甲壳素接枝季 基杀菌混凝剂的合成及性能研究

廖启丰，吕 松，袁 斌

（广东工业大学环境科学与工程学院，广东 广州 510006）

甲壳素接枝季 基杀菌混凝剂的合成及性能研究

廖启丰，吕 松，袁 斌

（广东工业大学环境科学与工程学院，广东 广州 510006）

以甲壳素、亚硫酰氯和三苯基膦为原料，经取代反应和双分子亲核加成反应，合成了具有良好混凝性能和杀菌性能的甲壳素接枝季基杀菌混凝剂。通过正交实验确定最佳合成条件如下：反应物配比n（甲壳素）∶n（亚硫酰氯）∶n（三苯基膦）＝1.0∶1.5∶1.5、反应温度60℃、反应时间8 h、环己酮作溶剂，将其用于p H＝6.0的高岭土模拟废水的混凝实验，去浊率达80%左右。4＃实验合成得到的杀菌混凝剂在37℃的PBS缓冲溶液中对大肠杆菌的最小抑菌浓度为10 mg·L－1，杀菌率达90%以上；当投药量为40 mg·L－1时，对假丝酵母菌的杀菌率达90%以上。

甲壳素；季基；接枝；杀菌；混凝剂

甲壳素是一种从甲壳类动物的外壳中提取出来的高分子化合物，具有无毒、易生物降解、分子内活性基团多、可选择性高等特点，成本低、来源丰富，是极具潜在利用价值的自然资源。国内外对甲壳素的分子修饰主要是利用甲壳素分子上氨基和羟基的活性，引入新的化学基团，以达到改善甲壳素性能的目的［1，2］。

1 实验

1.1 主要试剂与仪器

甲壳素（脱乙酰度23%），分析纯；亚硫酰氯，工业级；三苯基膦，化学纯；甲苯、丙酮、环己酮、无水乙醇、高岭土，分析纯。

SGZ－4001型光电浊度仪、GC－530型微机培养箱，上海悦丰仪器仪表有限公司；ZR4－6型混凝试验搅拌机，深圳中润水工业技术发展有限公司；722型紫外可见分光光度计，上海精密科学仪器有限公司；低温冷却循环泵，上海羌强仪器设备有限公司；RE－52A型旋转蒸发器，上海亚荣生化仪器厂；CR－3560型高压灭菌锅；AL104型电子分析天平，梅特勒－托利多仪器（上海）有限公司。

1.2 合成方法

实验前将亚硫酰氯和溶剂进行无水化处理。称取干燥的甲壳素粉末2.5 g分散到12 m L无水化处理过的溶剂中，置于100 m L的三颈瓶中，浸泡12 h后，室温搅拌滴加一定量的亚硫酰氯，继续搅拌10 min后，升温至80℃，反应30 min，待无气体逸出后，冷却至室温。称取一定量的三苯基膦溶解到溶剂中，将其滴加到反应体系，在设定温度下反应一定时间，减压蒸除溶剂，残余物用无水乙醇洗涤，以除去残余的三苯基膦，过滤，真空干燥，即得目标产物甲壳素接枝季基杀菌混凝剂。

1.3 分析检测及性能测定

1.3.1 磷含量的测定

1.3.2 混凝性能的测定

控制高岭土模拟废水的p H值为6.0，对杀菌混凝剂的最佳投药量进行测定。

将1000 m L模拟废水p H值调至6.0，分别加入0 mg、10 mg、20 mg、30 mg、40 mg、50 mg的杀菌混凝剂；于300 r·min－1快搅30 s、120 r·min－1搅拌5 min、50 r·min－1慢搅15 min，静置30 min；取上清液测定剩余浊度，计算去浊率；绘制去浊率与投药量的关系曲线，确定最佳投药量。

1.3.3 杀菌性能的测定

选择磷含量较高且混凝性能较好的杀菌混凝剂来测定其杀菌性能。将杀菌混凝剂分散到由NaCl、KCl、Na2HPO4、KH2PO4组成的PBS缓冲溶液中，采用平板计数法，测定其对大肠杆菌和假丝酵母菌的杀菌性能［8］。

2 结果与讨论

2.1 合成工艺条件优化

为考察反应物配比［n（甲壳素）∶n（亚硫酰氯）∶n（三苯基膦），下同］、反应温度、反应时间、溶剂对杀菌混凝剂合成的影响，设计L9（3）4正交实验，其结果见表1，极差分析见表2。

