香樟叶水提取物的制备及其阻垢性能研究

张 攀， 李冬伊， 郭心瑜， 吕小改， 岑世宏

(郑州工业应用技术学院 药学与化学工程学院， 河南 郑州 450000)

阻垢剂是防止或干扰难溶性无机盐在金属表面沉淀、结垢的一种药剂，在工业生产中常常被加入到工业循环水中除去水垢或者阻止水垢的形成，提高热交换效率，减少电能和燃料的消耗。传统阻垢剂因使用量大、不易生物降解、对环境造成污染等而发展受限[1]。随着人们环保意识逐步提高，绿色环保阻垢剂逐渐成为研究热点。鉴于天然植物型水处理剂具有高效的阻垢性能及生物降解性，对生态环境十分友好，近年来研究者开始从天然植物中提取有效成分来制备天然植物型阻垢剂。Zakiyeh等[2]采用倒根草提取物作为阻垢剂，发现其对CaCO3阻垢率高达99.5%，认为其原因是提取物中含有羧基、酯基和醚键等，具有很强的阻垢作用。Aidoud等[3]采用橄榄叶提取物作为阻垢剂，发现橄榄叶提取物的浓度越高，其阻垢性能越好，对CaCO3阻垢率可达100%。张小云等[4]对紫苏进行提取，并通过静态阻垢法测定其对CaCO3、CaSO4和Ca3(PO4)2的阻垢性能，发现该天然植物具有良好的阻垢性能，其对Ca3(PO4)2和CaCO3的阻垢率分别为98%和85%以上。

香樟树分布于长江以南各地，香樟叶产量丰富，价廉易得。研究表明，樟树叶富含大量的活性物质，如黄酮及其衍生类有芦丁、槲皮素-3-O-β-D-半乳糖苷、山奈酚-3-O-β-D-芸香糖苷、异鼠李素-3-O-β-D-芸香糖苷、木脂素及生物碱类新木姜子碱和网状番荔枝碱等[5]，其中糖苷、黄酮和生物碱类里面含有较多的羟基、羧基以及含氧杂原子，因此香樟叶是一种潜在的天然植物型阻垢剂。本文以价廉易得的香樟叶为研究对象，采用水浸渍法制备香樟叶水提取物，通过静态阻垢法探究其阻垢性能。

1 实验方法

1.1 实验试剂与仪器

1.1.1 试剂

主要试剂有：无水氯化钙、十水四硼酸钠、碳酸氢钠、无水硫酸钠、氢氧化钾、氯化钾、磷酸二氢钾、抗坏血酸、钼酸铵、酒石酸锑钾、硫酸(纯度>95%)、钙羧酸指示剂和乙二胺四乙酸二钠。

1.1.2 仪器

主要仪器有：电子分析天平(JA1003，上海越平科学仪器有限公司)；普系列超纯优水机(Z19123738KS，四川优普超纯科技有限公司)；粉碎机(MJ-BL25B2，广东美的生活电器有限公司)；电热鼓风干燥箱(BGZ-246，上海博迅医疗生物仪器股份有限公司)；分析天平(FA10048天津越平舟学仪器有限公司)；可见分光光度计(723，上海析谱仪器有限公司)；数显双列六孔恒温水浴锅(3219186553，常州市金坛大地自动化仪器厂)。

1.2 香樟叶提取物的制备方法

香樟叶原料产地为湖北省荆州市。将香樟叶用蒸馏水清洗干净，放入电热鼓风干燥箱中烘干，烘干后将其粉碎成粉末，备用。使用分析天平称取香樟叶粉末20 g，置于500 mL圆底烧瓶中，加蒸馏水300 mL，80 ℃条件下搅拌加热6 h。冷却后，使用纱布过滤，然后使用布氏漏斗进行抽滤，得到滤液，将滤液置于干燥箱中烘干后得到香樟叶水提取物(CPLA)，称其重量为2.75 g。

