改性阳离子淀粉-凹凸棒土复合絮凝剂絮凝采收小球藻

2015-07-25董锐王元刘婷婷

化工进展 2015年5期

董锐，王元，2，刘婷婷，3

（1 盐城工学院化学与生物工程学院，江苏盐城 224051；2 安徽理工大学化学工程学院，安徽淮南 232001； 3 南通大学药学院，江苏南通 226361）

水中微藻就像陆地上的绿色植物，不仅能通过光合作用为水中的鱼虾之类的动物提供生命所需的氧气，还能够吸收水中的氨、氮和其他有机盐，从而为生物提供所需要的各种天然营养素[1-2]。此外，藻类中含有丰富的海藻油和多糖，提取海藻油可用于生物柴油的制备[3-4]，多糖可用于食品添加剂以及生物医药领域。但是微藻个体相对其它水生植物较微小，采收难度较大，费用相应也比较高[5]。

杜胜蓝等[6]利用壳聚糖-沸石复合体对铜绿微囊藻进行去除，吴乔林等[7]利用壳聚糖-凹凸棒土复合体对小球藻进行去除，石静等[8]利用壳聚糖-高岭土复合体去除铜绿微囊藻，去除率约90%，但是壳聚糖提取工艺复杂，成本较高，增加了藻类处理的费用负担。淀粉由葡萄糖构成的，植物的种子、茎或者根部都含有不少，与纤维、蛋白质等共同存在。一般从玉米中制取，除此之外还有马铃薯、甘薯、小麦等植物中淀粉含量也相对较高[9]。目前单纯利用改性阳离子淀粉絮凝剂进行水处理的应用较多[10-12]，但很少用于藻类的处理。将阳离子淀粉进行进一步处理以增大其相对分子质量及支链的技术探索相对较少。

本研究分别将阳离子淀粉和二元接枝改性阳离子淀粉用于小球藻的絮凝采收环节，考察二元接枝改性阳离子淀粉的絮凝效果，并将其与无机絮凝材料凹凸棒土进行复配[13-14]，进一步探讨了对小球藻的絮凝效果。

1 实验部分

1.1 实验仪器和实验材料

UV2310Ⅱ型紫外可见分光光度计，上海天美科学仪器有限公司；BJ-2CD 型超净工作台，上海博讯实业有限公司医疗设备；玉米淀粉，ST，食品级，南京甘汁园糖业有限公司；3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵，GTA，分析纯，上海嘉辰化工有限公司；二甲基二烯丙基氯化铵（DMDAAC），分析纯，上海嘉辰化工有限公司；凹凸棒土，工业品，安徽省明美矿物化工有限公司；小球藻，中国科学院水生生物研究所。

1.2 实验方法

1.2.1 小球藻属性的测定

（1）藻液紫外可见光吸收波长扫描

用移液枪取均匀的小球藻藻液置于比色皿中，将灭菌后的培养基液作为基准，用UV2310Ⅱ型双光束紫外可见分光光度计对藻液进行波长（600～800nm）扫描，确定最佳的紫外吸收波长。

（2）小球藻生物量的测定[7]

用7202B 型分光光度计对小球藻藻液接种光密度进行测定，并在接种后每24h 取样测定3 次其最佳紫外吸收波长处的OD 值，取平均值，监测小球藻的生长状态。

（3）小球藻细胞密度与光密度标准曲线的测定

将小球藻藻液分别稀释2 倍、4 倍、6 倍、8 倍、10 倍。用移液枪分别吸取稀释后的藻液滴入血球计数板上，使其涂布成均匀的薄片既成标本，用400倍生物显微镜观察其形态并计数，并分别测定稀释后藻液的光密度OD680值。绘制小球藻细胞密度与光密度标准曲线。

1.2.2 改性淀粉的合成

（1）阳离子淀粉的合成[15-16]

加适量水于烧杯中，加入少量 NaOH，待NaOH 溶解后加入适量淀粉，碱化10min 后加入GTA 搅拌1h，然后在70～90℃下反应2.5h，得粗品。用含有少量乙酸的乙醇浸泡，过滤，干燥，得产品。

（2）二元接枝改性阳离子淀粉的合成

称取适量阳离子淀粉于三口烧瓶，加入蒸馏水，在90℃水浴中搅拌至完全溶解。在45℃通入N2，在 N2气氛加入硝酸铈铵作为引发剂，再加入60%DMDAAC 溶液反应4h。待反应液降至室温调节pH 值至中性。无水乙醇反复洗涤，真空干燥。用丙酮索氏提取8～10h。

1.2.3 絮凝剂的制备

分别取适量阳离子淀粉、二元接枝共聚改性淀粉于烧杯，加入适量水，充分搅拌使其完全溶解待用。将二元接枝共聚改性淀粉与凹凸棒土按一定的比例复配，常温搅拌24h，在75℃下干燥，研磨过200 目筛，即可制得复合絮凝剂。

