改性陽離子淀粉-凹凸棒土復合絮凝劑絮凝采收小球藻

董銳，王元，2，劉婷婷，3

（1 鹽城工學院化學與生物工程學院，江蘇 鹽城 224051；2 安徽理工大學化學工程學院，安徽 淮南 232001； 3 南通大學藥學院，江蘇 南通 226361）

水中微藻就像陸地上的綠色植物，不僅能通過光合作用為水中的魚蝦之類的動物提供生命所需的氧氣，還能夠吸收水中的氨、氮和其他有機鹽，從而為生物提供所需要的各種天然營養素[1-2]。此外，藻類中含有豐富的海藻油和多糖，提取海藻油可用于生物柴油的制備[3-4]，多糖可用于食品添加劑以及生物醫藥領域。但是微藻個體相對其它水生植物較微小，采收難度較大，費用相應也比較高[5]。

杜勝藍等[6]利用殼聚糖-沸石復合體對銅綠微囊藻進行去除，吳喬林等[7]利用殼聚糖-凹凸棒土復合體對小球藻進行去除，石靜等[8]利用殼聚糖-高嶺土復合體去除銅綠微囊藻，去除率約90%，但是殼聚糖提取工藝復雜，成本較高，增加了藻類處理的費用負擔。淀粉由葡萄糖構成的，植物的種子、莖或者根部都含有不少，與纖維、蛋白質等共同存在。一般從玉米中制取，除此之外還有馬鈴薯、甘薯、小麥等植物中淀粉含量也相對較高[9]。目前單純利用改性陽離子淀粉絮凝劑進行水處理的應用較 多[10-12]，但很少用于藻類的處理。將陽離子淀粉進行進一步處理以增大其相對分子質量及支鏈的技術探索相對較少。

本研究分別將陽離子淀粉和二元接枝改性陽離子淀粉用于小球藻的絮凝采收環節，考察二元接枝改性陽離子淀粉的絮凝效果，并將其與無機絮凝材料凹凸棒土進行復配[13-14]，進一步探討了對小球藻的絮凝效果。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器和實驗材料

UV2310Ⅱ型紫外可見分光光度計，上海天美科學儀器有限公司；BJ-2CD 型超凈工作臺，上海博訊實業有限公司醫療設備；玉米淀粉，ST，食品級，南京甘汁園糖業有限公司；3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨，GTA，分析純，上海嘉辰化工有限公司；二甲基二烯丙基氯化銨（DMDAAC），分析純，上海嘉辰化工有限公司；凹凸棒土，工業品，安徽省明美礦物化工有限公司；小球藻，中國科學院水生生物研究所。

1.2 實驗方法

1.2.1 小球藻屬性的測定

（1）藻液紫外可見光吸收波長掃描

用移液槍取均勻的小球藻藻液置于比色皿中，將滅菌后的培養基液作為基準，用UV2310Ⅱ型雙光束紫外可見分光光度計對藻液進行波長（600～800nm）掃描，確定最佳的紫外吸收波長。

（2）小球藻生物量的測定[7]

用7202B 型分光光度計對小球藻藻液接種光密度進行測定，并在接種后每24h 取樣測定3 次其最佳紫外吸收波長處的OD 值，取平均值，監測小球藻的生長狀態。

（3）小球藻細胞密度與光密度標準曲線的測定

將小球藻藻液分別稀釋2 倍、4 倍、6 倍、8 倍、10 倍。用移液槍分別吸取稀釋后的藻液滴入血球計數板上，使其涂布成均勻的薄片既成標本，用400倍生物顯微鏡觀察其形態并計數，并分別測定稀釋后藻液的光密度OD680值。繪制小球藻細胞密度與光密度標準曲線。

1.2.2 改性淀粉的合成

（1）陽離子淀粉的合成[15-16]

加適量水于燒杯中，加入少量 NaOH，待NaOH 溶解后加入適量淀粉，堿化10min 后加入GTA 攪拌1h，然后在70～90℃下反應2.5h，得粗品。用含有少量乙酸的乙醇浸泡，過濾，干燥，得產品。

（2）二元接枝改性陽離子淀粉的合成

稱取適量陽離子淀粉于三口燒瓶，加入蒸餾水，在90℃水浴中攪拌至完全溶解。在45℃通入N2，在 N2氣氛加入硝酸鈰銨作為引發劑，再加入60%DMDAAC 溶液反應4h。待反應液降至室溫調節pH 值至中性。無水乙醇反復洗滌，真空干燥。用丙酮索氏提取8～10h。

