多功能型天然高分子水处理剂的研究

马云波　李爽　王媛媛

摘  要：为提高水质，使其达到相关标准，需要采用各种不同的方法进行水处理，此项工作对于保护人类生存环境，维护自然生态平衡具有重要的现实意义。天然高分子水处理剂以其自身所具备的环境友好性，在水处理领域中显现出良好的應用前景。但是单一的功能却制约了天然高分子水处理剂的实际应用。因此，开发具有多功能型的天然高分子水处理剂尤为必要。基于此，该文就多功能型天然高分子水处理剂展开研究。

关键词：多功能型;天然高分子;水处理剂

中图分类号：TQ314        文献标志码：A

1 研究目的

天然高分子水处理剂（Natural Polymer Water Treatment Agent）简称NPWTA，这是一种具有优异性能的绿色、高效水处理剂。然而，NPWTA的功能比较单一，从而制约了其在水处理方面的应用，所以研发多功能型的NPWTA显得非常必要，如果研制成功，则可使NPWTA的应用空间进一步扩大。在水处理过程中，絮凝和抑/灭菌是较为重要的2个环节，因此可将其作为多功能型NPWTA的研发重点，开发出一种兼具絮凝和抑/灭菌双重功能的NPWTA，这是该文研究的主要目的。

壳聚糖又被称之为脱乙酰甲壳素，这是一种天然高分子物质，其不仅具有良好的絮凝效果，而且还具有抑/灭菌的功能，通过化学改性之后，能够使壳聚糖在水处理中进行应用。然而，壳聚糖的材料成本较为昂贵，如果用于水处理工艺，会导致处理费用增大，所以想要大范围推广普及过于困难，这也成为制约壳聚糖实际应用的主要因素之一。鉴于此，该文以淀粉这种价格比较低廉的材料作为研究对象，利用化学改性的方法，制备一种兼具絮凝和抑/灭菌双重功能的水处理剂。在制备过程中，以叔胺和季铵盐作为改性手段，引入阳离子基团增强静电吸引作用，以此来促进水处理效果的提升。

2 研究方法

在碱性条件下，以最为常见且价格低廉的玉米淀粉作为主要材料，醚化剂选用（3-氯-2-羟丙基）三甲基氯化铵，进行絮凝剂合成。为了能够对水体表面一些带有负电荷的污染物颗粒进行有效去除，在制备过程中加入阳离子基团，制成阳离子型醚化淀粉絮凝剂（St-CTA），随后对其絮凝与抑/灭菌性能进行研究。

2.1 实验过程

2.1.1 试剂与仪器

在该次试验中，使用的主要试剂和材料包括玉米淀粉、（3-氯-2-羟丙基）三甲基氯化铵（CTA，60 wt%水溶液）、氢氧化钠（NaOH）、稀盐酸、无水乙醇、蒸馏水以及LB培养基;仪器设备有电子天平、搅拌仪、真空干燥箱以及各种玻璃器皿。

2.1.2 制备方法

先取适量的NaOH，将其加入100 mL的蒸馏水当中，待充分溶解之后，再加入适量的玉米淀粉，在70 ℃的条件下进行碱化处理，时间控制在1 h;随后利用滴液漏斗，以缓慢的速度滴加CTA，并继续在70 ℃的条件下进行碱化反应，时间控制在2 h;向反应后的溶液内加入稀盐酸，对溶液的pH值进行调节，使其变为中性，之后在无水乙醇当中对产物进行沉淀、脆化和过滤处理，最后放入真空干燥箱内，将温度调至60 ℃进行烘干，时间控制在48 h，再进行研磨便可得到St-CTA。

2.1.3 培养大肠杆菌

用电子天平称取25 g的LB培养基，并将之溶于1.0 L的纯水当中，然后用稀盐酸对溶液的pH值进行调节，使pH达到7;再将调配好的溶液全部倒入锥形瓶当中，利用蒸汽在121 ℃的条件下进行高温灭菌，时间控制在15 min;随后在经过灭菌处理的LB培养液当中，加入少量的大肠埃希氏菌液，并在37 ℃的条件下，进行振荡培养，时间控制在12 h，进而制得大肠杆菌母液。

