季銨鹽插層蒙脫土及其去除海洋卡盾藻的研究

吳婷閆新亞蔡祥譚紹早楊維東

(暨南大學生命科學技術學院，廣州510632)

季銨鹽插層蒙脫土及其去除海洋卡盾藻的研究

吳婷閆新亞蔡祥譚紹早楊維東＊

(暨南大學生命科學技術學院，廣州510632)

利用插層法制備了5種季銨鹽改性的蒙脫土，通過FTIR、XRD和DTG等表征表明5種季銨鹽已成功插入蒙脫土中；隨后以中國典型赤潮藻海洋卡盾藻(Chattonella marina)為研究對象，考察了5種季銨鹽改性蒙脫土的除藻效果。發現以雙溴化十四烷基二甲基乙基溴化銨改性的蒙脫土在用量為8 mg·L-1時，24 h內對海洋卡盾藻的去除率最高，可達100%，而未改性蒙脫土在相同條件下除藻率僅為5.64%；除藻效果與除藻劑的結構有密切關系，在官能團相同時，鏈長數為14的脂肪族季銨鹽除藻率最高，24 h可達67.03%；在鏈長數相同時，含吡啶官能團的季銨鹽比脂肪族季銨鹽除藻率高，24 h為33.62%，且隨時間延長明顯提高。滲溢性評估實驗顯示，改性蒙脫土經72 h浸泡后表觀插層率從71.9%降低到69.6%，表明除藻劑在水體中基本不釋放。

有機改性蒙脫土;季銨鹽;插層反應;海洋卡盾藻

“赤潮”是海洋中某一種或幾種浮游生物在一定環境條件下爆發性繁殖或高度聚集而引起海水變色，影響和危害其他海洋生物正常生存的海洋生態異?，F象[1]。

來自國家海洋局2009年8月12日“關于海洋污染事故和赤潮災害”的數據表明，我國是一個赤潮災害頻發的國家，僅2008年我國沿海就發生赤潮68次，累計發生面積13738 km2[2]，赤潮已成為影響和限制我國海洋產業可持續發展的重要因素。因此，有害赤潮的防治已成當務之急，并引起人們的廣泛關注。赤潮治理的方法主要有化學法、生物法和物理法等[3-4]，其中利用粘土去除赤潮生物被認為是赤潮治理中最有前景的方法[5-8]。由于單純利用粘土治理赤潮需要粘土量太大[9]，聚合氯化鋁與粘土的復合使用雖可顯著降低粘土用量，但其對海洋環境的長遠影響難以忽略[3]。因此，高效、低毒改性粘土的研發成為赤潮治理研究新的方向。

本研究通過插層法，制備了十二烷基二甲基苯基溴化銨(DDBA)、十四烷基二甲基苯基溴化銨(TDMBA)、十六烷基三甲基溴化銨(HDTMA)、十六烷基溴化吡啶(HDP)及雙溴化十四烷基二甲基乙基溴化銨(GTDBEA)等5種季銨鹽改性的蒙脫土，對改性蒙脫土(O-MMT)的結構及性能進行了表征，并以我國沿海常見的海洋卡盾藻(Chattonella marina)為研究對象，研究了改性蒙脫土的結構(季銨鹽的鏈長和官能團)對除藻效果的影響，并就改性蒙脫土對水體的安全性進行了評估，為利用改性黏土治理赤潮提供了實驗依據。

1 實驗部分

1.1 原料

鈉基蒙脫土(Na-MMT)，浙江宇宏粘土有限公司，陽離子交換容量(CEC)為1 mmol·g-1；十二烷基二甲基苯基溴化銨、十四烷基二甲基苯基溴化銨、十六烷基三甲基溴化銨、十六烷基溴化吡啶和雙溴化十四烷基二甲基乙基溴化銨，氰特化工(上海)有限公司；海洋卡盾藻由暨南大學赤潮與水環境研究中心藻種室提供。實驗前將保存藻種轉移到三角燒瓶中進行擴大和馴化，溫度控制在(21±1)℃，光照強度為3 000 lx，光暗比為12 h∶12 h的GXZ型人工氣候培養箱中培養。所用培養液為人工海水加營養鹽配成的f/2培養液經0.20 μm纖維濾膜除菌所得；其他藥品均為分析純。