1.2.3 絮凝劑的制備

分別取適量陽離子淀粉、二元接枝共聚改性淀粉于燒杯，加入適量水，充分攪拌使其完全溶解待用。將二元接枝共聚改性淀粉與凹凸棒土按一定的比例復配，常溫攪拌24h，在75℃下干燥，研磨過200 目篩，即可制得復合絮凝劑。

1.2.4 單因素實驗

以藻液的透光度作為考察對象，反映藻液的絮凝率。研究二元接枝共聚改性淀粉與凹凸棒土摩爾比（1∶6，1∶7，1∶8，1∶9，1∶10，1∶11，1∶12，1∶13，1∶14）、pH 值（4，5，6，7，8，9，10，11，12）、淀粉投加量（0.01g，0.02g，0.03g，0.04g，0.05g，0.06g）和沉降時間（30min，60min，90min，120min，150min，180min，210min，240min）對絮凝率的影響。 1.2.5 正交試驗

在單因素實驗的基礎上對各因素水平進行系統的絮凝實驗，在各因素相互影響的情況下確定最佳的絮凝條件。

2 實驗結果與討論

2.1 藻液紫外可見光吸收波長掃描結果

如圖1 所示，小球藻藻液在波長為680nm 附近具有強的吸收峰，確定了藻液在680nm 處的吸光度值最佳。通過方程y=14.78833x+0.00378（y 表示藻細胞密度，x 表示OD680值）將藻液光密度OD680值換算成藻細胞密度[7]，從而計算絮凝率。以OD680反映小球藻藻液的胞密度，為了防止溶液內各高度藻液分布不均勻，統一取用3cm 處。利用式（1）計算絮凝率。

2.2 陽離子淀粉、二元接枝共聚改性淀粉對小球藻絮凝效果的影響因素

2.2.1 pH 值對絮凝效果的影響

圖1 小球藻藻液紫外可見光吸收波長掃描

在投加量為0.02g、沉降時間為180min 條件下考察pH 值變化對絮凝效果的影響。分別稱取0.2g CS 以及CS-DMDAAC 各自溶解于10mL 蒸餾水，然后分別吸取1mL 溶液加入100mL 小球藻培養液中，分別調節藻液pH 值為3、4、5、6、7、8、9、10、11，攪拌5min（轉速300r/min），靜置沉降180min，測定絮凝效果。

由圖2 可知，隨著 pH 值的增加，CS 和CS-DMDAAC 對小球藻的絮凝率均快速增加，當pH 值達到7 時增速趨緩，pH 值為9 時絮凝率達到最大。繼續增加pH 值，絮凝率反而降低，可能由于pH 值不斷擴大，溶液當中的OH-增多，中和了淀粉中的陽離子，所以絮凝率下降。在相同pH 值條件下，CS-DMDAAC 的絮凝效果明顯優于CS。

圖2 不同pH 值條件下二元接枝改性陽離子淀粉、陽離子淀粉對小球藻絮凝率的影響

2.2.2 投加量對絮凝效果的影響

圖3 是在pH 為9、沉降時間為180min 的條件下考察絮凝劑投加量對絮凝效果的影響。分別稱取0.1g、0.2g、0.3g、0.4g、0.5g、0.6g CS 以及CS-DMDAAC 溶解于10mL 蒸餾水，然后分別吸取1mL 加入100mL 小球藻培養液中，攪拌5min（轉速300r/min），靜置沉降180min，測定絮凝效果。

由圖 3 可知，隨著投加量的增加，CS 和CS-DMDAAC 對小球藻的絮凝率均快速增加，當投加量達到0.03g 時，CS 對小球藻絮凝率的增速趨緩，CS-DMDAAC 對小球藻絮凝率繼續增加，當投加量達到0.05g 時，CS-DMDAAC 絮凝率達到最大。繼續增加投加量，CS 和CS-DMDAAC 絮凝率趨于穩定。在相同投加量條件下，CS-DMDAAC的絮凝效果明顯優于CS。