表1 正交实验结果Tab.1 The results of orthogonal experiment

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

由表1可以看出，对于p H值为6.0的高岭土模拟废水，在不同溶剂中合成得到的杀菌混凝剂的混凝性能差异较大，其中在环己酮中合成得到的杀菌混凝剂的去浊率比在甲苯和丙酮中合成得到的杀菌混凝剂的去浊率高，达到了80%左右。这可能是由于，甲苯和丙酮中合成得到的杀菌混凝剂保留了甲壳素原有的外貌结构，即保留了甲壳素的疏水性，所以测定混凝性能时漂浮在水面或水中央，以至于混凝结束后不能沉降下来。若能以适合的溶剂提前将甲苯和丙酮中合成得到的杀菌混凝剂溶解，然后再进行混凝性能测定，其去浊率将会得到提高。

由表1还可以看出，2＃实验合成得到的杀菌混凝剂的磷含量最高，达到了5.20%（理论磷含量为6.61%）；4＃实验合成得到的杀菌混凝剂的磷含量次之，为2.34%（理论磷含量为5.78%）。

由表2可以看出，影响杀菌混凝剂磷含量的主要因素是反应时间和反应温度；影响杀菌混凝剂混凝性能的主要因素是溶剂。

结合表1、表2，单独考虑杀菌混凝剂的杀菌性能（磷含量）时的最佳合成条件为：反应物配比1.0∶1.5∶1.5、反应温度60℃、反应时间8 h、丙酮作溶剂；单独考虑杀菌混凝剂的混凝性能（去浊率）时的最佳合成条件为：反应物配比1.0∶1.5∶1.0、反应温度60℃或70℃、反应时间10 h、环己酮作溶剂。

综合考虑杀菌混凝剂的杀菌性能和混凝性能，确定其最佳合成条件为：反应物配比1.0∶1.5∶1.5、反应温度60℃、反应时间8 h、环己酮作溶剂。

2.2 杀菌性能的测定

4＃实验合成得到的杀菌混凝剂的磷含量较高且混凝性能较好，其对大肠杆菌和假丝酵母菌的杀菌性能测定结果见图1。

图1 甲壳素季盐基杀菌混凝剂对大肠杆菌和假丝酵母菌的杀菌性能Fig.1 The bactericidal performance of quaternary phosphonium－based grafted chitin sterilization coagulant on E.coli and C.albicansi

由图1可知，随着投药量的增加，杀菌性能逐渐增强。对大肠杆菌，当投药量为10 mg·L－1时，杀菌率达到90%以上，最小抑菌浓度为10 mg·L－1；当投药量为20 mg·L－1时，杀菌率接近100%。对假丝酵母菌，当投药量为10 mg·L－1时，杀菌率达到75%以上；当投药量为40 mg·L－1时，杀菌率达到90%以上。

3 结论

以甲壳素、亚硫酰氯和三苯基膦为原料，通过取代反应和双分子亲核加成反应，合成了具有良好杀菌性能和混凝性能的甲壳素接枝季基杀菌混凝剂。确定其最佳合成条件为：n（甲壳素）∶n（亚硫酰氯）∶n（三苯基膦）＝1.0∶1.5∶1.5、反应温度60℃、反应时间8 h、环己酮作溶剂。合成得到的杀菌混凝剂对p H值为6.0的高岭土模拟废水的去浊率可达80%左右，对大肠杆菌和假丝酵母菌具有良好的杀菌作用。

［1］ 吴根，罗人明，赵耘挚.丙烯酰胺改性壳聚糖的制备［J］.化学世界，2001，42（2）：90－92.

［2］ 孙多先，徐正义，张晓行.季铵盐改性壳聚糖的制备及其对红花水提液的澄清效果［J］.石油化工，2003，32（10）：892－895.

［3］ 谭绍早，张葵花，李笃信，等.季盐改性蒙脱土的制备及性能［J］.中南大学学报（自然科学版），2006，37（2）：280－285.

［4］ 李本高，张宜梅.循环水常用的几种主要杀菌剂的结构和杀菌效果［J］.石油炼制与化工，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，王锦堂，朱红军，等.杀菌剂改性季盐及其制备方法［P］.CN 1 220 267，1999－06－23.

［7］ 娄兆文，尚先梅.磺化三苯基季膦盐的合成及其抗肿瘤活性［J］.中国药物化学杂志，2000，10（3）：168－171.

［8］ GB／T 14643.1－2009，工业循环冷却水中粘液形成菌的测定平皿计数法［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

廖启丰（1986－），男，福建龙岩人，硕士研究生，研究方向：水处理控制技术；通讯作者：袁斌，教授，E－mail：gdyb1960＠126.com。