1.2.4 单因素实验

以藻液的透光度作为考察对象，反映藻液的絮凝率。研究二元接枝共聚改性淀粉与凹凸棒土摩尔比（1∶6，1∶7，1∶8，1∶9，1∶10，1∶11，1∶12，1∶13，1∶14）、pH 值（4，5，6，7，8，9，10，11，12）、淀粉投加量（0.01g，0.02g，0.03g，0.04g，0.05g，0.06g）和沉降时间（30min，60min，90min，120min，150min，180min，210min，240min）对絮凝率的影响。 1.2.5 正交试验

在单因素实验的基础上对各因素水平进行系统的絮凝实验，在各因素相互影响的情况下确定最佳的絮凝条件。

2 实验结果与讨论

2.1 藻液紫外可见光吸收波长扫描结果

如图1 所示，小球藻藻液在波长为680nm 附近具有强的吸收峰，确定了藻液在680nm 处的吸光度值最佳。通过方程y=14.78833x+0.00378（y 表示藻细胞密度，x 表示OD680值）将藻液光密度OD680值换算成藻细胞密度[7]，从而计算絮凝率。以OD680反映小球藻藻液的胞密度，为了防止溶液内各高度藻液分布不均匀，统一取用3cm 处。利用式（1）计算絮凝率。

2.2 阳离子淀粉、二元接枝共聚改性淀粉对小球藻絮凝效果的影响因素

2.2.1 pH 值对絮凝效果的影响

图1 小球藻藻液紫外可见光吸收波长扫描

在投加量为0.02g、沉降时间为180min 条件下考察pH 值变化对絮凝效果的影响。分别称取0.2g CS 以及CS-DMDAAC 各自溶解于10mL 蒸馏水，然后分别吸取1mL 溶液加入100mL 小球藻培养液中，分别调节藻液pH 值为3、4、5、6、7、8、9、10、11，搅拌5min（转速300r/min），静置沉降180min，测定絮凝效果。

由图2 可知，随着 pH 值的增加，CS 和CS-DMDAAC 对小球藻的絮凝率均快速增加，当pH 值达到7 时增速趋缓，pH 值为9 时絮凝率达到最大。继续增加pH 值，絮凝率反而降低，可能由于pH 值不断扩大，溶液当中的OH-增多，中和了淀粉中的阳离子，所以絮凝率下降。在相同pH 值条件下，CS-DMDAAC 的絮凝效果明显优于CS。

图2 不同pH 值条件下二元接枝改性阳离子淀粉、阳离子淀粉对小球藻絮凝率的影响

2.2.2 投加量对絮凝效果的影响

图3 是在pH 为9、沉降时间为180min 的条件下考察絮凝剂投加量对絮凝效果的影响。分别称取0.1g、0.2g、0.3g、0.4g、0.5g、0.6g CS 以及CS-DMDAAC 溶解于10mL 蒸馏水，然后分别吸取1mL 加入100mL 小球藻培养液中，搅拌5min（转速300r/min），静置沉降180min，测定絮凝效果。

由图 3 可知，随着投加量的增加，CS 和CS-DMDAAC 对小球藻的絮凝率均快速增加，当投加量达到0.03g 时，CS 对小球藻絮凝率的增速趋缓，CS-DMDAAC 对小球藻絮凝率继续增加，当投加量达到0.05g 时，CS-DMDAAC 絮凝率达到最大。继续增加投加量，CS 和CS-DMDAAC 絮凝率趋于稳定。在相同投加量条件下，CS-DMDAAC的絮凝效果明显优于CS。

图3 二元接枝改性阳离子淀粉、阳离子淀粉不同的投加量对小球藻絮凝率的影响

2.2.3 沉降时间对絮凝效果的影响

图4 在pH 值为9，投加量为0.02g 条件下考察沉降时间对絮凝效果的影响。分别称取0.4g CS以及CS-DMDAAC 于10mL 盐酸（5mol/L）溶液中，然后分别吸取1mL 加入100mL 小球藻培养液中，搅拌5min（转速300r/min），静置沉降，分别于30min、60min、90min、120min、150min、180min、210min、240min 取样测定絮凝效果。

由图4 可知，随着沉降时间的增加，CS 和CS-DMDAAC 对小球藻的絮凝率均快速增加，当沉降时间达到210min 时，絮凝率达到最大值，继续延长沉降时间，絮凝率趋缓。在相同沉降时间条件下，CS-DMDAAC 的絮凝效果明显优于CS。

综合考察三组单因素实验，结果发现CS-DMDAAC 的絮凝效果明显优于CS，这是由于DMDAAC 与CS 发生了接枝共聚，一方面增加了絮凝剂分子链上的正电荷数，利于吸附带负电荷的小球藻；另一方面共聚后分子链由线型转变成空间网络结构，更有利于捕捉小球藻。为进一步优化絮凝效果，选择CS-DMDAAC 与凹凸棒土进行复配对小球藻进行絮凝采收。