1.2 有機改性蒙脫土的制備

將Na-MMT配制成5wt%的懸浮液，于65℃下攪拌1 h，然后分別加入1.0 CEC當量(Na-MMT)的季銨鹽DDBA、TDMBA、HDTMA、HDP或GTDBEA，在65℃下繼續攪拌6 h后離心，所得沉淀用50wt%乙醇水溶液洗滌至無Br-(用0.1 mol·L-1AgNO3溶液檢驗)；將所得產物65℃真空干燥48 h后研磨，過48 μm(300目)篩，即得季銨鹽改性蒙脫土，分別記作D-MMT、T-MMT、H-MMT、HDP-MMT和G-MMT。

1.3 樣品的表征

使用Nicolet 6700型紅外光譜儀進行樣品紅外光譜測試，樣品質量為1 mg，KBr壓片，掃描范圍為400~4000 cm-1；使用日本理學D/max-1200型X射線衍射儀進行樣品XRD測試，電壓40 kV，電流30 mA，樣品為粉末狀，Cu靶Kα射線，石墨單晶濾波器，λ=0.154 18 nm，狹縫DS=SS=1°，Rs=0.3 mm，步長：0.02°，掃描速度為1°·min-1，掃描范圍2θ為2°~ 40°；使用美國TA公司的SDT-Q600型熱重分析儀進行熱重測試，樣品質量為20 mg，差熱量程100 μV，升溫速率10℃·min-1，在N2氣氛中進行。

1.4 海洋卡盾藻的去除實驗

取處于對數生長期且生長良好的50 mL海洋卡盾藻(密度大于5×106cells·L-1)于100 mL三角燒瓶中，根據預實驗結果，添加1 mL改性粘土母液，使得藻液中改性蒙脫土的終濃度達到8 mg·L-1。輕輕搖勻，置于培養箱中繼續培養。分別在24、48、72 h取樣于倒置顯微鏡下觀察并記取藻細胞數目。以未加改性粘土的藻液為對照計算除藻率(RE)。每個樣平行3組。

式中：Dcg為對照組卡盾藻的密度，Deg為實驗組卡盾藻的密度。

1.5 滲溢性評估

取10 mL O-MMTs母液倒入500 mL海水中，每隔12 h均勻搖動溶液1次，72 h后對溶液進行過濾、洗滌和干燥，并進行XRD測試，與未進行浸泡的改性粘土進行比較，得到表觀出插層率的變化。樣品表觀插層率(I.R.)的計算如下式[10]：式中：Iintercalate為浸泡72 h后插層粘土的XRD(001)峰強度；Iclay為未經浸泡的改性粘土的XRD(0 01)峰強度。

2 結果與討論

2.1 紅外光譜分析

Na-MMT和O-MMTs的FTIR譜圖如圖1所示，3620 cm-1處的寬吸收峰對應于Na-MMT層間吸附水上-OH的伸縮振動，1 660 cm-1處吸收峰對應于Na-MMT層間吸附水上-OH的彎曲振動；1 030和460 cm-1附近的寬吸收峰分別對應于Na-MMT中Si-O的伸縮振動和彎曲振動。在O-MMTs的FTIR譜圖中出現了2個新的吸收峰：2925和2845 cm-1，這是季銨鹽改性蒙脫土中所含季銨鹽上甲基與亞甲基的反對稱和對稱伸縮振動引起的吸收峰。

圖1 Na-MMT、T-MMT、G-MMT、D-MMT、H-MMT和HDP-MMT的FTIR圖Fig.1 FTIR spectra of Na-MMT,T-MMT,G-MMT,D-MMT,H-MMT and HDP-MMT

2.2 X射線衍射分析

圖2 Na-MMT、T-MMT、G-MMT、D-MMT、H-MMT和HDP-MMT的XRD圖Fig.2 XRD patterns of Na-MMT,T-MMT,G-MMT, D-MMT,H-MMT and HDP-MMT

表1 Na-MMT、T-MM T、D-MMT、H-MMT、HDP-MMT和G-MMT的結構和性能參數Table 1 Structure and property parameters for Na-MMT,D-MMT,T-MMT, H-MMT,HDP-MMT and G-MMT

