綠色水處理劑聚天冬氨酸的研究進展

馮亞莉

（鄭州工業應用技術學院 藥學與化學工程學院，河南鄭州 451150）

綠色水處理劑聚天冬氨酸的研究進展

馮亞莉

（鄭州工業應用技術學院 藥學與化學工程學院，河南鄭州 451150）

聚天冬氨酸在水處理方面具有較好的緩蝕、阻垢等性能，而且無毒、易降解，是一種綠色水處理劑，是目前國內外學者研究的熱點，具有很好的應用前景。主要介紹了聚天冬氨酸的制備方法、性能及應用等。

聚天冬氨酸；制備方法；性能；應用

聚天冬氨酸具有和蛋白質類似的肽鍵結構，在微生物、真菌等作用下容易發生斷裂而降解，最終的降解產物為CO2和水，對環境友好，因此可以替代許多對環境有害的化學品，被人們譽為“綠色”產品，在各個領域都得到了廣泛的應用。

在水處理領域，目前國內外學者研究和開發的熱點是環境友好型水處理劑，即綠色水處理劑。聚天冬氨酸（PASP）是一種新型綠色高分子水處理劑，最初由美國Donlar公司于20世紀90年代初所開發。由于聚天冬氨酸結構中含有大量的酰胺基和羧基，可以和多種金屬離子螯合形成絡合物，且分子中含有較多的孤電子對和極性基團，因此在抑制金屬的腐蝕方面具有較好的作用，且能有效地抑制CaSO4和CaCO3的形成，是一種效果良好的環境友好型高分子綠色水處理劑。近年來，隨著人們對環境問題的日益關注，聚天冬氨酸的無毒、易降解的性能逐漸在世界各國得到了廣泛的應用，其中以美國、德國以及日本等國家的研究最為活躍，美國和德國已經有工業裝置投入大批量生產。在我國，隨著可持續發展戰略的提出，人們環保意識的增強，聚天冬氨酸也將有著不可估量的應用前景。

1 聚天冬氨酸的制備方法

目前，聚天冬氨酸的制備方法主要有兩種：一種是以天冬氨酸單體為原料，通過加熱縮聚合成聚琥珀酰亞胺（PSI），然后在堿性條件下水解聚琥珀酰亞胺即可得到聚天冬氨酸；另一種則是以馬來酸酐和氨水、尿素等氨類物質為原料，進行反應制備聚琥珀酰亞胺，最后對聚琥珀酰亞胺水解可得到聚天冬氨酸[1]。在這兩種方法中，以天冬氨酸單體為原料的縮聚法，優點是重現性好，轉化率高，可制取相對分子質量較大的產物，且反應過程容易控制，產物顏色淺，而缺點是原料的價格貴，性價比不高；馬來酸酐的成本低，而以馬來酸酐為原料制備得到的聚天冬氨酸則相對分子質量較小，產率偏低，且溫度高時產品顏色較重。因此，在將來的研究中，還要致力于研發出性價比高、制備過程簡單、產量高和質量好的聚天冬氨酸的制備方法。

2 聚天冬氨酸的性能

2.1 阻垢性

聚天冬氨酸可以絡合多價金屬離子，改變硫酸鈣鹽和碳酸鈣鹽等的晶體結構[2]，使其結構發生變形以形成軟垢而使垢體容易去除，所以聚天冬氨酸的阻垢性較好。霍宇凝等[3]通過一系列實驗測得，要滿足對碳酸鈣的阻垢率達到80%以上，阻垢劑聚天冬氨酸的加入量僅為0.2mg/L即可，說明聚天冬氨酸用量少，阻垢效果好；又測得了環境溫度對聚天冬氨酸阻垢率的影響情況，若溫度從40℃上升到80℃，其對碳酸鈣的阻垢率卻幾乎不變，這說明環境溫度對聚天冬氨酸的阻垢性能影響較小，因此可適應于各種溫度的水系統。

2.2 緩蝕性

聚天冬氨酸還具有較好的緩蝕性，能在低氧和強堿的條件下，有效地阻止金屬的氧化腐蝕。其原理是聚天冬氨酸與多種金屬離子之間有螯合作用，所形成的螯合物在金屬表面會形成一層膜，從而能有效阻止金屬被腐蝕[4]。另外，聚天冬氨酸及其鹽類還能阻止二氧化碳對鐵制品的腐蝕，例如當鹽溶液中不含或含有少量的溶解氧時，聚天冬氨酸能有效阻止二氧化碳對低碳鋼的腐蝕。

2.3 降解性

聚天冬氨酸在真菌、微生物等的作用下極易發生降解，降解產物一般為二氧化碳和水，對環境和人體無毒，聚天冬氨酸的這種可生物降解性使其成為應用前景極好的水處理劑。崔科等[5]利用紅外光譜對所合成的聚天冬氨酸的結構進行了表征，并系統研究了聚天冬氨酸的生物降解性，發現聚天冬氨酸的生物降解是在生物物理降解與生物化學降解共同作用下完成的。Nakoto等[6]對由聚琥珀酰亞胺水解得到的聚天冬氨酸的結構和其降解性之間的關系進行了詳細研究。結果表明，影響聚天冬氨酸降解性的主要因素是其分子中的支鏈和末端基團的不規則結構，其中二羧酸基團數目在琥珀酰亞胺基團總數中所占的比例越大，聚天冬氨酸的降解性越好，反之則降解性越差。魏剛等[7]對目前水處理領域中幾種常用的阻垢劑的可生物降解性進行了系統研究，認為聚天冬氨酸具有較好的生物降解性是因為其分子鏈中含有N原子。陶虎春等[8]通過小白鼠毒性實驗、種子發芽實驗、好氧生物降解實驗以及微核實驗等一系列實驗，也證明了聚天冬氨酸具有較好的生物降解性，是一種環境友好型聚合物。

