羧烷基-季铵两性壳聚糖的制备及其阻垢杀菌性能

张惠欣，葛丽环，周宏勇，朱玉超，王 枫

（河北工业大学化工学院，天津 300130）

研究开发

羧烷基-季铵两性壳聚糖的制备及其阻垢杀菌性能

张惠欣，葛丽环，周宏勇，朱玉超，王 枫

（河北工业大学化工学院，天津 300130）

采用氯乙酸、丙烯酸和 2,3-环氧丙基三甲基氯化铵对壳聚糖（CTS）改性，制得羧甲基-季铵壳聚糖（CMQAC）和羧乙基-季铵壳聚糖（CEQAC），并通过IR、1H NMR、XRD对产物进行了结构确证。用静态阻垢的方法对两性壳聚糖衍生物阻硫酸钙垢的性能进行了评价，结果表明两性壳聚糖用量为16 mg/L、[Ca2+]＜2000 mg/L、[SO42－]＜4800 mg/L时，阻垢率可达到100%。用小瓶测试法测定不同季铵取代度（DS）的两性壳聚糖对异养菌的杀菌效果。研究结果表明，在用量为30 mg/L时，CMQAC季铵取代度为0.73时杀菌率为99.7% ，CEQAC季铵取代度为0.50时杀菌率为99.2%，改性后壳聚糖衍生物的阻垢和杀菌性能与壳聚糖相比有了明显提高。

两性壳聚糖；阻垢；杀菌；多功能水处理药剂

常用的水处理药剂功能单一，生物降解性能不佳，开发绿色水处理药剂[1-2]和多功能水处理药剂是当前研究的热点。作为自然界中唯一的阳离子碱性多糖，壳聚糖（2-氨基-2-脱氧-β-D-葡萄糖）资源丰富[3]，无毒无害，可生物降解。壳聚糖大分子链中含有大量的—NH2、—OH，可以进行多种形式的化学改性，例如通过酰化、羧化、迈克尔加成及羟基化改性后可引入酰基、羧基及羟基等基团，改善它的溶解性，扩展其应用范围。壳聚糖本身具有一定的杀菌性[4-6]，在水处理方面有了一定的应用[7-8]。目前的研究工作主要是壳聚糖及其单改性衍生物的絮凝[9-10]、吸附[11]和重金属等的脱除，并开始对其阻垢性能进行研究[12]，但是同时具有阻垢与杀菌双功能的两性壳聚糖衍生物在水处理中的应用未见报道。

目前，在油田注水、多级闪蒸海水淡化、苦咸水淡化、反渗透工艺和浓海水制盐等方面都会遇到硫酸钙结垢问题。本文采用氯乙酸、丙烯酸和 2,3-环氧丙基三甲基氯化铵对壳聚糖进行改性，制得两种分子结构中既含有羧基又含有季铵基团的有强两性电学特征的壳聚糖衍生物，并就其对硫酸钙的阻垢性能和异养菌的杀菌性能进行了评价。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

壳聚糖购自济南海得贝海洋生物工程有限公司（脱乙酰度大于95%），2,3-环氧丙基三甲基氯化铵购自东营市飒格曼石油科技开发有限责任公司，其余均为市售分析纯试剂。

1.2 壳聚糖的改性

1.2.1 壳聚糖降解及分子量的测定

由于壳聚糖的结构中存在大量分子内和分子间氢键，化学性质稳定，直接用高分子量壳聚糖进行改性修饰得到完全水溶性的衍生物难度比较大，反应时间长，且需要大量的碱液和有机溶剂。本实验采用微波-H2O2联合降解的方法在4%的H2O2中60 ℃下辐射10 min制得了低聚壳聚糖，然后对其改性。

低聚壳聚糖分子量的测定采用黏度法中的“一点法”，即精确称取一定量的壳聚糖或其降解产物，溶于 0.1 mol/L CH3COOH-0.2 mol/LNaCl混合溶剂中，充分溶解后静置浓度为C；过滤后取滤液15 mL移入乌式黏度计，将黏度计垂直固定于(25±0.1) ℃水浴中恒温10 min以上，用秒表先测溶剂的下落时间t0；再测样品溶液的下落时间t。根据经验公式式（1）～式（4）计算分子量[13]。

式中，η为特性黏度，mL/g；t0为溶剂下落时间，s；t为样品溶液下落时间，s；C为样品的浓度，g/mL；K=1.81×10－3，cm3/g；M为降解产物的相对分子质量；α=0.93。