2.1.4 配置水样

取出适量的大肠杆菌母液进行离心沉淀，转速控制在3 000 rpm，持续时间为5 min，然后将上层的培养基全部弃掉，随后用纯水对大肠杆菌进行重新分散，使其沉淀，由此便可制得大肠杆菌悬浊液。

2.2 絮凝与抑/灭菌性能

2.2.1 絮凝

用电子天平准确称取0.1 g的絮凝剂样品，并将其加入100 mL去离子的水中，使样品在水中充分溶解，由此便可制成絮凝剂母液。随后在搅拌仪上完成烧杯试验。待整个絮凝过程结束后，用吸管对上层的清液进行吸取，为后续的分析过程做准备。

2.2.2 投加量与取代度

图1 为St-CTA 4种取代度对大肠杆菌悬浊液的絮凝性能。

图1 中St-CTA的4种取代度按1～4的顺序分别为19.6%、30.7%、35.6%和41.7%。从图中可以清楚地看到，这4种取代度对于大肠杆菌都具有良好的絮凝效果。该次实验中制备的St-CTA之所以能够获得良好的絮凝效果，与以下2个方面的原因有关，一是在制备的过程中，引入了带正电荷的CTA分子;二是St-CTA本身所具备的网捕以及架桥作用也在一定程度上增强了絮凝效果。在St-CTA投加量不断增大后，水体中大肠杆菌的去除率在较短的时间内达到停滞期，St-CTA4的取代度最高，其投加量最小，之后继续增大投加量，去除率随之下降。

2.2.3 絮凝机理

为了能够获悉St-CTA在大肠杆菌处理中的具体絮凝机理，采用Zeta电位测试的方法，对大肠杆菌试样进行测定。通过对相关文献进行查阅后得知，当絮凝剂达到最佳投加量时，如果测得的Zeta电位无限接近于0，说明在絮凝阶段，电中和作用所占的比重较大，如果测得电位为负值，则表明在絮凝过程中，电荷碎片机理所占的比重较大。在该次实验中，当投加量为1.0 mg/L时，测得的Zeta电位最接近0，可将该投加量确定为最佳投加量，在该投加量下，可以达到最佳的絮凝效果。

2.2.4 抑/灭菌性能

通过查阅大量相关的文献后得知，季铵盐类化合物对于细菌具有良好的灭杀效果，具体的作用机理是渗透、扩散及电荷吸引。该次实验中制备的St-CTA当中含季铵基团，并且数量相对较大，下面对其抑/灭菌性能进行分析验证。图2为絮凝前后扫描电镜情况。

从图2中可以非常清楚地看到，经过St-CTA絮凝处理之后，大肠杆菌细胞壁的完整性遭到了破坏，由此表明，该次制备的St-CTA除了具有良好的絮凝效果之外，还兼具抑/灭菌的功效，可作为多功能型水处理剂使用。之所以能够达到抑/灭菌的效果，主要是因為在制备的过程中，引入阳离子季铵基团，通过电荷的作用，可对水体当中的大肠杆菌进行有效地吸附。同时，还能对大肠杆菌的细胞壁结构进行破坏，由此达到了抑制和杀灭大肠杆菌的效果。

3 结论

综上所述，该文以现实中比较容易获得且价格低廉的玉米淀粉作为主要材料，选取（3-氯-2-羟丙基）三甲基氯化铵作为醚化剂，以碱性环境作为反应条件，并在实验过程中加入季铵基团，制备出一种St-CTA絮凝剂。随后对其絮凝与抑/灭菌性能进行研究。结果表明，St-CTA除具有良好的絮凝效果之外，还兼具抑/灭菌性能，可作为多功能型水处理剂使用。由于制备中的材料为玉米淀粉，从而使制备成本大幅度降低，具有实际应用价值，其在水处理过程中的使用，可有效减少消毒剂的用量。但必须注意的是，由于St-CTA是以玉米淀粉作为原料，因此比较容易出现生物降解的情况，这样一来可能会引起二次污染，在后续研究中，可将解决二次污染问题作为重点，从而扩大其应用空间。

参考文献

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