2.3 二元接枝改性阳离子淀粉复合凹凸棒土对小球藻絮凝效果的影响因素

2.3.1 pH 值对絮凝效果的影响

图4 不同的沉降时间下CS-DMDAAC、CS 对小球藻絮凝率的影响

在絮凝剂投加量为0.03g、絮凝剂与凹凸棒土的比例为1∶8、沉降时间为180min 条件下考察pH值变化对絮凝效果的影响。分别调节藻液pH 值为4、5、6、7、8、9、10、11，搅拌5min（转速300r/min），静置沉降180min，测定絮凝率。

由图5 可知，随着pH值的增加，CS-DMDAAC-凹凸棒土与CS-DMDAAC 对小球藻的絮凝率均快速增加，当pH 值达到9 时，絮凝效果均达到最高。继续增加pH 值，CS-DMDAAC-凹凸棒土的絮凝率快速下降，这可能是由于阳离子被过多的OH-中和，凹凸棒土的加入反而影响了絮凝效果。在相同pH 值条件下，CS-DMDAAC-凹凸棒土的絮凝率均大于CS-DMDAAC。

图5 不同pH 值条件下二元接枝改性阳离子淀粉复合凹凸棒土对絮凝效果的影响

2.3.2 投加量对絮凝效果的影响

图6 在pH 值为9、复配比为1∶8、沉降时间为180min 条件下考察投加量对絮凝效果的影响。分别称取0.01g、0.02g、0.03g、0.04g、0.05g、0.06g的二元接枝改性阳离子淀粉，按比例与凹凸棒土复配，分别加入小球藻培养液中，搅拌5min（转速300 r/min），静置沉降180min，测定絮凝效果。

由图 6 可知，随着投加量的增加，CS-DMDAAC-凹凸棒土与CS-DMDAAC 对小球藻的絮凝率均快速增加，当投加量达到0.04g 时，絮凝率分别达到98.4%和93.5%。继续增加投加量，两者的絮凝率均趋于稳定。在相同投加量条件下，CS-DMDAAC- 凹凸棒土的絮凝率均大于CS-DMDAAC。

图6 二元接枝改性阳离子淀粉-凹凸棒土复合絮凝剂不同的投加量对小球藻絮凝率的影响

2.3.3 沉降时间对絮凝效果的影响

图7 在絮凝剂投加量为0.03g、絮凝剂与凹凸棒土的复配比例为1∶8、pH 值为9 条件下考察不同沉降时间（30min、60min、90min、120min、150min、180min，210min，240min）对絮凝效果的影响。

由图 7 可知，随着沉降时间的增加，CS-DMDAAC-凹凸棒土与CS-DMDAAC 对小球藻的絮凝率均快速增加，当沉降时间达到180min 时，絮凝率分别达到98.5%和86.5%。继续延长沉降时间，CS-DMDAAC-凹凸棒土的絮凝率趋于稳定。在相同沉降时间条件下，CS-DMDAAC-凹凸棒土的絮凝率均大于CS-DMDAAC。

2.3.4 复配比对絮凝效果的影响图8 在pH 值为9、投加量为0.03g、沉降时间为180min 的条件下考察CS-DMDAAC/凹凸棒土复配比对絮凝效果的影响。

图7 不同的沉降时间下二元接枝改性阳离子淀粉-凹凸棒土复合絮凝剂对小球藻絮凝率的影响

图8 二元接枝改性阳离子淀粉与凹凸棒土的复配比对絮凝效果的影响

由图8 可知，随着复配比的增加，絮凝率也在增加，当复配比达到1∶8 时，絮凝率达到最高。继续增加复配比，絮凝率快速下降，这可能是由于过多的凹凸棒土不能与淀粉进行有效充分的复配，混溶在小球藻液中影响最终的絮凝效果。

2.4 正交实验考察二元接枝共聚淀粉复合凹凸棒土对小球藻的絮凝效果

为了优化实验条件，在单因素实验的基础上，进行了四因素三水平正交实验，因素水平见表3。采用L9(43)正交表进行实验，结果见表4。

表1 正交实验因素水平表

表2 正交实验结果

由表2 中数据可以得出，各因素对絮凝效果的影响顺序为：沉降时间＞投加量＞ pH 值＞复配比例。最优方案为D3C2A3B3，即沉降时间为210min、CS投加量为0.04g、pH 值为9、CS 与凹凸棒土的比例为1∶9。在该条件下进行了平行实验，结果小球藻的絮凝率为99.1%。

2.5 二元接枝共聚淀粉复合凹凸棒土对小球藻絮凝效果的表征

如图9 所示，(a)为凹凸棒土的电镜图，可以看出凹凸棒土呈现纤维状，并且表面具有很多松散的毛絮。(b)为二元接枝共聚淀粉与凹凸棒土复合絮凝剂的电镜图，改性壳聚糖包裹在了凹凸棒土的表面，使得原先的毛絮状变成了凹凸不平的平面，并形成了空间构型，这样更有利于吸附小球藻。由(c)可以明显看到，许多絮凝剂表面形成了许多条状突起，这些原本是絮凝剂本身的毛絮，因为吸附了大量的小球藻而增粗、增大。