经过测定原料壳聚糖的相对分子质量为99×104，降解壳聚糖的相对分子质量为3.8×104。1.2.2 羧甲基-季铵两性壳聚糖（CMQAC）的制备

在100 mL三口瓶内加入3.00 g低聚壳聚糖、5.00 g氢氧化钠、6.00 g氯乙酸和50 mL去离子水，65 ℃反应4 h后加入一定量的2,3-环氧丙基三甲基氯化铵，继续反应4 h，得到棕红色溶液，过滤除掉少量不溶性壳聚糖，加乙醇析出产物，用适量甲醇多次洗涤，可得到羧甲基-季铵两性壳聚糖。

1.2.3 羧乙基-季铵两性壳聚糖（CEQAC）的制备

在100 mL三口瓶内加入3.00 g低聚壳聚糖和一定量的2,3-环氧丙基三甲基氯化铵，然后加入50 mL去离子水，65 ℃反应4 h后加入2 mL丙烯酸继续反应4 h，得到透明棕红色溶液，加乙醇析出产物，用适量甲醇多次洗涤，即可得到羧乙基-季铵两性壳聚糖。

1.3 季铵取代度的测定

准确称量改性后的壳聚糖样品，溶于定量的水中，用AgNO3标准溶液滴定样品中Cl－，按式（5）计算季铵盐的取代度[6]。

DS=V·C·10－3/[V·C/1000+（W1－W2）/162]×100% （5）

式中，C为AgNO3标准溶液的浓度，mol/L；V为消耗的AgNO3标准溶液的体积，mL；W1为样品质量，g；W2为被取代的样品质量，g；W2=V·C×314/1000；162为单元壳聚糖相对分子质量，314为单元壳聚糖季铵盐的相对分子质量。

1.4 阻硫酸钙垢性能测试

采用静态阻垢法进行硫酸钙阻垢性能测试，即：在250 mL的容量瓶中，先加入100 mL水，然后加入一定量的CaCl2溶液和一定浓度的两性壳聚糖溶液（阻垢剂），再加入一定量的Na2SO4溶液。参照国标《GB/T 16632—1996水处理剂阻垢性能的测定-碳酸钙沉积法》在50 ℃下恒温10 h，然后以钙黄素为指示剂，用EDTA标准溶液滴定去除了硫酸钙垢的溶液中钙离子的含量。阻垢率η的计算公式见式（6）。

式中，C0为实验前配制好的试液中的钙离子浓度，mg/L；C1为加入阻垢剂的试液实验后的钙离子浓度，mg/L；C2为未加入阻垢剂的空白试液实验后的钙离子浓度，mg/L。

1.5 杀菌性能测试

采用小瓶测试法进行异养菌杀菌效果的评价，并用MPN法进行计数。测试菌种取自某厂循环水系统，经自制培养基培养后，以标准水（GB/T 18175—2000的附录A推荐的标准水）按1∶50进行稀释后使用。菌药接触时间为4 h，培养温度为(35 ±0.5) ℃，共培养7天。 以百分数表达的杀菌率X按照式（7）计算。

式中，A为空白对照样的菌数，个/mL；B为加药试样的存活菌数，个/mL。

2 结果与讨论

2.1 壳聚糖及两性壳聚糖衍生物的结构表征

图1 羧甲基-季铵两性壳聚糖（a）、羧乙基-季铵两性壳聚糖（b）和壳聚糖（c）的红外谱图

从图1中可以看出壳聚糖（CTS）在3400 cm－1左右有较宽的强吸收峰，这是壳聚糖分子链中—OH和—NH2的特征吸收形成。在发生羧甲基化和羧乙基化反应后此处峰形发生了明显变化：高波数端变得尖锐且波数蓝移。这是由于壳聚糖改性后分子中—OH和—NH2氢键数目和强度变小的缘故，这一点可以从1100～1000 cm－1处醇类C—O键振动吸收峰的减弱和变窄得到印证。若干小峰叠加在低波数一侧的峰形上，呈现典型的羧酸OH吸收的特点，这是羧酸中羟基与羧基倍频耦合所致。2900 cm－1附近从单峰变为双峰，且强度明显偏大，这是来自季铵化处理后引入的甲基或亚甲基的C—H吸收，而高脱乙酰度的壳聚糖主要在2890 cm－1呈现次甲基C—H的吸收。羧甲基-季铵壳聚糖在1601 cm－1处吸收增强，为—C=O 不对称伸缩振动特征峰与壳聚糖原有的酰胺Ⅰ峰重叠，说明羧基接枝到壳聚糖分子链上，同时在1480 cm－1吸收增强，为—CH3、—CH2的伸缩振动吸收峰，说明季铵基团接枝成功。羧乙基-季铵壳聚糖在 1621 cm－1出现了较强的吸收，说明丙烯酸与壳聚糖接枝引入了—C=O，在1480 cm－1处吸收增强，说明存在—CH3和—CH2，它们来自季铵基团。同时红外光谱图（b）中900～600 cm－1之间没有出现特征的=C—H面外变形振动吸收，也说明了丙烯酸和壳聚糖的接枝反应为壳聚糖氨基与丙烯酸碳碳双键之间的迈克尔加成反应。