1.3 阻垢剂性能评价方法

采用静态阻垢法探究不同浓度的CPLA对CaCO3、Ca3(PO4)2、CaSO43种钙垢的阻垢性能。根据国家标准GB/T 16632-2008、GB/T 22626-2008及相关文献[6-9]，在80 ℃和60 ℃水浴条件下，设置空白组(不加提取液的试样组)和加入提取液的试样组，测定其加热后的Ca2+浓度，计算出CPLA对CaCO3、CaSO4、Ca3(PO4)23种钙垢的阻垢率，从而评定CPLA对CaCO3、CaSO4、Ca3(PO4)2的阻垢性能。

2 结果与分析

2.1 CPLA在不同浓度下对碳酸钙的阻垢性能分析

不同浓度的CPLA对CaCO3阻垢效果如图1所示。可以看出，CPLA对CaCO3阻垢性能随着其浓度增加而不断增强：当CPLA浓度为200 mg/L时，阻垢率为18.48%；当CPLA浓度为800 mg/L时，阻垢率为71.74%；当CPLA浓度达到1 000 mg/L时，阻垢率达到80.14%。这说明CPLA浓度与阻垢率呈正相关性。当CPLA的浓度超过800 mg/L之后，阻垢率上升缓慢，其原因是CPLA浓度增加，导致其所含羧基、羟基等官能团数量随之增加，增加了对水中Ca2+的螯合作用，从而生成水溶性好、稳定性较强的配合物，减少了钙离子的沉积，达到阻垢的目的[10]。

图1 不同浓度的CPLA对CaCO3的阻垢效率Fig. 1 Efficiency of different concentrations of CPLA in inhibiting CaCO3 scaling

2.2 CPLA在不同浓度下对硫酸钙的阻垢性能分析

不同浓度的CPLA对CaSO4阻垢效果如图2所示。可以看出，CPLA对CaCO3的阻垢性能随着其浓度增加而不断增强：当CPLA浓度为60 mg/L时，阻垢率为54.39%；当CPLA浓度为80 mg/L时，阻垢率为78.51%；当CPLA浓度达到100 mg/L时，阻垢率达到95.50%，阻垢性能最好。这说明CPLA浓度与阻垢率呈正相关性。这主要是因为阻垢剂在水中发生电离作用，电离出阴离子如羧基和羟基，阴离子吸附在垢离子表面，增加了颗粒之间的静电斥力，减少了颗粒的沉积，起到了阻垢的效果[11]。

图2 不同浓度的CPLA对CaSO4的阻垢效率Fig. 2 Efficiency of different concentrations of CPLA in inhibiting CaSO4 scaling

2.3 CPLA在不同浓度下对磷酸钙的阻垢性能分析

不同浓度的CPLA对Ca3(PO4)2阻垢效果如图3所示。当CPLA浓度为400 mg/L时，阻垢率为26.30%；当CPLA浓度为800 mg/L时，阻垢率达到66.60%；当CPLA浓度为1 000 mg/L时，阻垢率达到82.30%。这说明CPLA对Ca3(PO4)2的阻垢性能随着其浓度增加而不断增强，CPLA浓度与阻垢率呈正相关性。CPLA浓度超过800 mg/L后，其阻垢率仍进一步增加，原因是阻垢剂分子可以与水溶液中的Ca2+发生螯合作用，减小了Ca3(PO4)2垢的生成量，随着加入CPLA浓度的增加，阻垢率也增大。

图3 不同浓度的CPLA对Ca3(PO4)2的阻垢效率Fig. 3 Efficiency of different concentrations of CPLA in inhibiting Ca3(PO4)2 scaling

2.4 Ca2+浓度对碳酸钙阻垢性能的影响

在循环冷却水体系中，水中Ca2+浓度影响阻垢剂的阻垢性能。在水温为80 ℃，CPLA浓度为800 mg/L的条件下，在不同的Ca2+浓度的水中，CPLA对CaCO3阻垢率曲线如图4所示。随着Ca2+的浓度增加，CPLA对CaCO3的阻垢率逐渐降低[12]：当Ca2+浓度为120 mg/L时，阻垢率可以达到100%；当Ca2+浓度为360 mg/L时阻垢率下降为44.41%；当Ca2+浓度在120～360 mg/L范围内时，CPLA对Ca2+的阻垢效率下降了55.59%。这说明CPLA对CaCO3的阻垢率随着Ca2+的浓度增加而降低，CPLA在Ca2+浓度较低的水环境中才具有较好的阻垢性能。这可能是溶液中Ca2+浓度的增加，导致所需CPLA有效成分的量增加，然而溶液体系中CPLA的量是一定的，即体系中CPLA相对有效成分减少，造成了CPLA阻垢率的下降。

