甲殼素接枝季 基殺菌混凝劑的合成及性能研究

廖啟豐，呂 松，袁 斌

（廣東工業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

甲殼素接枝季 基殺菌混凝劑的合成及性能研究

廖啟豐，呂 松，袁 斌

（廣東工業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

以甲殼素、亞硫酰氯和三苯基膦為原料，經(jīng)取代反應(yīng)和雙分子親核加成反應(yīng)，合成了具有良好混凝性能和殺菌性能的甲殼素接枝季基殺菌混凝劑。通過正交實驗確定最佳合成條件如下：反應(yīng)物配比n（甲殼素）∶n（亞硫酰氯）∶n（三苯基膦）＝1.0∶1.5∶1.5、反應(yīng)溫度60℃、反應(yīng)時間8 h、環(huán)己酮作溶劑，將其用于p H＝6.0的高嶺土模擬廢水的混凝實驗，去濁率達(dá)80%左右。4＃實驗合成得到的殺菌混凝劑在37℃的PBS緩沖溶液中對大腸桿菌的最小抑菌濃度為10 mg·L－1，殺菌率達(dá)90%以上；當(dāng)投藥量為40 mg·L－1時，對假絲酵母菌的殺菌率達(dá)90%以上。

甲殼素；季基；接枝；殺菌；混凝劑

甲殼素是一種從甲殼類動物的外殼中提取出來的高分子化合物，具有無毒、易生物降解、分子內(nèi)活性基團(tuán)多、可選擇性高等特點(diǎn)，成本低、來源豐富，是極具潛在利用價值的自然資源。國內(nèi)外對甲殼素的分子修飾主要是利用甲殼素分子上氨基和羥基的活性，引入新的化學(xué)基團(tuán)，以達(dá)到改善甲殼素性能的目的［1，2］。

1 實驗

1.1 主要試劑與儀器

甲殼素（脫乙酰度23%），分析純；亞硫酰氯，工業(yè)級；三苯基膦，化學(xué)純；甲苯、丙酮、環(huán)己酮、無水乙醇、高嶺土，分析純。

SGZ－4001型光電濁度儀、GC－530型微機(jī)培養(yǎng)箱，上海悅豐儀器儀表有限公司；ZR4－6型混凝試驗攪拌機(jī)，深圳中潤水工業(yè)技術(shù)發(fā)展有限公司；722型紫外可見分光光度計，上海精密科學(xué)儀器有限公司；低溫冷卻循環(huán)泵，上海羌強(qiáng)儀器設(shè)備有限公司；RE－52A型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器，上海亞榮生化儀器廠；CR－3560型高壓滅菌鍋；AL104型電子分析天平，梅特勒－托利多儀器（上海）有限公司。

1.2 合成方法

實驗前將亞硫酰氯和溶劑進(jìn)行無水化處理。稱取干燥的甲殼素粉末2.5 g分散到12 m L無水化處理過的溶劑中，置于100 m L的三頸瓶中，浸泡12 h后，室溫攪拌滴加一定量的亞硫酰氯，繼續(xù)攪拌10 min后，升溫至80℃，反應(yīng)30 min，待無氣體逸出后，冷卻至室溫。稱取一定量的三苯基膦溶解到溶劑中，將其滴加到反應(yīng)體系，在設(shè)定溫度下反應(yīng)一定時間，減壓蒸除溶劑，殘余物用無水乙醇洗滌，以除去殘余的三苯基膦，過濾，真空干燥，即得目標(biāo)產(chǎn)物甲殼素接枝季基殺菌混凝劑。

1.3 分析檢測及性能測定

1.3.1 磷含量的測定

1.3.2 混凝性能的測定

控制高嶺土模擬廢水的p H值為6.0，對殺菌混凝劑的最佳投藥量進(jìn)行測定。

將1000 m L模擬廢水p H值調(diào)至6.0，分別加入0 mg、10 mg、20 mg、30 mg、40 mg、50 mg的殺菌混凝劑；于300 r·min－1快攪30 s、120 r·min－1攪拌5 min、50 r·min－1慢攪15 min，靜置30 min；取上清液測定剩余濁度，計算去濁率；繪制去濁率與投藥量的關(guān)系曲線，確定最佳投藥量。

