羧烷基-季銨兩性殼聚糖的制備及其阻垢殺菌性能

張惠欣，葛麗環(huán)，周宏勇，朱玉超，王 楓

（河北工業(yè)大學化工學院，天津 300130）

研究開發(fā)

羧烷基-季銨兩性殼聚糖的制備及其阻垢殺菌性能

張惠欣，葛麗環(huán)，周宏勇，朱玉超，王 楓

（河北工業(yè)大學化工學院，天津 300130）

采用氯乙酸、丙烯酸和 2,3-環(huán)氧丙基三甲基氯化銨對殼聚糖（CTS）改性，制得羧甲基-季銨殼聚糖（CMQAC）和羧乙基-季銨殼聚糖（CEQAC），并通過IR、1H NMR、XRD對產(chǎn)物進行了結構確證。用靜態(tài)阻垢的方法對兩性殼聚糖衍生物阻硫酸鈣垢的性能進行了評價，結果表明兩性殼聚糖用量為16 mg/L、[Ca2+]＜2000 mg/L、[SO42－]＜4800 mg/L時，阻垢率可達到100%。用小瓶測試法測定不同季銨取代度（DS）的兩性殼聚糖對異養(yǎng)菌的殺菌效果。研究結果表明，在用量為30 mg/L時，CMQAC季銨取代度為0.73時殺菌率為99.7% ，CEQAC季銨取代度為0.50時殺菌率為99.2%，改性后殼聚糖衍生物的阻垢和殺菌性能與殼聚糖相比有了明顯提高。

兩性殼聚糖；阻垢；殺菌；多功能水處理藥劑

常用的水處理藥劑功能單一，生物降解性能不佳，開發(fā)綠色水處理藥劑[1-2]和多功能水處理藥劑是當前研究的熱點。作為自然界中唯一的陽離子堿性多糖，殼聚糖（2-氨基-2-脫氧-β-D-葡萄糖）資源豐富[3]，無毒無害，可生物降解。殼聚糖大分子鏈中含有大量的—NH2、—OH，可以進行多種形式的化學改性，例如通過酰化、羧化、邁克爾加成及羥基化改性后可引入酰基、羧基及羥基等基團，改善它的溶解性，擴展其應用范圍。殼聚糖本身具有一定的殺菌性[4-6]，在水處理方面有了一定的應用[7-8]。目前的研究工作主要是殼聚糖及其單改性衍生物的絮凝[9-10]、吸附[11]和重金屬等的脫除，并開始對其阻垢性能進行研究[12]，但是同時具有阻垢與殺菌雙功能的兩性殼聚糖衍生物在水處理中的應用未見報道。

目前，在油田注水、多級閃蒸海水淡化、苦咸水淡化、反滲透工藝和濃海水制鹽等方面都會遇到硫酸鈣結垢問題。本文采用氯乙酸、丙烯酸和 2,3-環(huán)氧丙基三甲基氯化銨對殼聚糖進行改性，制得兩種分子結構中既含有羧基又含有季銨基團的有強兩性電學特征的殼聚糖衍生物，并就其對硫酸鈣的阻垢性能和異養(yǎng)菌的殺菌性能進行了評價。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

殼聚糖購自濟南海得貝海洋生物工程有限公司（脫乙酰度大于95%），2,3-環(huán)氧丙基三甲基氯化銨購自東營市颯格曼石油科技開發(fā)有限責任公司，其余均為市售分析純試劑。

1.2 殼聚糖的改性

1.2.1 殼聚糖降解及分子量的測定

由于殼聚糖的結構中存在大量分子內和分子間氫鍵，化學性質穩(wěn)定，直接用高分子量殼聚糖進行改性修飾得到完全水溶性的衍生物難度比較大，反應時間長，且需要大量的堿液和有機溶劑。本實驗采用微波-H2O2聯(lián)合降解的方法在4%的H2O2中60 ℃下輻射10 min制得了低聚殼聚糖，然后對其改性。

低聚殼聚糖分子量的測定采用黏度法中的“一點法”，即精確稱取一定量的殼聚糖或其降解產(chǎn)物，溶于 0.1 mol/L CH3COOH-0.2 mol/LNaCl混合溶劑中，充分溶解后靜置濃度為C；過濾后取濾液15 mL移入烏式黏度計，將黏度計垂直固定于(25±0.1) ℃水浴中恒溫10 min以上，用秒表先測溶劑的下落時間t0；再測樣品溶液的下落時間t。根據(jù)經(jīng)驗公式式（1）～式（4）計算分子量[13]。

式中，η為特性黏度，mL/g；t0為溶劑下落時間，s；t為樣品溶液下落時間，s；C為樣品的濃度，g/mL；K=1.81×10－3，cm3/g；M為降解產(chǎn)物的相對分子質量；α=0.93。

