多功能型天然高分子水處理劑的研究

馬云波　李爽　王媛媛

摘? 要：為提高水質，使其達到相關標準，需要采用各種不同的方法進行水處理，此項工作對于保護人類生存環境，維護自然生態平衡具有重要的現實意義。天然高分子水處理劑以其自身所具備的環境友好性，在水處理領域中顯現出良好的應用前景。但是單一的功能卻制約了天然高分子水處理劑的實際應用。因此，開發具有多功能型的天然高分子水處理劑尤為必要?；诖?，該文就多功能型天然高分子水處理劑展開研究。

關鍵詞：多功能型;天然高分子;水處理劑

中圖分類號：TQ314? ? ? ? 文獻標志碼：A

1 研究目的

天然高分子水處理劑（Natural Polymer Water Treatment Agent）簡稱NPWTA，這是一種具有優異性能的綠色、高效水處理劑。然而，NPWTA的功能比較單一，從而制約了其在水處理方面的應用，所以研發多功能型的NPWTA顯得非常必要，如果研制成功，則可使NPWTA的應用空間進一步擴大。在水處理過程中，絮凝和抑/滅菌是較為重要的2個環節，因此可將其作為多功能型NPWTA的研發重點，開發出一種兼具絮凝和抑/滅菌雙重功能的NPWTA，這是該文研究的主要目的。

殼聚糖又被稱之為脫乙酰甲殼素，這是一種天然高分子物質，其不僅具有良好的絮凝效果，而且還具有抑/滅菌的功能，通過化學改性之后，能夠使殼聚糖在水處理中進行應用。然而，殼聚糖的材料成本較為昂貴，如果用于水處理工藝，會導致處理費用增大，所以想要大范圍推廣普及過于困難，這也成為制約殼聚糖實際應用的主要因素之一。鑒于此，該文以淀粉這種價格比較低廉的材料作為研究對象，利用化學改性的方法，制備一種兼具絮凝和抑/滅菌雙重功能的水處理劑。在制備過程中，以叔胺和季銨鹽作為改性手段，引入陽離子基團增強靜電吸引作用，以此來促進水處理效果的提升。

2 研究方法

在堿性條件下，以最為常見且價格低廉的玉米淀粉作為主要材料，醚化劑選用（3-氯-2-羥丙基）三甲基氯化銨，進行絮凝劑合成。為了能夠對水體表面一些帶有負電荷的污染物顆粒進行有效去除，在制備過程中加入陽離子基團，制成陽離子型醚化淀粉絮凝劑（St-CTA），隨后對其絮凝與抑/滅菌性能進行研究。

2.1 實驗過程

2.1.1 試劑與儀器

在該次試驗中，使用的主要試劑和材料包括玉米淀粉、（3-氯-2-羥丙基）三甲基氯化銨（CTA，60 wt%水溶液）、氫氧化鈉（NaOH）、稀鹽酸、無水乙醇、蒸餾水以及LB培養基;儀器設備有電子天平、攪拌儀、真空干燥箱以及各種玻璃器皿。

2.1.2 制備方法

先取適量的NaOH，將其加入100 mL的蒸餾水當中，待充分溶解之后，再加入適量的玉米淀粉，在70 ℃的條件下進行堿化處理，時間控制在1 h;隨后利用滴液漏斗，以緩慢的速度滴加CTA，并繼續在70 ℃的條件下進行堿化反應，時間控制在2 h;向反應后的溶液內加入稀鹽酸，對溶液的pH值進行調節，使其變為中性，之后在無水乙醇當中對產物進行沉淀、脆化和過濾處理，最后放入真空干燥箱內，將溫度調至60 ℃進行烘干，時間控制在48 h，再進行研磨便可得到St-CTA。

2.1.3 培養大腸桿菌

用電子天平稱取25 g的LB培養基，并將之溶于1.0 L的純水當中，然后用稀鹽酸對溶液的pH值進行調節，使pH達到7;再將調配好的溶液全部倒入錐形瓶當中，利用蒸汽在121 ℃的條件下進行高溫滅菌，時間控制在15 min;隨后在經過滅菌處理的LB培養液當中，加入少量的大腸埃希氏菌液，并在37 ℃的條件下，進行振蕩培養，時間控制在12 h，進而制得大腸桿菌母液。

2.1.4 配置水樣

取出適量的大腸桿菌母液進行離心沉淀，轉速控制在3 000 rpm，持續時間為5 min，然后將上層的培養基全部棄掉，隨后用純水對大腸桿菌進行重新分散，使其沉淀，由此便可制得大腸桿菌懸濁液。

