晶区占了96%左右。当P-SNPs作为吸附载体时，它的这种非晶结构以及2.2节所示的多孔性有利于吸附质分子向P-SNPs颗粒内部渗透，促进P-SNPs对吸附质的吸附[12]。

2.4 P-SNPs对MB的吸附性能分析

2.4.1 吸附时间对吸附量和吸附效率的影响

图6所示是MB吸附时间对亚甲蓝吸附量和吸附效率的影响。

由图6可知，随着吸附时间的增加，P-SNPs吸附MB吸附量和吸附效率增加，在45 min后趋于平衡，吸附量达到109.24 mg/g。吸附过程分为两段：第一阶段为快速吸附阶段(0～20 min)；第二阶段为缓慢吸附阶段(20～45 min)。吸附刚开始时，溶液中MB含量较高，吸附驱动力较大；另一方面，P-SNPs上的活性位点被占用少，吸附速率较快。但是随着吸附时间延长，溶液中MB含量降低和P-SNPs的吸附位点被大量占用，吸附速率降低，直至达到动态平衡。

2.4.2 MB初始浓度对吸附量和吸附效率的影响

图7所示是MB初始浓度对吸附量和吸附效率的影响。由图7可知，MB初始浓度从40 mg/L增加到100 mg/L，平衡吸附量从53.85 mg/g上升到105.94 mg/g。这是因为MB初始浓度增加，吸附推动力(C-Ce)比较大，MB分子更容易接触到活性位点而被吸附。但当MB初始浓度从100 mg/L到120 mg/L时，增加速度明显减慢。因为当MB到达一定浓度后，P-SNPs上面的活性位点几乎达到饱和，此后MB初始浓度的增加对P-SNPs吸附量影响不大，而吸附效率却明显降低。

图6 MB吸附时间对吸附量和吸附效率的影响Fig.6 Effect of adsorption time on adsorption capacity and efficiency of MB

图7 MB初始浓度对MB吸附量和吸附效率的影响Fig.7 Effect of MB concentration on the adsorption capacity and efficiency of MB

2.4.3 介质pH值对吸附量和吸附效率的影响

图8所示是介质pH值对MB吸附量及吸附效率的影响。图9所示为介质pH值对P-SNPs的Zeta电位的影响，如图8所示，P-SNPs对MB的吸附量和吸附效率随介质pH值的上升呈上升趋势。这是因为介质pH值越大，P-SNPs中的磷酸二酯去质子化程度越高，导致P-SNPs上带的负电荷增加，Zeta电位降低(图9)，促使静电吸附力增加，带正电荷的MB更容易吸附在带负电的P-SNPs载体中。

图8 介质pH值对MB吸附量及吸附效率的影响Fig.8 Effect of pH value on adsorption capacity and

图9 介质pH值对P-SNPs的Zeta电位的影响Fig.9 Effect of pH value on Zeta potential of P-SNPs efficiency of MB

2.5 P-SNPs吸附MB的动力学

2.5.1 吸附等温方程

以Langmuir(式7)及Freundlich(式8)吸附等温方程对MB初始浓度为40、60、80、100、120 mg/L的平衡吸附量进行拟合，拟合结果如图10所示，P-SNPs吸附MB的等温吸附参数见表2。

式中,qe为平衡吸附量，(mg/g)；Ce为平衡浓度，(mg/L)；qm为最大吸附量，(mg/g)；KL为Langmuir吸附系数；Kf为Freundlich吸附系数；n为P-SNPs与MB结合相关系数。

(a) Langmuir

(b) Freundlich

表2 P-SNPs吸附MB的等温吸附参数Tab.2 Adsorption isothermal equation coefficients of adsorption of MB by P-SNPs

由图10和表2可知，Langmuir吸附等温方程的拟合结果的R2系数大于Freundlich吸附等温方程的拟合的R2系数，表明P-SNPs对吸附MB的吸附过程更符合Langmuir吸附等温方程，该吸附过程主要是单分子层吸附[26]。

