壳聚糖衍生物的合成及其絮凝性能的研究

Posted 2023-01-11 絮凝

篇首语：青春须早为，岂能长少年。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了壳聚糖衍生物的合成及其絮凝性能的研究相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

对从虾蟹壳中制备的壳聚糖进行改性，分别制得壳聚糖衍生物———壳聚糖季铵盐和羧甲基壳聚糖，用于味精废水的絮凝实验。实验结果表明，壳聚糖、壳聚糖季铵盐和羧甲基壳聚糖作为絮凝剂处理味精废水均有较好的效果，以壳聚糖季铵盐的效果最好，其pH值适用范围宽、絮体沉降快，是一种具有良好反应活性的高分子絮凝剂。
壳聚糖是甲壳素的脱乙酰化衍生物，是一种天然有机高分子絮凝剂，具有无毒、无害、生物相容性和多功能性等特点，因此它们已在废水处理、纺织、印染、造纸、医药、食品工业、化工、日用化学品、生物工程和农业等方面得到了广泛的应用[1～6]。然而壳聚糖只能溶解于弱酸性溶液，适用的pH值范围较窄，而且溶解度不高，从而限制了它们在废水处理方面的广泛应用。为了改善壳聚糖的溶解性，对壳聚糖进行化学改性是一个得要的途径[7～11]。笔者针对废水中大部分微颗粒和胶体都带负电的特点，对壳聚糖进行季铵化和羧甲基化改性，提高其正电性和阳离子强度，并对其絮凝性能进行了研究。这些衍生物的制备一方面能扩大其在水中溶解的pH值范围，增大溶解度，更重要的是不同取代基的引入可赋予壳聚糖更多的功能，尤其能增强壳聚糖的螯合能力，为壳聚糖应用于废水处理开辟一条新途径。
1 实验部分
1.1 实验材料
实验用废水取自辽宁某味精厂，为提取菌体后的母液，其各项分析指标为：pH为2.8，悬浮物为592.8mg/L，氯化物为863.2mg/L，硫酸根为1658mg/L，COD为18700mg/L，BOD5为8191mg/L。壳聚糖(从虾蟹壳中提取，自制，脱乙酰度：87%，分子量：1.22×106)；缩水甘油三甲基氯化铵(山东烟台三贡化工有限公司)，其他试剂均为分析纯。
1.2 实验仪器
赛多利斯分析天平；DDS-11A型电导率仪；pHs-25数显酸度计；101-A型数显式电热恒温干燥箱；真空干燥箱；SYP型玻璃恒温水浴；D8401型多功能搅拌器。
1.3 实验方法
1.3.1 壳聚糖衍生物的制备
(1)壳聚糖季铵盐(HACC)的合成。称取一定量壳聚糖粉末置于三颈瓶中，加入蒸馏水，水浴加热，搅拌下升温至60～80℃。再加入一定量的异丙醇和缩水甘油三甲基氯化铵，反应3～6h后用HCl和NaOH调节反应液，使其为弱酸性，出料，过滤。所得溶液浓缩后用异丙醇沉淀，析出微黄色沉淀物，室温沉化。抽滤，将所得滤饼真空烘干得到精制产物，置于干燥器内备用。
(2)羧甲基壳聚糖(CMC)的合成。称取一定量壳聚糖，加入盛有异丙醇的三颈瓶中，在搅拌下缓慢加入40%的NaOH溶液碱化一定时间后，滴入溶有氯乙酸的异丙醇溶液，于50～60℃下反应一定时间后，分出水层粘状物，加入去离子水，充分搅拌，再加入10%HCl调节pH，过滤，弃去不溶物，滤液中加入无水甲醇，有白色胶状物沉淀、静置、过滤、滤物用无水乙醇洗涤至无氯离子，真空干燥，得白色精制产物。
1.3.2 红外光谱分析
红外光谱分析结果见文中2.1部分。
1.3.3 样品取代度的测定
(1)壳聚糖季铵盐的取代度测定。采用电导滴定法测定取代度，准确称取一定量的HACC样品，溶于一定体积的去离子水，用一定浓度的AgNO3溶液滴定HACC溶液中的Cl-，作电导率κ随Ag-NO3体积V变化的滴定曲线。
(2)羧甲基壳聚糖的取代度测定。采用电位滴定法测定取代度，准确称取一定量的CMC样品，加入0.1mol/L的HCl溶液，室温下搅拌，用0.1mol/L的标准NaOH进行滴定记录pH值，作pH-V滴定曲线，用二阶导数求出曲线的拐点。
1.3.4 对味精废水的絮凝实验
实验结果以COD的去除率衡量，COD采用快速开管法测定。
2.结果与讨论
2.1 红外光谱分析
图1中曲线a和b分别为CS和HACC的红外光谱。其中1030cm-1，1079cm-1为CS一、二级醇羟基C—O伸缩振动吸收峰，1595cm-1处的N—H面内弯曲振动峰，及1322cm-1处的酰胺Ⅲ谱带是壳聚糖(a)的特征吸收峰。CS的伯胺N—H面内弯曲振动强吸收峰1595cm-1(a)在HACC的红外光谱(b)中消失，HACC在1487cm-1出现了—CH3的C—H弯曲振动强吸收峰，这说明在N上引入了羟丙基三甲基氯化铵的季铵盐侧链。