2.2 絮凝與抑/滅菌性能

2.2.1 絮凝

用電子天平準確稱取0.1 g的絮凝劑樣品，并將其加入100 mL去離子的水中，使樣品在水中充分溶解，由此便可制成絮凝劑母液。隨后在攪拌儀上完成燒杯試驗。待整個絮凝過程結束后，用吸管對上層的清液進行吸取，為后續的分析過程做準備。

2.2.2 投加量與取代度

圖1 為St-CTA 4種取代度對大腸桿菌懸濁液的絮凝性能。

圖1 中St-CTA的4種取代度按1～4的順序分別為19.6%、30.7%、35.6%和41.7%。從圖中可以清楚地看到，這4種取代度對于大腸桿菌都具有良好的絮凝效果。該次實驗中制備的St-CTA之所以能夠獲得良好的絮凝效果，與以下2個方面的原因有關，一是在制備的過程中，引入了帶正電荷的CTA分子;二是St-CTA本身所具備的網捕以及架橋作用也在一定程度上增強了絮凝效果。在St-CTA投加量不斷增大后，水體中大腸桿菌的去除率在較短的時間內達到停滯期，St-CTA4的取代度最高，其投加量最小，之后繼續增大投加量，去除率隨之下降。

2.2.3 絮凝機理

為了能夠獲悉St-CTA在大腸桿菌處理中的具體絮凝機理，采用Zeta電位測試的方法，對大腸桿菌試樣進行測定。通過對相關文獻進行查閱后得知，當絮凝劑達到最佳投加量時，如果測得的Zeta電位無限接近于0，說明在絮凝階段，電中和作用所占的比重較大，如果測得電位為負值，則表明在絮凝過程中，電荷碎片機理所占的比重較大。在該次實驗中，當投加量為1.0 mg/L時，測得的Zeta電位最接近0，可將該投加量確定為最佳投加量，在該投加量下，可以達到最佳的絮凝效果。

2.2.4 抑/滅菌性能

通過查閱大量相關的文獻后得知，季銨鹽類化合物對于細菌具有良好的滅殺效果，具體的作用機理是滲透、擴散及電荷吸引。該次實驗中制備的St-CTA當中含季銨基團，并且數量相對較大，下面對其抑/滅菌性能進行分析驗證。圖2為絮凝前后掃描電鏡情況。

從圖2中可以非常清楚地看到，經過St-CTA絮凝處理之后，大腸桿菌細胞壁的完整性遭到了破壞，由此表明，該次制備的St-CTA除了具有良好的絮凝效果之外，還兼具抑/滅菌的功效，可作為多功能型水處理劑使用。之所以能夠達到抑/滅菌的效果，主要是因為在制備的過程中，引入陽離子季銨基團，通過電荷的作用，可對水體當中的大腸桿菌進行有效地吸附。同時，還能對大腸桿菌的細胞壁結構進行破壞，由此達到了抑制和殺滅大腸桿菌的效果。

3 結論

綜上所述，該文以現實中比較容易獲得且價格低廉的玉米淀粉作為主要材料，選取（3-氯-2-羥丙基）三甲基氯化銨作為醚化劑，以堿性環境作為反應條件，并在實驗過程中加入季銨基團，制備出一種St-CTA絮凝劑。隨后對其絮凝與抑/滅菌性能進行研究。結果表明，St-CTA除具有良好的絮凝效果之外，還兼具抑/滅菌性能，可作為多功能型水處理劑使用。由于制備中的材料為玉米淀粉，從而使制備成本大幅度降低，具有實際應用價值，其在水處理過程中的使用，可有效減少消毒劑的用量。但必須注意的是，由于St-CTA是以玉米淀粉作為原料，因此比較容易出現生物降解的情況，這樣一來可能會引起二次污染，在后續研究中，可將解決二次污染問題作為重點，從而擴大其應用空間。

參考文獻

[1]唐若谷， 顧婷婷，唐建軍.生態環境工程中水處理用高分子材料研究進展[J].水處理技術，2018（5）：68-71.

[2]劉敏潔， 王鴻儒.天然高分子改性兩性絮凝劑的研究進展[J].中國皮革，2018（8）：92-95.

[3]程玉山，孫寅聰，師新廣，陳俊強，丁鳴.環境友好型水處理劑阻垢緩蝕性能研究[J].河南科學，2018（11）：156-159.

[4]周飛.多元化轉型 “保護型”水處理劑正式投產[J].當代化工，2018（6）：78-80.

[5]衡濤.復合型絮凝劑的制備對印染廢水處理的實驗研究[D].上海：華東理工大學，2018.