綜合紅外和X射線衍射的檢測結果，可以確知5種季銨鹽均已插入蒙脫土層間。

XRD是研究改性粘土最有效的定性定量方法之一[11]。圖2為Na-MMT和O-MMTs的X射線衍射圖，由圖可知，改性后蒙脫土的2θ角向低角度偏移，說明由于季銨鹽的插入，改性蒙脫土的層間距已經增大。根據Bragg方程計算出蒙脫土的層間距d001如表1所示。早期關于季銨鹽改性蒙脫土的研究顯示，季銨鹽的甲基鏈會在蒙脫土的層間形成單層(1.37 nm)，雙層(1.77 nm)、偽三分子層(2.17 nm)或石蠟層(2.20 nm)排列[12]。由表1可知，改性蒙脫土的層間距都大于2.20 nm，所以可以推知季銨鹽在蒙脫土中的排列為石蠟層。

2.3 熱重分析

圖3為Na-MMT和O-MMTs的熱失重曲線圖，由此得出的結構和性能參數如表1所示。按照TG曲線中的熱失重數據和DTG曲線中的主要的吸熱峰，800℃以下Na-MMT的熱分解主要分為2個階段[13]：(1)50~200℃之間是鋁硅酸鹽表面的自由(吸附)水和片層間水的揮發；(2)500~700℃之間是鋁硅酸鹽的結構水的揮發。比較而言，800℃以下O-MMTs的熱分解主要分為3個階段：(1)吸附水和氣體在200℃以下揮發；(2)負載的有機物在200~ 500℃之間分解；(3)鋁硅酸鹽的結構水在500~ 700℃之間分解。

與Na-MMT相比，O-MMTs中所含的水在(1) (50~200℃)之間比Na-MMT少，這是由于部分水被季銨陽離子取代所致。另外，O-MMTs中季銨鹽的含量可以根據O-MMTs在(2)(200~500℃)之間的失重進行計算，得到D-MMT、T-MMT、H-MMT、HDP-MMT和G-MMT中季銨鹽的含量分別為31.6，31.9，31.3，29.5和28.1%(質量比)，如表1所示。

本實驗中，用O-MMTs中季銨鹽損失5%的有機物重量表示O-MMT的熱穩定性。按照TG曲線，D-MMT、T-MMT、H-MMT、HDP-MMT和G-MMT的5%的有機物熱失重溫度分別為236、221、238、239和241℃，表現出良好的熱穩定性能。

圖3 Na-MMT、T-MMT、G-MMT、D-MMT、H-MMT和HDP-MMT的TGA曲線Fig.3 TGA curves of Na-MMT,D-MMT,T-MMT, H-MMT,HDP-MMT and G-MMT

2.4 改性蒙脫土對海洋卡盾藻的去除作用

從圖4可以看出，所有測試樣品中，Na-MMT的除藻率最低，24 h僅為5.64%。其次是H-MMT，而G-MMT在相同條件下的除藻率可達100%，除藻效果最好。

Fig.4 Na-MMT和O-MMTs對海洋卡盾藻的除藻率Fig.4 Removal rates of Chattonella marina by Na-MMTand O-MMTs

一般認為，季銨鹽的殺菌特性是通過銨正離子吸附在帶負電荷的細菌表面，改變了細菌細胞壁的通透性，使菌體內組分泄露而死亡；同時烷烴鏈可與細胞的類脂層發生疏水相互作用而插入其中，導致細胞內的酶失活和蛋白質變性[14]。GTDBEA是一類含有雙鏈結構的新型兩親分子，具有2個長鏈親油基團及2個帶正電荷的季銨鹽親水基團，其中2個親水基團通過亞甲基連接構成GTDBEA分子，其分子內銨正離子間距離很近，較小的銨正離子間距離帶來了高烷烴鏈密度，從而大大促進了分子的吸附與聚集[15-16]。因此，具有更大銨基正電荷密度和烷烴鏈密度的季銨鹽GTDBEA更加有利于吸附在帶負電荷的藻細胞表面，并最終改變藻細胞壁的通透性，導致細胞內的酶失活和蛋白質變性，從而表現出更好的除藻活性。