图4 Ca2+浓度对CPLA对CaCO3阻垢性能的影响Fig. 4 Effect of different Ca2+ concentrations on calcium carbonate scale inhibition performance

2.5 水浴温度对CPLA对碳酸钙阻垢性能的影响

在循环冷却水体系中，温度对阻垢剂对CaCO3阻垢性能具有重要影响。一般情况下，在温度较低时，离子的运动速度较慢，Ca2+和CO32-碰撞结合生成CaCO3的概率较少；当温度较高时，离子的运动速度较快，化学反应速率提高，Ca2+和CO32-碰撞结合概率增大，CaCO3沉积量随之增加[13]。因此，进一步探究在CPLA浓度为800 mg/L、加热时间为10 h时，温度对CPLA对CaCO3阻垢性能的影响，如图5所示。可以看出，CPLA对CaCO3阻垢效率随着温度的增加而降低。当温度为70 ℃时，CPLA的阻垢率为70.96%；当温度为80 ℃时，CPLA的阻垢率为65.32%；当温度升高至90 ℃时，CPLA的阻垢率降为44.35%。这是由于随着温度的升高，CPLA中的有效成分发生分解，导致CPLA的阻垢性能变差，阻垢率随之下降。总的来说，在温度为70～85 ℃时，CPLA均具有较好的阻垢率，且阻垢性能比较稳定。

图5 温度对CPLA对CaCO3阻垢性能的影响Fig. 5 Effect of temperature on calcium carbonate scale inhibition performance

2.6 加热时间对CPLA对碳酸钙阻垢性能的影响

加热时间也是影响阻垢剂阻垢性能的因素之一。正常情况下，水中垢晶体的结晶生长有一个过程，阻垢剂可以通过影响结晶的习性效应进一步阻碍晶体的生长，从而达到防止晶体凝结的目的。阻垢剂在表现其阻垢效应时，存在时间界限，超过这个界限，阻垢剂的阻垢效果就会变差[14-15]。因此，笔者测定了不同加热时间下CPLA对CaCO3的阻垢性能。在CPLA浓度为800 mg/L、加热温度为80 ℃时，不同加热时间对CPLA对CaCO3阻垢性能的影响如图6所示。可以看出，随着加热时间的增加，CPLA对CaCO3的阻垢性能呈下降趋势。在加热时间为6 h时，CPLA对CaCO3的阻垢率为71.00 %；在加热时间为12 h时，CPLA对CaCO3的阻垢率为65.31%；在加热时间为16 h时，CPLA对CaCO3的阻垢率为62.45%。这是因为CaCO3结晶过程缓慢，有很长的诱导期，垢的生长速率小，在一定时间内阻垢剂阻垢效能较好。总的来说，加热时间对CPLA对CaCO3阻垢率的影响较小，CPLA对CaCO3的阻垢性能具有时间稳定性。

图6 加热时间对CPLA对CaCO3阻垢性能的影响Fig. 6 Influence of different heating time on calcium carbonate scale inhibition performance

3 结论

(1) 将水作为溶剂来提取制备阻垢剂CPLA，采用静态阻垢法探究不同浓度的CPLA对CaCO3、Ca3(PO4)2、CaSO4的阻垢性能。实验结果表明，CPLA浓度与阻垢率呈正相关性，CPLA对CaCO3、Ca3(PO4)2、CaSO4的阻垢率均可达到80.00%以上，说明CPLA有着优异的阻垢性能。

(2) 在不同的加热时间、Ca2+浓度、加热温度下，探究了CPLA对CaCO3的阻垢性能。结果表明，CPLA在不同的加热时间和加热温度下有较好的阻垢稳定性，但是在Ca2+浓度较高的体系中阻垢性能较差。