經(jīng)過測定原料殼聚糖的相對分子質量為99×104，降解殼聚糖的相對分子質量為3.8×104。1.2.2 羧甲基-季銨兩性殼聚糖（CMQAC）的制備

在100 mL三口瓶內加入3.00 g低聚殼聚糖、5.00 g氫氧化鈉、6.00 g氯乙酸和50 mL去離子水，65 ℃反應4 h后加入一定量的2,3-環(huán)氧丙基三甲基氯化銨，繼續(xù)反應4 h，得到棕紅色溶液，過濾除掉少量不溶性殼聚糖，加乙醇析出產(chǎn)物，用適量甲醇多次洗滌，可得到羧甲基-季銨兩性殼聚糖。

1.2.3 羧乙基-季銨兩性殼聚糖（CEQAC）的制備

在100 mL三口瓶內加入3.00 g低聚殼聚糖和一定量的2,3-環(huán)氧丙基三甲基氯化銨，然后加入50 mL去離子水，65 ℃反應4 h后加入2 mL丙烯酸繼續(xù)反應4 h，得到透明棕紅色溶液，加乙醇析出產(chǎn)物，用適量甲醇多次洗滌，即可得到羧乙基-季銨兩性殼聚糖。

1.3 季銨取代度的測定

準確稱量改性后的殼聚糖樣品，溶于定量的水中，用AgNO3標準溶液滴定樣品中Cl－，按式（5）計算季銨鹽的取代度[6]。

DS=V?C?10－3/[V?C/1000+（W1－W2）/162]×100% （5）

式中，C為AgNO3標準溶液的濃度，mol/L；V為消耗的AgNO3標準溶液的體積，mL；W1為樣品質量，g；W2為被取代的樣品質量，g；W2=V?C×314/1000；162為單元殼聚糖相對分子質量，314為單元殼聚糖季銨鹽的相對分子質量。

1.4 阻硫酸鈣垢性能測試

采用靜態(tài)阻垢法進行硫酸鈣阻垢性能測試，即：在250 mL的容量瓶中，先加入100 mL水，然后加入一定量的CaCl2溶液和一定濃度的兩性殼聚糖溶液（阻垢劑），再加入一定量的Na2SO4溶液。參照國標《GB/T 16632—1996水處理劑阻垢性能的測定-碳酸鈣沉積法》在50 ℃下恒溫10 h，然后以鈣黃素為指示劑，用EDTA標準溶液滴定去除了硫酸鈣垢的溶液中鈣離子的含量。阻垢率η的計算公式見式（6）。

式中，C0為實驗前配制好的試液中的鈣離子濃度，mg/L；C1為加入阻垢劑的試液實驗后的鈣離子濃度，mg/L；C2為未加入阻垢劑的空白試液實驗后的鈣離子濃度，mg/L。

1.5 殺菌性能測試

采用小瓶測試法進行異養(yǎng)菌殺菌效果的評價，并用MPN法進行計數(shù)。測試菌種取自某廠循環(huán)水系統(tǒng)，經(jīng)自制培養(yǎng)基培養(yǎng)后，以標準水（GB/T 18175—2000的附錄A推薦的標準水）按1∶50進行稀釋后使用。菌藥接觸時間為4 h，培養(yǎng)溫度為(35 ±0.5) ℃，共培養(yǎng)7天。 以百分數(shù)表達的殺菌率X按照式（7）計算。

式中，A為空白對照樣的菌數(shù)，個/mL；B為加藥試樣的存活菌數(shù)，個/mL。

2 結果與討論

2.1 殼聚糖及兩性殼聚糖衍生物的結構表征

圖1 羧甲基-季銨兩性殼聚糖（a）、羧乙基-季銨兩性殼聚糖（b）和殼聚糖（c）的紅外譜圖

從圖1中可以看出殼聚糖（CTS）在3400 cm－1左右有較寬的強吸收峰，這是殼聚糖分子鏈中—OH和—NH2的特征吸收形成。在發(fā)生羧甲基化和羧乙基化反應后此處峰形發(fā)生了明顯變化：高波數(shù)端變得尖銳且波數(shù)藍移。這是由于殼聚糖改性后分子中—OH和—NH2氫鍵數(shù)目和強度變小的緣故，這一點可以從1100～1000 cm－1處醇類C—O鍵振動吸收峰的減弱和變窄得到印證。若干小峰疊加在低波數(shù)一側的峰形上，呈現(xiàn)典型的羧酸OH吸收的特點，這是羧酸中羥基與羧基倍頻耦合所致。2900 cm－1附近從單峰變?yōu)殡p峰，且強度明顯偏大，這是來自季銨化處理后引入的甲基或亞甲基的C—H吸收，而高脫乙酰度的殼聚糖主要在2890 cm－1呈現(xiàn)次甲基C—H的吸收。羧甲基-季銨殼聚糖在1601 cm－1處吸收增強，為—C=O 不對稱伸縮振動特征峰與殼聚糖原有的酰胺Ⅰ峰重疊，說明羧基接枝到殼聚糖分子鏈上，同時在1480 cm－1吸收增強，為—CH3、—CH2的伸縮振動吸收峰，說明季銨基團接枝成功。羧乙基-季銨殼聚糖在 1621 cm－1出現(xiàn)了較強的吸收，說明丙烯酸與殼聚糖接枝引入了—C=O，在1480 cm－1處吸收增強，說明存在—CH3和—CH2，它們來自季銨基團。同時紅外光譜圖（b）中900～600 cm－1之間沒有出現(xiàn)特征的=C—H面外變形振動吸收，也說明了丙烯酸和殼聚糖的接枝反應為殼聚糖氨基與丙烯酸碳碳雙鍵之間的邁克爾加成反應。