2.5.2 吸附动力学

利用准一级动力学模型(式9)和准二级动力学模型(式10)分别对MB初始浓度为100 mg/L在一定时间间隔的吸附量进行拟合，P-SNPs吸附MB动力学拟合曲线如图11所示，准一级和准二级吸附动力学方程拟合的k、qe及R2参数值见表3。

(a) 准一级吸附动力学拟合

(b) 准二级吸附动力学拟合

表3 准一级和准二级吸附动力学方程拟合的k、qe及R2参数值Tab.3 Effects of different adsorption equation fitting on k, qe, and R2

ln(qe-qt)=lnqe-k1t，

(9)

式中,qe为平衡吸附量，(mg/g)；qt为t时刻的吸附量，(mg/g)；k1为准二级吸附速率常数，(1/min)；t为吸附时间，min。

从图11和表3可知，P-SNPs对MB吸附的准二级动力学模型的相关系数(R2)接近1，因此P-SNPs对MB吸附过程符合准二级动力学模型。这表明化学吸附在整个吸附过程中的起着关键性的作用[27]，多数MB与P-SNPs上是通过离子化学键结合的。

2.6 P-SNPs吸附MB再生能力评价

再生次数对MB吸附量和脱附率的影响见表4。

表4 再生次数对MB吸附量和脱附率的影响Tab.4 Effect of regeneration times on adsorption capacity and desorption rate of MB

图12 P-SNPs对结晶紫和罗丹明B的吸附结果Fig.12 Adsorption results of crystal violet and rhodamine B by P-SNPs

由表4可知，脱附再生时，MB不能完全脱附，第1次脱附率为83.32%；随着脱附-吸附循环次数增多，脱附率稍有降低、未脱附量稍有增大。这是因为部分MB分子在吸附过程中渗透到P-SNPs内部，结合紧密，导致不能完全脱附。从表4还发现，P-SNPs循环使用至第4次时，其对MB的吸附量依然可达77.12 mg/g，吸附总量维持在100 mg/g左右，由此说明P-SNPs具有较好的再生能力，可重复使用。

2.7 P-SNPs对其他阳离子染料的吸附

图12是P-SNPs对结晶紫和罗丹明B的吸附结果。比较图6和图12可知，阳离子染料种类不同，P-SNPs对染料的吸附有较大的差异。P-SNPs对MB的平衡吸附量为109.24 mg/g、对结晶紫为98.32 mg/g、对罗明丹B为83.63 mg/g。吸附量随阳离子染料分子量的增大而减小，说明P-SNPs吸附阳离子染料具有尺寸效应[25]。

3 结论

① 以木薯淀粉为原材料，通过酸水解、W/O微乳液交联法成功制备了P-SNPs。在交联剂用量为20%时SEM显示P-SNP呈类球形、颗粒规整，比表面积为93.62 m2/g、粒径分布在100～600 nm，平均粒径为237 nm。P-SNPs颗粒大部分由非晶结构构成，结晶度低至3.29%。

② 将MB为模拟阳离子污染物，对P-SNPs的吸附性能进行研究，表明MB初始浓度、介质pH值和吸附时间显著影响MB的吸附量和吸附效率。在适当条件下P-SNPs对MB的吸附量和吸附效率分别可达103.72 mg/g、86.43%。P-SNPs对MB的吸附结果符合Langmuir等温吸附模型和准二级吸附动力学模型，表明P-SNPs对MB的吸附过程主要是单分子层吸附，而多数MB分子与P-SNPs之间的吸附是化学吸附。P-SNPs吸附-脱附循环实验结果说明，P-SNPs具有较好的再生能力，可重复使用，使用第4次对MB的吸附量依然可达77.12 mg/g。

③ P-SNPs对其他类型的阳离子染料也有较好的吸附效果，其对结晶紫和罗明丹B的平衡吸附量分别可达98.32 mg/g和83.63 mg/g。