图2中曲线a和b分别为CS和CMC的红外光谱。曲线b中1415cm-1及1595cm-1处吸收峰为COO—的对称及不对称伸缩振动峰(其中1595cm-1处的强峰是COO—的不对称伸缩振动峰与N—H面内弯曲振动峰叠加产生)。这表明壳聚糖发生了羧甲基化反应。在曲线b中，1033cm-1处的一级醇羟基伸缩振动峰明显减弱。且1153cm-1处的C—O—C伸缩振动消失，表明羧甲基化反应发生在醇羟基上。

2.2 取代度的测定
2.2.1 壳聚糖季铵盐的取代度测定
取代度是壳聚糖进行取代反应生成HACC，其氨基位被取代的百分数，它是衡量HACC取代程度的一项重要指标，其数值的大小表示取代反应的难易程度和反应原料向产品的转化程度。实验采用下式计算取代度DQ：

式中：V—消耗的AgNO3体积，mL；C—AgNO3摩尔浓度，mol/L；W1—样品重量，g；W2—被取代的样品重量，g，W2=V.C×314/1000，314为单元壳聚糖季铵盐的分子量；162—单元壳聚糖分子量。
显然，上式把用作取代反应的壳聚糖(CS)的脱乙酰度假设100%。对于100%脱乙酰度的壳聚糖利用上式计算取代度是合理的。但对低于100%脱乙酰度的壳聚糖，由于分子结构中乙酰氨基的存在利用上式计算的取代度不能客观反映实际的取代度，脱乙酰度越低，计算的误差可能会越大。因此对低于100%脱乙酰度的壳聚糖，计算取代度时，对上式应进行适当修正，为此提出修正如下：

式中：D.D—壳聚糖的脱乙酰度。
利用上述修正式计算HACC的取代度约为109.57%。
2.2.2 羧甲基壳聚糖的取代度测定
羧甲基壳聚糖的取代度是指每个氨基葡萄糖残基上羧甲基取代的平均基团数，用DS表示。它是表征分子结构的一项重要指标，也是影响产品性能的主要因素。
按照下式计算其羧基取代度DS：

式中：C—NaOH标准溶液的浓度，mol/L；W—称重的样品重量，g；(V2-V1)—滴定样品中的CH2COOH所消耗的NaOH毫升数，mL。计算得CMC取代度DS为1.28。
2.3 壳聚糖其及衍生物对味精废水的絮凝性能的研究
2.3.1 味精废水的pH值对絮凝效果的影响
取50mL味精废水，用NaOH或H2SO4调节pH，分别加入0.1g/LCS、HACC、CMC溶液，电磁搅拌1h。静置取其上层清液，测定其COD，结果如图3所示。

由图3可见，3种样品的絮凝作用都是随着pH值上升先增加后降低，而且当pH在7左右时絮凝效果最好，pH值对羧甲基壳聚糖絮凝效果的影响较大。壳聚糖及其衍生物在过酸过碱效果均不佳，这由于谷氨酸发酵母液中菌体蛋白和其水解蛋白及其他胶体物等在中性下带负电荷，而壳聚糖及其衍生物为阳离子聚电解质，在高速搅拌后，能更充分地和胶团碰撞接触，发生脱稳、凝聚，直至部分架桥絮凝成较粗较密的颗粒。过酸条件下，壳聚糖主链易发生水解，生成葡萄糖胺、葡萄糖胺的衍生物或各种低分子量的多聚糖，球絮体结构松散，很难再吸附络合废水中的有机大分子物质。过碱条件下，其氨基电中性，吸附络合能力大大下降。不过从图3中我们也可看出壳聚糖衍生物克服了壳聚糖只有在偏中性下才有的较强絮凝效果，在弱碱条件下也可以有较强的絮凝效果，这使得废水pH值适用范围变宽。
2.3.2 絮凝剂投加量对絮凝效果的影响
取50mL味精废水，用NaOH或H2SO4调节味精废水pH为7，再分别加入不同浓度CS、HACC、CMC溶液，电磁搅拌1h，静置取其上层清液，测定其COD，结果如图4所示。