以 D2O为溶剂对两性壳聚糖进行氢核磁共振表征，如图2和图3所示。

图2 羧甲基-季铵两性壳聚糖核磁共振氢谱

图3 羧乙基-季铵两性壳聚糖核磁共振氢谱

由图2和图3可以看出，CMQAC和CEQAC均在化学位移3.16处出现了很强的单峰，为季铵中甲基的峰，CMQAC在3.9处的峰为壳聚糖C6—OH与氯乙酸发生醚化后亚甲基的峰，CEQAC在化学位移2.5处出现了丙烯酸发生迈克尔加成反应后生成的亚甲基的峰，证明两性基团接枝成功。

图4为壳聚糖和两性壳聚糖衍生物的XRD谱图。从衍射图可以看出壳聚糖在10°和20°附近有两个强衍射峰，这是壳聚糖分子结晶化程度的体现，其晶化程度越高，两者信号越强。在CMQAC和CEQAC的衍射图中，10°处的衍射峰几乎消失，20°附近的衍射峰强明显变弱，峰形变宽，分子的晶化度明显降低，并向无定形特征转化，说明改性基团的引入增加了壳聚糖分子链间的距离，扰乱了壳聚糖原来的有序排列，使改性产物结晶度下降，这也是这些两性壳聚糖衍生物表现出良好水溶性的根本原因。

2.2 壳聚糖及两性壳聚糖衍生物对硫酸钙的阻垢性能

2.2.1 [Ca2+]的浓度变化对阻垢性能的影响

表1给出了壳聚糖、羧甲基-季铵两性壳聚糖和羧乙基-季铵两性壳聚糖在不同[Ca2+]浓度下的阻垢率。

首先CTS、CMQAC及CEQAC的用量固定为20 mg/L，改变水样中 Ca2+的加入浓度，[Ca2+]与[SO42－]摩尔比为1∶1，在50 ℃下恒温10 h，考察[Ca2+]的变化对CTS、CMQAC和CEQAC阻垢性能的影响，见表1。由表1中的实验结果可知，在阻垢剂用量不变的情况下，壳聚糖阻硫酸钙垢的能力很弱，在[Ca2+]为1600 mg/L时，阻垢率仅为19%。而改性后的两性壳聚糖衍生物CMQAC和CEQAC却表现出了良好的阻垢性能，当[Ca2+]小于 1900 mg/L、[SO42－]浓度小于4560 mg/L时，阻垢率都能达到100%，随着[Ca2+]的提高，阻垢率略有下降，相比之下，CEQAC的下降程度要小一些，当[Ca2+]为2200 mg/L，[SO42－]为5280 mg/L，时，阻垢率仍然可以达到96%以上。

图4 羧甲基-季铵两性壳聚糖、羧乙基-季铵两性壳聚糖和壳聚糖的XRD图

表1 [Ca2+]对壳聚糖、羧甲基-季铵两性壳聚糖及羧乙基-季铵两性壳聚糖阻垢率的影响

2.2.2 阻垢剂用量变化对阻垢性能的影响

表2给出了壳聚糖、羧甲基-季铵及羧乙基-季铵两性壳聚糖不同的用量对阻垢率的影响。

保持体系中[Ca2+]为1900 mg/L、[SO42－]为4560 mg/L，改变CTS、CMQAC和CEQAC的加入量，考察药剂用量对硫酸钙阻垢性能的影响，由表2可以看出，在[Ca2+]含量不变的情况下，随着CMQAC和CEQAC加入量增加阻垢率呈上升趋势，在阻垢剂用量高于16 mg/L后，阻垢率都可以达到100%。相同条件下，CMQAC和CEQAC的阻垢率明显高于CTS。