圖3 二元接枝改性陽離子淀粉、陽離子淀粉不同的投加量對小球藻絮凝率的影響

2.2.3 沉降時間對絮凝效果的影響

圖4 在pH 值為9，投加量為0.02g 條件下考察沉降時間對絮凝效果的影響。分別稱取0.4g CS以及CS-DMDAAC 于10mL 鹽酸（5mol/L）溶液中，然后分別吸取1mL 加入100mL 小球藻培養液中，攪拌5min（轉速300r/min），靜置沉降，分別于30min、60min、90min、120min、150min、180min、210min、240min 取樣測定絮凝效果。

由圖4 可知，隨著沉降時間的增加，CS 和CS-DMDAAC 對小球藻的絮凝率均快速增加，當沉降時間達到210min 時，絮凝率達到最大值，繼續延長沉降時間，絮凝率趨緩。在相同沉降時間條件下，CS-DMDAAC 的絮凝效果明顯優于CS。

綜合考察三組單因素實驗，結果發現CS-DMDAAC 的絮凝效果明顯優于CS，這是由于DMDAAC 與CS 發生了接枝共聚，一方面增加了絮凝劑分子鏈上的正電荷數，利于吸附帶負電荷的小球藻；另一方面共聚后分子鏈由線型轉變成空間網絡結構，更有利于捕捉小球藻。為進一步優化絮凝效果，選擇CS-DMDAAC 與凹凸棒土進行復配對小球藻進行絮凝采收。

2.3 二元接枝改性陽離子淀粉復合凹凸棒土對小球藻絮凝效果的影響因素

2.3.1 pH 值對絮凝效果的影響

圖4 不同的沉降時間下CS-DMDAAC、CS 對小球藻絮凝率的影響

在絮凝劑投加量為0.03g、絮凝劑與凹凸棒土 的比例為1∶8、沉降時間為180min 條件下考察pH值變化對絮凝效果的影響。分別調節藻液pH 值為4、5、6、7、8、9、10、11，攪拌5min（轉速300r/min），靜置沉降180min，測定絮凝率。

由圖5 可知，隨著pH值的增加，CS-DMDAAC-凹凸棒土與CS-DMDAAC 對小球藻的絮凝率均快速增加，當pH 值達到9 時，絮凝效果均達到最高。繼續增加pH 值，CS-DMDAAC-凹凸棒土的絮凝率快速下降，這可能是由于陽離子被過多的OH-中和，凹凸棒土的加入反而影響了絮凝效果。在相同pH 值條件下，CS-DMDAAC-凹凸棒土的絮凝率均大于CS-DMDAAC。

圖5 不同pH 值條件下二元接枝改性陽離子淀粉復合凹凸棒土對絮凝效果的影響

2.3.2 投加量對絮凝效果的影響

圖6 在pH 值為9、復配比為1∶8、沉降時間為180min 條件下考察投加量對絮凝效果的影響。分別稱取0.01g、0.02g、0.03g、0.04g、0.05g、0.06g的二元接枝改性陽離子淀粉，按比例與凹凸棒土復配，分別加入小球藻培養液中，攪拌5min（轉速300 r/min），靜置沉降180min，測定絮凝效果。

由圖 6 可知， 隨著投加量的增加，CS-DMDAAC-凹凸棒土與CS-DMDAAC 對小球藻的絮凝率均快速增加，當投加量達到0.04g 時，絮凝率分別達到98.4%和93.5%。繼續增加投加量，兩者的絮凝率均趨于穩定。在相同投加量條件下，CS-DMDAAC- 凹凸棒土的絮凝率均大于CS-DMDAAC。

圖6 二元接枝改性陽離子淀粉-凹凸棒土復合絮凝劑不同的投加量對小球藻絮凝率的影響

2.3.3 沉降時間對絮凝效果的影響

圖7 在絮凝劑投加量為0.03g、絮凝劑與凹凸棒土的復配比例為1∶8、pH 值為9 條件下考察不同沉降時間（30min、60min、90min、120min、150min、180min，210min，240min）對絮凝效果的影響。

由圖 7 可知，隨著沉降時間的增加，CS-DMDAAC-凹凸棒土與CS-DMDAAC 對小球藻的絮凝率均快速增加，當沉降時間達到180min 時，絮凝率分別達到98.5%和86.5%。繼續延長沉降時間，CS-DMDAAC-凹凸棒土的絮凝率趨于穩定。在相同沉降時間條件下，CS-DMDAAC-凹凸棒土的絮凝率均大于CS-DMDAAC。