以 D2O為溶劑對兩性殼聚糖進行氫核磁共振表征，如圖2和圖3所示。

圖2 羧甲基-季銨兩性殼聚糖核磁共振氫譜

圖3 羧乙基-季銨兩性殼聚糖核磁共振氫譜

由圖2和圖3可以看出，CMQAC和CEQAC均在化學位移3.16處出現(xiàn)了很強的單峰，為季銨中甲基的峰，CMQAC在3.9處的峰為殼聚糖C6—OH與氯乙酸發(fā)生醚化后亞甲基的峰，CEQAC在化學位移2.5處出現(xiàn)了丙烯酸發(fā)生邁克爾加成反應后生成的亞甲基的峰，證明兩性基團接枝成功。

圖4為殼聚糖和兩性殼聚糖衍生物的XRD譜圖。從衍射圖可以看出殼聚糖在10°和20°附近有兩個強衍射峰，這是殼聚糖分子結晶化程度的體現(xiàn)，其晶化程度越高，兩者信號越強。在CMQAC和CEQAC的衍射圖中，10°處的衍射峰幾乎消失，20°附近的衍射峰強明顯變弱，峰形變寬，分子的晶化度明顯降低，并向無定形特征轉化，說明改性基團的引入增加了殼聚糖分子鏈間的距離，擾亂了殼聚糖原來的有序排列，使改性產(chǎn)物結晶度下降，這也是這些兩性殼聚糖衍生物表現(xiàn)出良好水溶性的根本原因。

2.2 殼聚糖及兩性殼聚糖衍生物對硫酸鈣的阻垢性能

2.2.1 [Ca2+]的濃度變化對阻垢性能的影響

表1給出了殼聚糖、羧甲基-季銨兩性殼聚糖和羧乙基-季銨兩性殼聚糖在不同[Ca2+]濃度下的阻垢率。

首先CTS、CMQAC及CEQAC的用量固定為20 mg/L，改變水樣中 Ca2+的加入濃度，[Ca2+]與[SO42－]摩爾比為1∶1，在50 ℃下恒溫10 h，考察[Ca2+]的變化對CTS、CMQAC和CEQAC阻垢性能的影響，見表1。由表1中的實驗結果可知，在阻垢劑用量不變的情況下，殼聚糖阻硫酸鈣垢的能力很弱，在[Ca2+]為1600 mg/L時，阻垢率僅為19%。而改性后的兩性殼聚糖衍生物CMQAC和CEQAC卻表現(xiàn)出了良好的阻垢性能，當[Ca2+]小于 1900 mg/L、[SO42－]濃度小于4560 mg/L時，阻垢率都能達到100%，隨著[Ca2+]的提高，阻垢率略有下降，相比之下，CEQAC的下降程度要小一些，當[Ca2+]為2200 mg/L，[SO42－]為5280 mg/L，時，阻垢率仍然可以達到96%以上。

圖4 羧甲基-季銨兩性殼聚糖、羧乙基-季銨兩性殼聚糖和殼聚糖的XRD圖

表1 [Ca2+]對殼聚糖、羧甲基-季銨兩性殼聚糖及羧乙基-季銨兩性殼聚糖阻垢率的影響

2.2.2 阻垢劑用量變化對阻垢性能的影響

表2給出了殼聚糖、羧甲基-季銨及羧乙基-季銨兩性殼聚糖不同的用量對阻垢率的影響。

保持體系中[Ca2+]為1900 mg/L、[SO42－]為4560 mg/L，改變CTS、CMQAC和CEQAC的加入量，考察藥劑用量對硫酸鈣阻垢性能的影響，由表2可以看出，在[Ca2+]含量不變的情況下，隨著CMQAC和CEQAC加入量增加阻垢率呈上升趨勢，在阻垢劑用量高于16 mg/L后，阻垢率都可以達到100%。相同條件下，CMQAC和CEQAC的阻垢率明顯高于CTS。