1.3.3 殺菌性能的測定

選擇磷含量較高且混凝性能較好的殺菌混凝劑來測定其殺菌性能。將殺菌混凝劑分散到由NaCl、KCl、Na2HPO4、KH2PO4組成的PBS緩沖溶液中，采用平板計數(shù)法，測定其對大腸桿菌和假絲酵母菌的殺菌性能［8］。

2 結(jié)果與討論

2.1 合成工藝條件優(yōu)化

為考察反應(yīng)物配比［n（甲殼素）∶n（亞硫酰氯）∶n（三苯基膦），下同］、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間、溶劑對殺菌混凝劑合成的影響，設(shè)計L9（3）4正交實驗，其結(jié)果見表1，極差分析見表2。

表1 正交實驗結(jié)果Tab.1 The results of orthogonal experiment

表2 極差分析Tab.2 Range analysis of orthogonal experiment

由表1可以看出，對于p H值為6.0的高嶺土模擬廢水，在不同溶劑中合成得到的殺菌混凝劑的混凝性能差異較大，其中在環(huán)己酮中合成得到的殺菌混凝劑的去濁率比在甲苯和丙酮中合成得到的殺菌混凝劑的去濁率高，達(dá)到了80%左右。這可能是由于，甲苯和丙酮中合成得到的殺菌混凝劑保留了甲殼素原有的外貌結(jié)構(gòu)，即保留了甲殼素的疏水性，所以測定混凝性能時漂浮在水面或水中央，以至于混凝結(jié)束后不能沉降下來。若能以適合的溶劑提前將甲苯和丙酮中合成得到的殺菌混凝劑溶解，然后再進(jìn)行混凝性能測定，其去濁率將會得到提高。

由表1還可以看出，2＃實驗合成得到的殺菌混凝劑的磷含量最高，達(dá)到了5.20%（理論磷含量為6.61%）；4＃實驗合成得到的殺菌混凝劑的磷含量次之，為2.34%（理論磷含量為5.78%）。

由表2可以看出，影響殺菌混凝劑磷含量的主要因素是反應(yīng)時間和反應(yīng)溫度；影響殺菌混凝劑混凝性能的主要因素是溶劑。

結(jié)合表1、表2，單獨(dú)考慮殺菌混凝劑的殺菌性能（磷含量）時的最佳合成條件為：反應(yīng)物配比1.0∶1.5∶1.5、反應(yīng)溫度60℃、反應(yīng)時間8 h、丙酮作溶劑；單獨(dú)考慮殺菌混凝劑的混凝性能（去濁率）時的最佳合成條件為：反應(yīng)物配比1.0∶1.5∶1.0、反應(yīng)溫度60℃或70℃、反應(yīng)時間10 h、環(huán)己酮作溶劑。

綜合考慮殺菌混凝劑的殺菌性能和混凝性能，確定其最佳合成條件為：反應(yīng)物配比1.0∶1.5∶1.5、反應(yīng)溫度60℃、反應(yīng)時間8 h、環(huán)己酮作溶劑。

2.2 殺菌性能的測定

4＃實驗合成得到的殺菌混凝劑的磷含量較高且混凝性能較好，其對大腸桿菌和假絲酵母菌的殺菌性能測定結(jié)果見圖1。

圖1 甲殼素季鹽基殺菌混凝劑對大腸桿菌和假絲酵母菌的殺菌性能Fig.1 The bactericidal performance of quaternary phosphonium－based grafted chitin sterilization coagulant on E.coli and C.albicansi

由圖1可知，隨著投藥量的增加，殺菌性能逐漸增強(qiáng)。對大腸桿菌，當(dāng)投藥量為10 mg·L－1時，殺菌率達(dá)到90%以上，最小抑菌濃度為10 mg·L－1；當(dāng)投藥量為20 mg·L－1時，殺菌率接近100%。對假絲酵母菌，當(dāng)投藥量為10 mg·L－1時，殺菌率達(dá)到75%以上；當(dāng)投藥量為40 mg·L－1時，殺菌率達(dá)到90%以上。