2.3.4 復配比對絮凝效果的影響 圖8 在pH 值為9、投加量為0.03g、沉降時間 為180min 的條件下考察CS-DMDAAC/凹凸棒土復配比對絮凝效果的影響。

圖7 不同的沉降時間下二元接枝改性陽離子淀粉-凹凸棒土復合絮凝劑對小球藻絮凝率的影響

圖8 二元接枝改性陽離子淀粉與凹凸棒土的復配比對絮凝效果的影響

由圖8 可知，隨著復配比的增加，絮凝率也在增加，當復配比達到1∶8 時，絮凝率達到最高。繼續增加復配比，絮凝率快速下降，這可能是由于過多的凹凸棒土不能與淀粉進行有效充分的復配，混溶在小球藻液中影響最終的絮凝效果。

2.4 正交實驗考察二元接枝共聚淀粉復合凹凸棒土對小球藻的絮凝效果

為了優化實驗條件，在單因素實驗的基礎上，進行了四因素三水平正交實驗，因素水平見表3。采用L9(43)正交表進行實驗，結果見表4。

表1 正交實驗因素水平表

表2 正交實驗結果

由表2 中數據可以得出，各因素對絮凝效果的影響順序為：沉降時間＞投加量＞ pH 值＞復配比例。最優方案為D3C2A3B3，即沉降時間為210min、CS投加量為0.04g、pH 值為9、CS 與凹凸棒土的比例為1∶9。在該條件下進行了平行實驗，結果小球藻的絮凝率為99.1%。

2.5 二元接枝共聚淀粉復合凹凸棒土對小球藻絮凝效果的表征

如圖9 所示，(a)為凹凸棒土的電鏡圖，可以看出凹凸棒土呈現纖維狀，并且表面具有很多松散的毛絮。(b)為二元接枝共聚淀粉與凹凸棒土復合絮凝劑的電鏡圖，改性殼聚糖包裹在了凹凸棒土的表面，使得原先的毛絮狀變成了凹凸不平的平面，并形成了空間構型，這樣更有利于吸附小球藻。由(c)可以明顯看到，許多絮凝劑表面形成了許多條狀突起， 這些原本是絮凝劑本身的毛絮，因為吸附了大量的小球藻而增粗、增大。

圖9 掃描電鏡圖

通過比表面積的測定，確定了凹凸棒土的比表面積為43.190m2/g，二元接枝共聚淀粉復合凹凸棒土的比表面積為107.463m2/g，是凹凸棒土的2 倍多。說明二元接枝共聚淀粉復合凹凸棒土后的復合絮凝劑形成了更大的平面結構，增大了比表面積，為小球藻的附著提供了更大的比表面積。

3 結 論

分別將陽離子淀粉、二元接枝共聚淀粉用于普通小球藻的采收絮凝環節，并通過與無機絮凝材料凹凸棒土進行復配，探討了對小球藻的絮凝效果。得出如下結論。

（1）比較了陽離子淀粉和二元接枝改性陽離子淀粉對小球藻的絮凝效果，得出當pH 值為9、沉降時間為210min、二元接枝改性陽離子淀粉投加量為0.05g 時，對小球藻的絮凝效果最佳。

（2）對二元接枝改性陽離子淀粉絮凝劑的絮凝效果進行了探討，將其與無機材料凹凸棒土進行復配，優化了絮凝條件，得出最佳的絮凝條件為：pH=9，絮凝劑與凹凸棒土的比例為1∶9，沉降時間為210min，二元接枝改性陽離子淀粉絮凝劑投加量為0.04g，絮凝率最高，達99.1%。

（3）對絮凝前后的樣品進行了表征，改性淀粉包裹在了凹凸棒土的表面，使得原先的毛絮狀變成了凹凸不平的平面，形成了空間構型，為小球藻的附著提供了更大的表面積；同時凹凸棒土有效地增加了絮體的質量，使得聚集起來的絮體更緊密，沉降速度更快。

二元接枝改性陽離子淀粉復合絮凝劑對小球藻的絮凝效果優異，絮體體積小，沉降速度快。將其用于小球藻的采收環節，不會造成二次污染，且對微藻的后續加工和應用不良影響較小，不需要次分離，有利于藻類在生物柴油領域的應用研究。

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