2.3 兩性殼聚糖衍生物對異養(yǎng)菌的殺菌性

表 3 給出了不同取代度的羧甲基-季銨與羧乙基-季銨兩性殼聚糖對異樣菌的殺菌率。

在加藥量為30 mg/L時，測定CTS及不同季銨取代度的兩性殼聚糖對異養(yǎng)菌的殺菌效果。CTS對異養(yǎng)菌的殺菌率僅為 13%；由表 3可以看出，CMQAC的季銨取代度對殺菌率的影響變化不大，都在 95%以上，當殼聚糖與季銨的投料質量比為1.00～1.50時，產(chǎn)物的季銨取代度在0.7附近，同時產(chǎn)品也給出了最高殺菌率，在 99%以上；而對于CEQAC來說，隨著季銨加入量的增加，季銨取代度和殺菌率都呈現(xiàn)明顯上升的趨勢，當殼聚糖與季銨的加料比為1.00∶1.50時，得到的產(chǎn)品季銨取代度為0.50，其殺菌率最高，為99.2%。說明經(jīng)過改性處理得到的殼聚糖衍生物，由于季銨基團的存在，其對異養(yǎng)菌的殺菌能量得到了極大的提高，可以獲得非常理想的殺菌效果。

表2 殼聚糖、羧甲基-季銨及羧乙基-季銨兩性殼聚糖用量對阻垢率的影響

表3 羧甲基-季銨與羧乙基-季銨兩性殼聚糖的殺菌性能評價結果

3 結 論

（1）采用氯乙酸、丙烯酸和2,3-環(huán)氧丙基三甲基氯化銨對低聚殼聚糖改性制備兩性殼聚糖衍生物CMQAC和CEQAC，并通過IR、1H NMR、XRD對產(chǎn)物進行了結構確證。

（2）采用靜態(tài)阻垢的方法對殼聚糖、羧甲基-季銨和羧乙基-季銨兩性殼聚糖阻硫酸鈣垢的性能進行了評價。結果表明，兩性殼聚糖用量為 16 mg/L以上，[Ca2+]≤1900 mg/L，[SO42－]≤4560 mg/L，阻垢率可達到 100%；與殼聚糖相比阻垢率明顯提高。

（3）采用小瓶測試法測定了不同季銨取代度的兩性殼聚糖對異養(yǎng)菌的殺菌率。結果表明，在加藥量為30 mg/L時，羧甲基-季銨殼聚糖季銨取代度為0.73時殺菌率為99.7%，羧乙基-季銨殼聚糖季銨取代度為0.50時殺菌率為99.2%；與殼聚糖相比，兩性殼聚糖衍生物對異養(yǎng)菌的殺菌性能得到明顯改善。

綜上，羧甲基-季銨殼聚糖和羧乙基-季銨殼聚糖具有優(yōu)良的阻硫酸鈣垢性能，且對異養(yǎng)菌有非常理想的殺菌效果，是一種有應用前景的綠色多功能水處理藥劑。

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Prepration of amphoteric carboxyalkyl-quaternary ammonia chitosan derivatives and
performances on both scaling inhibition and bacterial inhibition

ZHANG Huixin，GE Lihuan，ZHOU Hongyong，ZHU Yuchao，WANG Feng
（School of Chemical Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China）

Chitosan was modified by chloroacetic acid，acrylic acid and 2,3-epoxypropyl trimethyl ammonium chloride to obtain amphoteric carboxymethyl-quaternary ammonium chitosan（CMQAC）and amphoteric carboxyethyl-quaternary ammonium chitosan（CEQAC），then the structures of the products were confirmed by IR，1H NMR and XRD. The performance of scaling inhibition of amphoteric chitosan derivatives with respect to CaSO4were evaluated by static antiscaling experiment，and the results showed that the inhibition rate could be up to 100% when the dosage of amphoteric chitosan derivatives was 16 mg/L，[Ca2+]＜2000 mg/L and [SO42－]＜4800 mg/L. The bacterial inhibition of amphoteric chitosan derivatives with different degrees of substitution（DS）of quaternary ammonium was measured with the vial method. The results showed that the sterilizing rates can be up to 99.7% and 99.2% with chitosan derivative addition of 30mg/L when the DS of quaternary ammonium was 0.73 and 0.50 respectively for CMQAC and of CEQAC. The modification resulted in a great improvement in scaling inhibition and bacterial inhibition of chitosan derivatives in comparison with chitosan.

amphoteric chitosan；scaling inhibition；bacterial inhibition；multifunction water chemicals

O 629.12

A

1000-6613（2011）09-2055-05

2011-03-16；修改稿日期2011-04-25。

及聯(lián)系人：張惠欣（1965—），女，高級工程師，主要從事專用化學品合成及其應用研究。E-mail zhanghuixin@ hebut.edu.cn。