3 聚天冬氨酸的主要應用

聚天冬氨酸作為一種新型綠色水處理劑，在國內外水處理領域中均得到了廣泛應用，另外在其他領域中也有較好的應用前景。

3.1 聚天冬氨酸在水處理領域的應用

從環保角度考慮，聚天冬氨酸的可生物降解性使其成為特別有價值的綠色水處理劑。使用后的聚天冬氨酸可高效、穩定地被微生物、真菌降解為二氧化碳、水等終產物，不用擔心會污染環境。由于聚天冬氨酸具有良好的阻垢性，因此被廣泛應用于工業循環冷卻水處理方面。作為阻垢劑，聚天冬氨酸在抑制水系統中碳酸鈣、磷酸鈣等的成垢具有較好的效果。另外，聚天冬氨酸在高溫環境下阻垢性變化不大，熱穩定性好，因此可應用于高溫水系統中。

由于聚天冬氨酸及其衍生物的分子結構對其與金屬離子的螯合性以及其生物降解性均影響較大，因此今后研究的重點是對聚天冬氨酸進行適當的改性，以改善其阻垢性能，使其能更好地應用于水處理領域。

3.2 聚天冬氨酸在緩蝕領域的應用

聚天冬氨酸具有較好的緩蝕性，能有效地阻止金屬的氧化腐蝕。聚天冬氨酸不僅在強堿條件下對金屬的緩蝕效果優異，在含少量氧的鹽溶液中還能阻止二氧化碳對鐵制品的腐蝕。作為緩蝕劑，現在聚天冬氨酸已越來越多地應用于油田勘探、海水淡化、純水制備等方面，為工業生產帶來更好的效益。

3.3 聚天冬氨酸在其他領域的應用

聚天冬氨酸本身不是肥料，但它可以用作肥料增效劑應用于農業領域，以提高農產品產量。一定分子質量的聚天冬氨酸對氮、磷、鉀等元素及微量元素有較好的富集作用，因此若將聚天冬氨酸作為添加物添加在肥料里可提高肥效，增加農作物的產量，以提高農業收益。

目前，聚天冬氨酸在醫藥領域已有較好的應用。利用聚天冬氨酸能有效地抑菌和殺菌的性能，人們常將其作為殺菌劑來使用。另外，聚天冬氨酸及其衍生物在藥物控釋體系的應用也得到了廣大學者的重視，因此，聚天冬氨酸在醫藥領域的發展前景將不可估量。

在洗化領域，聚天冬氨酸可以添加到市場上銷售的一般洗滌劑中，來代替含磷洗滌劑，不僅大大提高了清潔效果，還能避免磷元素對環境的污染。另外，聚天冬氨酸在化妝品和保健品領域當中也有應用，給人們的日常生活帶來了極大便利。

4 結束語

綠色水處理劑聚天冬氨酸具有生物降解性好、緩蝕阻垢效率高等優點，隨著人們環保意識的逐漸加強，已經成為國內外水處理行業研究的新熱點。另外，聚天冬氨酸在其他領域的應用也給我們的生活帶來了極大的便利。今后的研究工作重點應是進一步改進聚天冬氨酸的合成方法，進一步簡化其合成步驟，提高性價比，并加強對聚天冬氨酸的改性研究，以使其更好地為我們所用。

[1] 柳鑫華，韓捷，劉勇峰，等.聚天冬氨酸阻垢與緩蝕的研究現狀與展望[J].清洗世界，2011，27（5）：19-28.

[2] 李鵬飛，夏志，吳長友，等.環境友好型水處理劑聚天冬氨酸的研究進展[J].化工中間體，2013，12（1）：1-4.

[3] 霍宇凝，劉珊，陸柱.新型水處理劑PASP的研究[J].華東理工大學學報，2000，21（3）298-300.

[4] 和歡芹，侯永江，何麗，等.改性聚天冬氨酸的緩蝕性能及機理研究[J].工業水處理，2012，32（5）：69-72.

[5] 崔科，張科.聚天冬氨酸的生物降解性能及降解機理研究[J].應用化工，2009，38（4）498-503.

[6] Nakato Takeshi，Yoshitake Masako.Relationships between structure and properties of polyaspartic acids[J].Macromolecules，2013，31（7）：2107-2113.

[7] 魏剛，許亞男，熊蓉春.阻垢劑的可生物降解性研究[J].北京化工大學學報，2001，28（1）：59-62.

[8] 陶虎春，黃君禮，楊士林，等.聚天冬氨酸的環境影響研究[J].環境科學研究，2004，17（5）：32-35.

Research Progress of Green Asparagine as Green Water Treatment Agent

Feng Ya-li

Polyaspartic acid has good corrosion inhibition，scale inhibition and other properties in water treatment，and it is a kind of green water treatment agent，which is a hot spot in domestic and foreign scholars.Application prospects.This paper mainly introduces the preparation method，properties and main applications of polyaspartic acid.

polyaspartic acid；preparation method；performance；application

TQ085.4

A

1003–6490（2017）10–0001–02