由图4结果可以看出，絮凝剂加入量在一定的范围内，絮凝效果随浓度增加而增加，在其他条件都相同的条件下，增加带正电的阳离子絮凝剂的浓度有助于快速充分地同胶体物质碰撞、脱稳、凝聚，并利用氢键范德华力架桥絮凝。中和胶粒表面负电荷使ζ电位降低；同时，在吸附架桥作用下使胶粒等絮凝沉降下来。但加入量过高，从图4中可知，絮凝效果反而下降，这是由于在胶粒表面吸附的大量高分子造成胶粒表面饱和，形成饱和态的带絮微粒会在各个胶粒体上形成相对独立的空间保护层，破坏胶粒之间的架桥作用，胶粒的稳定性反而增加，以致絮凝效果减弱。而当壳聚糖浓度小于0.4g/L时，用开管法测得废水COD去除率几乎为零，可能由于壳聚糖上的—NH2和—COOH可被重铬酸钾氧化，使处理水样时所消耗的重铬酸钾的量变大而使COD增大，从而抵消了少量壳聚糖絮凝作用。
2.3.3 味精废水负荷对絮凝效果的影响
将水样分别稀释不同倍数，取稀释后的水样50mL，用NaOH和H2SO4调节味精废水pH为7，再分别加入0.1g/LCS、HACC、CMC溶液，电磁搅拌1h，静置取其上层清液，测定其COD，结果如图5所示。

由图5可见，当COD为4000mg/L左右时以壳聚糖处理味精废水絮凝效果较好，当COD为7000～11000mg/L时，壳聚糖季铵盐和羧甲基壳聚糖处理味精废水絮凝效果较好。说明壳聚糖改性后对于处理高浓度味精废水有明显效果，且壳聚糖季铵盐效果优为突出。
2.3.4 搅拌时间对絮凝效果的影响
取50mL味精废水，用NaOH和H2SO4调节味精废水pH为7，再分别加入0.1g/LCS、HACC、CMC溶液，分别搅拌不同时间后，静置取其上层清液，测定其COD，结果如图6所示。

由图6可见，随着搅拌时间的增加，絮凝作用先增大后降低。搅拌能促进壳聚糖的溶解，能使絮凝剂充分混和，延长搅拌时间，能提高絮凝效果。但同时也伴随着壳聚糖的少量降解，如果搅拌时间过长会使原已形成的较大絮团在相互剧烈碰撞后又重新被打碎、分散，使之稳定性又变好，使之絮凝效果下降，而适当延长慢搅拌振荡时间，对提高絮凝效果有一定的附加作用。因此搅拌时间过长反而使絮凝效果降低，使COD去除率降低。由图6可以看出羧甲基壳聚糖搅拌7h处理味精废水絮凝效果相对较好，但是搅拌时间过长，对于实际应用意义不大，相比之下，壳聚糖季铵盐搅拌3h即可达到较好处理效果。
2.3.5 优化条件下处理结果
依据单因素实验得到的优化实验条件，在同一时间做不同絮凝剂单因素最好的平行实验。实验条件结果见表1。

从表1可以看出，HACC的COD去除率最好。
3.结论
(1)壳聚糖改性后其溶解性有了很大的改善，实验制得的壳聚糖季铵盐(取代度为109.57%)和羧甲基壳聚糖(取代度为1.28)可完全水溶。
(2)分别将壳聚糖季铵盐、羧甲基壳聚糖和壳聚糖对味精废水进行絮凝实验，壳聚糖季铵盐和羧甲基壳聚糖与壳聚糖相比，pH值适用范围宽、絮体沉降快，COD的去除率也有了很大的提高，证明了壳聚糖季铵盐和羧甲基壳聚糖都是一种具有良好反应活性的高分子絮凝剂。
(3)用1.0g/L取代度为109.57%的壳聚糖季铵盐处理COD为11000mg/L左右味精废水时效果较好，COD去除率可达97.8%。