表2 G-MMT浸泡前后表觀插層率的變化Table 2 Changes in I.R.of G-MMT w ith soaking

進一步對季銨鹽的結構分析后發現，在官能團相同時，鏈長為十四烷基的季銨鹽的除藻效率最好，24 h為67.03%；當鏈長相同而官能團不同時，含吡啶基團的季銨鹽24 h的除藻率(33.62%)明顯高于脂肪族季銨鹽(10.85%)。這與Kamaya等[17]的研究有些類似。他們發現，飽和脂肪酸對羊角月牙藻(Selenastrum capricornutum)的毒性隨鏈長的增加而減弱，十四烷酸、十六烷酸、十八烷酸中，十四烷酸的毒性最強。另外，季銨鹽抗菌實驗表明，烷基鏈的長短對抗菌力影響大，當烷基鏈中碳原子數少于10或大于16時，抗菌劑對細菌的殺傷力不大，而當碳原子數為14時，抗菌劑的抗菌力最大；另一烷基鏈為芐基及其衍生物時抗菌力要比甲基時高得多[18]。這些結果表明，改性黏土對微藻的毒性作用可能主要與長鏈脂肪酸有關，季銨鹽中的取代基除藻活性也有一定影響，但具體機制目前尚不明確。

2.5 滲溢性研究

選取G-MMT樣品進行了滲溢性評估，將檢測結果代入式(1)計算出G-MMT樣品的表觀插層率(I.R.)，如表2所示。發現G-MMT樣品在浸泡前后的表觀插層率分別是71.9%和69.6%，經過72 h的浸泡后，G-MMT樣品的表觀插層率僅降低2.3%，表明季銨鹽改性粘土浸泡在水體中基本不會釋放，不會造成水體和環境的污染。

3 結論

(1)以蒙脫土為載體，5種季銨鹽為改性劑，通過插層反應制備了季銨鹽改性蒙脫土。FTIR、XRD和TGA測試結果表明季銨鹽已成功插入蒙脫土的層間。

(2)蒙脫土改性后，去除海洋卡盾藻的能力顯著增強，其中以雙溴化十四烷基二甲基乙基溴化銨改性蒙脫土除藻效果最好。改性蒙脫土的用量為8 mg·L-1時，24 h內除藻可達100%，相同條件下未改性蒙脫土的除藻率僅為5.64%。

(3)除藻效果與除藻劑的結構有密切關系。在官能團相同時，鏈長數為14的脂肪族季銨鹽改性蒙脫土的除藻率最高，24 h可達67.03%；在鏈長數相同時，含吡啶官能團的季銨鹽比脂肪族季銨鹽的除藻率高，24 h為33.62%，且隨時間的增加明顯提高。

(4)滲溢實驗顯示，經72 h浸泡，改性蒙脫土表觀插層率僅降低2.3%，表明改性劑在水體中基本不會釋放，不會造成水體和環境的污染。

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Quaternary Ammonium Salts Intercalated M ontmorillonite for Removal of Chattonella Marina

WU Ting YAN Xin-Ya CAI Xiang TAN Sao-Zao YANG Wei-Dong＊
(College of Life Science and Technology,Jinan University,Guangzhou 510632)

Five quaternary ammonium salts were intercalated into montmorillonite(MMT)and the structures of organo-montmorillonite(O-MMT)were characterized.And then the performance of O-MMT was studied for the removal of Chinese typical HABs alga Chattonella marina.The results of FTIR,XRD and TGA show that the five ammonium salts have successfully intercalated into MMT.The removal rate of Gemini tetradecyl dimethylammonium ethyl bromide intercalated MMT(8 mg·L-1)was 100%in 24 h while that of unmodified MMT was 5.64%under the same condition,suggesting that the capacity of modified MMT for the removal of Chattonella marina is greatly enhanced.Furthermore,the removal effect is closely related to the molecular structure of the ammonium salts.With the same functional group,the removal efficiency of MMT modified by aliphatic quaternary ammonium salt with chain length of 14 is the highest(67.03%in 24 h);however,when the chain length is equal,the efficiency of MMT modified by quaternary ammonium salt with pyridine group is 33.62%in 24 h and increases with the extension of the time,which is higher than that of aliphatic quaternary ammonium salt.After 72 h soaking,the apparent intercalation ratio of O-MMT decreases from 71.9%to 69.6%, indicating a very slow release rate of ammonium salts of O-MMT in water.These findings suggest that the O-MMT is a potential algaecide with high effectiveness and environment safety.

organo-montmorillonite;quaternary ammonium salts;intercalation;Chattonella marina

O647.33；O613.72；O625.63+3

A

1001-4861(2010)08-1399-05

2010-03-22。收修改稿日期：2010-05-24。

國家自然科學基金(No.20676049，20871058，20971028)，廣東省科技計劃項目(No.2009B030803042),廣州市環保局項目(2008-07)資助。

＊通訊聯系人。E-mail：tywd@jnu.edu.cn

吳婷，女，27歲，博士后；研究方向：水環境治理研究。