3 結(jié)論

以甲殼素、亞硫酰氯和三苯基膦為原料，通過取代反應(yīng)和雙分子親核加成反應(yīng)，合成了具有良好殺菌性能和混凝性能的甲殼素接枝季基殺菌混凝劑。確定其最佳合成條件為：n（甲殼素）∶n（亞硫酰氯）∶n（三苯基膦）＝1.0∶1.5∶1.5、反應(yīng)溫度60℃、反應(yīng)時間8 h、環(huán)己酮作溶劑。合成得到的殺菌混凝劑對p H值為6.0的高嶺土模擬廢水的去濁率可達(dá)80%左右，對大腸桿菌和假絲酵母菌具有良好的殺菌作用。

［1］ 吳根，羅人明，趙耘摯.丙烯酰胺改性殼聚糖的制備［J］.化學(xué)世界，2001，42（2）：90－92.

［2］ 孫多先，徐正義，張曉行.季銨鹽改性殼聚糖的制備及其對紅花水提液的澄清效果［J］.石油化工，2003，32（10）：892－895.

［3］ 譚紹早，張葵花，李篤信，等.季鹽改性蒙脫土的制備及性能［J］.中南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2006，37（2）：280－285.

［4］ 李本高，張宜梅.循環(huán)水常用的幾種主要?dú)⒕鷦┑慕Y(jié)構(gòu)和殺菌效果［J］.石油煉制與化工，1998，29（4）：52－55.

［5］ Kanazawa A，Ikeda T，Endo T.Polymeric phosphonium salts as a novel class of cationic biocides.V.Synthesis and antibacterial activity of polyesters releasing phosphonium biocides［J］.Journal of Polymer Science：Part A：Polymer Chemistry，1993，31（12）：3003－3011.

［6］ 姚成，王錦堂，朱紅軍，等.殺菌劑改性季鹽及其制備方法［P］.CN 1 220 267，1999－06－23.

［7］ 婁兆文，尚先梅.磺化三苯基季膦鹽的合成及其抗腫瘤活性［J］.中國藥物化學(xué)雜志，2000，10（3）：168－171.

［8］ GB／T 14643.1－2009，工業(yè)循環(huán)冷卻水中粘液形成菌的測定平皿計數(shù)法［S］.

Study on Synthesis and Performance of Quaternary Phosphonium－Based Grafted Chitin Sterilization Coagulant

LIAO Qi－feng，LUSong，YUAN Bin
（Faculty of Environmental Science and Engineering，Guangdong University of
Technology，Guangzhou510006，China）

The quaternary phosphonium－based grafted chitin with good coagulation and bactericidal performance was synthesized from chitin，thionyl chloride and triphenylphosphine through substitution and SN2reaction.Through orthogonal experiment，the optimal synthesis conditions were obtained as follows：n（chitin）∶n（thionyl chloride）∶n（triphenylphosphine）＝1.0∶1.5∶1.5，reaction temperature was 60℃，reaction time was 8 h，cyclohexanone as solvent.The result revealed that the removal rate of turbidity of the product reached about 80%for Kaolin wastewater with p H value of 6.0.In the PBS buffer solution at 37℃，the minimum inhibitory concentration（MIC）of the product synthesized under 4＃conditions forE.coliwas 10 mg·L－1with the sterilization rate higher than 90%，and when its dosage was 40 mg·L－1，the sterilization rate reached up to 90%forC.albicansi.

chitin；quaternary phosphonium－based；grafting；sterilization；coagulant

O 636 X 703.5

A

1672－5425（2012）04－0057－03

10.3969／j.issn.1672－5425.2012.04.017

2011－12－16

廖啟豐（1986－），男，福建龍巖人，碩士研究生，研究方向：水處理控制技術(shù)；通訊作者：袁斌，教授，E－mail：gdyb1960＠126.com。