2.3 两性壳聚糖衍生物对异养菌的杀菌性

表 3 给出了不同取代度的羧甲基-季铵与羧乙基-季铵两性壳聚糖对异样菌的杀菌率。

在加药量为30 mg/L时，测定CTS及不同季铵取代度的两性壳聚糖对异养菌的杀菌效果。CTS对异养菌的杀菌率仅为 13%；由表 3可以看出，CMQAC的季铵取代度对杀菌率的影响变化不大，都在 95%以上，当壳聚糖与季铵的投料质量比为1.00～1.50时，产物的季铵取代度在0.7附近，同时产品也给出了最高杀菌率，在 99%以上；而对于CEQAC来说，随着季铵加入量的增加，季铵取代度和杀菌率都呈现明显上升的趋势，当壳聚糖与季铵的加料比为1.00∶1.50时，得到的产品季铵取代度为0.50，其杀菌率最高，为99.2%。说明经过改性处理得到的壳聚糖衍生物，由于季铵基团的存在，其对异养菌的杀菌能量得到了极大的提高，可以获得非常理想的杀菌效果。

表2 壳聚糖、羧甲基-季铵及羧乙基-季铵两性壳聚糖用量对阻垢率的影响

表3 羧甲基-季铵与羧乙基-季铵两性壳聚糖的杀菌性能评价结果

3 结 论

（1）采用氯乙酸、丙烯酸和2,3-环氧丙基三甲基氯化铵对低聚壳聚糖改性制备两性壳聚糖衍生物CMQAC和CEQAC，并通过IR、1H NMR、XRD对产物进行了结构确证。

（2）采用静态阻垢的方法对壳聚糖、羧甲基-季铵和羧乙基-季铵两性壳聚糖阻硫酸钙垢的性能进行了评价。结果表明，两性壳聚糖用量为 16 mg/L以上，[Ca2+]≤1900 mg/L，[SO42－]≤4560 mg/L，阻垢率可达到 100%；与壳聚糖相比阻垢率明显提高。

（3）采用小瓶测试法测定了不同季铵取代度的两性壳聚糖对异养菌的杀菌率。结果表明，在加药量为30 mg/L时，羧甲基-季铵壳聚糖季铵取代度为0.73时杀菌率为99.7%，羧乙基-季铵壳聚糖季铵取代度为0.50时杀菌率为99.2%；与壳聚糖相比，两性壳聚糖衍生物对异养菌的杀菌性能得到明显改善。

综上，羧甲基-季铵壳聚糖和羧乙基-季铵壳聚糖具有优良的阻硫酸钙垢性能，且对异养菌有非常理想的杀菌效果，是一种有应用前景的绿色多功能水处理药剂。

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Prepration of amphoteric carboxyalkyl-quaternary ammonia chitosan derivatives and
performances on both scaling inhibition and bacterial inhibition

ZHANG Huixin，GE Lihuan，ZHOU Hongyong，ZHU Yuchao，WANG Feng
（School of Chemical Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China）

Chitosan was modified by chloroacetic acid，acrylic acid and 2,3-epoxypropyl trimethyl ammonium chloride to obtain amphoteric carboxymethyl-quaternary ammonium chitosan（CMQAC）and amphoteric carboxyethyl-quaternary ammonium chitosan（CEQAC），then the structures of the products were confirmed by IR，1H NMR and XRD. The performance of scaling inhibition of amphoteric chitosan derivatives with respect to CaSO4were evaluated by static antiscaling experiment，and the results showed that the inhibition rate could be up to 100% when the dosage of amphoteric chitosan derivatives was 16 mg/L，[Ca2+]＜2000 mg/L and [SO42－]＜4800 mg/L. The bacterial inhibition of amphoteric chitosan derivatives with different degrees of substitution（DS）of quaternary ammonium was measured with the vial method. The results showed that the sterilizing rates can be up to 99.7% and 99.2% with chitosan derivative addition of 30mg/L when the DS of quaternary ammonium was 0.73 and 0.50 respectively for CMQAC and of CEQAC. The modification resulted in a great improvement in scaling inhibition and bacterial inhibition of chitosan derivatives in comparison with chitosan.

amphoteric chitosan；scaling inhibition；bacterial inhibition；multifunction water chemicals

O 629.12

A

1000-6613（2011）09-2055-05

2011-03-16；修改稿日期2011-04-25。

及联系人：张惠欣（1965—），女，高级工程师，主要从事专用化学品合成及其应用研究。E-mail zhanghuixin@ hebut.edu.cn。