壳聚糖季铵盐改性河沙去除铜绿微囊藻的研究*

胡 阳 钟成华# 白 瑞 杨 茗

(1.重庆大学城市建设与环境工程学院，重庆 400045；2.重庆工商大学环境与资源学院，重庆 400067)

壳聚糖季铵盐改性河沙去除铜绿微囊藻的研究*

胡 阳1钟成华1#白 瑞2杨 茗2

(1.重庆大学城市建设与环境工程学院，重庆 400045；2.重庆工商大学环境与资源学院，重庆 400067)

以2，3-环氧丙基三甲基氯化铵和壳聚糖为原料制备了水溶性的壳聚糖季铵盐(HTCC)，利用HTCC对河沙进行改性，并用于铜绿微囊藻的处理。结果表明：(1)在HTCC用量为7.5mg/L、预处理河沙用量为0.500g/L的最佳条件下制备得到的HTCC改性河沙(简称改性河沙)对铜绿微囊藻具有良好的降藻效果，当藻密度为9.5×106个/mL、水温25 ℃左右、藻液pH为8左右时，降藻率达到最高(99.50%)。(2)改性河沙的加入能大大缩短絮体形成及沉降的时间，压实絮体，减少其上浮。(3)改性河沙具有较宽的pH适用范围(7～12)。(4)改性河沙适宜在水温为25～35 ℃的夏季对铜绿微囊藻进行降藻。(5)改性河沙悬浊液在2～8 ℃下存放不宜超过10d。(6)HTCC的氨氮溶出率较低(最高为1.77%)，氨氮溶出风险较低。

壳聚糖 壳聚糖季铵盐 河沙 铜绿微囊藻 降藻

随着工农业的发展，大量未经处理或未达标的废水排入到水体中，增加了水体中的氮磷等营养盐浓度，加重了水体富营养化程度，导致藻类过度繁殖。藻类的大量繁殖不仅会产生难闻的气味，而且还会向水体中释放毒素，对水生生物的生存和人类的健康产生很大的危害[1]。由于藻类在生长过程中会在细胞表面分泌酸性多糖有机物质，从而使藻细胞呈现负电荷性[2]。因此，在降藻中选择阳离子型的絮凝剂往往会取得较好的降藻效果，但传统的化学絮凝剂常会产生二次生态危害，一般适用于小型景观水体的治理，而在大面积的水域上应用的很少。为此，寻找一种安全、有效的絮凝剂应用于大型水域水华的治理就显得尤为迫切。

壳聚糖是一种天然的有机高分子絮凝剂，具有优良的生物亲和性，易生物降解，属于环境友好型材料。壳聚糖分子中的氨基在酸性溶液中易与H+结合而质子化，从而呈现阳离子性；同时，壳聚糖属于高分子化合物，具有较强的吸附架桥能力，对藻类具有良好的降藻效果[3-5]，适用于大面积水域的应急降藻、控藻。但由于其特殊的分子结构及分子间的氢键使得它不溶于水和有机溶剂，仅溶于稀酸[6]30-32，从而很大程度上制约了壳聚糖的广泛应用。壳聚糖分子中存在大量的氨基和羟基，因此可通过化学改性来改善壳聚糖的溶解性能，还可通过引入特定的基团(如季铵盐)来增强其阳离子性[7]，改善溶解性能的同时，增强了正电荷性，继而强化了壳聚糖的降藻能力。

因此，本研究拟对壳聚糖进行季铵化改性，利用壳聚糖与2-3-环氧丙基三甲基氯化铵(GTA)在异丙醇中进行异相反应，制备壳聚糖季铵盐(HTCC)，利用制备的HTCC对铜绿微囊藻(Microcystisaeruginosa)进行降藻。在课题组的前期研究中发现，单独使用壳聚糖降藻，形成的絮体较松散，且不易沉降[6]44-45。因此，为加快絮体的沉降速度，改善降藻效果，本研究拟用制备的HTCC对河沙进行物理改性，利用河沙的重力作用，促进絮体的凝聚和沉降。

1 材料与方法

1.1 主要实验材料

(1) 壳聚糖(脱乙酰度99%)；GTA(纯度>95%)；异丙醇、无水乙醇、NaOH、冰醋酸、甲醇、铬酸钾、丙酮均为分析纯，硝酸银为优级纯，30%(质量分数)H2O2。

(2) 铜绿微囊藻，购自武汉水生生物研究所淡水藻种库，编号：FACHB-1229。采用BG11培养基培养，培养温度为(24±2) ℃，光照度为4 000 lx，光暗比为12 h∶12 h，每天振荡2次。

(3) 河沙采自重庆长江边。

1.2 实验仪器

CP224C电子天平；250 mL三口烧瓶；LRH-250-Gb恒温恒湿光照培养箱；YXQG01压力蒸汽灭菌器；PHS-3C+型便携式pH计；XB-K-25型血球计数板；HHS数显恒温水浴锅；79-1恒温磁力搅拌器。

1.3 实验方法

1.3.1 河沙的预处理

将取回的河沙研磨，过筛，去除较大的颗粒，随后用H2O2搅拌清洗，然后用蒸馏水反复清洗河沙，最后置于60 ℃烘箱烘干，研磨成细颗粒。

1.3.2 HTCC的制备

将1 g壳聚糖溶于200 mL 1%(体积分数)的乙酸溶液。待壳聚糖全部溶解后，用1 mol/L NaOH溶液调节壳聚糖溶液pH=9左右，待有白色沉淀析出后抽滤，用蒸馏水洗至滤液呈中性，抽干水分。将白色沉淀物刮入三口烧瓶中，加入10 mL异丙醇，搅拌分散均匀，浸泡2 h[8]。

将三口烧瓶水浴加热至80 ℃，搅拌情况下每隔2 h滴入定量的GTA溶液(0.5 g/mL)。反应结束后加入100 mL无水乙醇沉淀，浸泡0.5 h，抽滤，滤饼先用丙酮浸泡、洗涤并抽滤，再用无水乙醇浸泡、洗涤并抽滤，65 ℃真空干燥24 h，即得HTCC。

1.3.3 河沙的改性

取0.3 mL 5 000.0 mg/L HTCC溶液于50 mL烧杯中，向烧杯中加入0.1 g预处理河沙，搅拌均匀，即得HTCC改性河沙(简称改性河沙)悬浊液。

1.3.4 降藻实验

向250 mL锥形瓶中加入200 mL处于对数生长期(藻密度为9.0×106～2.0×107个/mL)的铜绿微囊藻，并用1%(体积分数)的盐酸或NaOH溶液调节藻液的pH为8左右，在水温为(25±2) ℃下，向锥形瓶中加入HTCC溶液或改性河沙悬浊液，并摇动锥形瓶使HTCC溶液或改性河沙与藻细胞充分接触，其中不加HTCC溶液和改性河沙作为对照。静置1 h后于液面下2 cm处取样，在显微镜下用血球计数板进行计数，并按式(1)计算降藻率(R，%)，以降藻率表征降藻效果。每组实验做3个平行样。

R=(1-ρ2/ρ1)×100%

(1)

式中：ρ1、ρ2分别为对照组、实验组藻密度，个/mL。

考察单因素降藻实验时改变相应的单因素变量，其他实验条件固定。

2 结果与讨论

2.1 HTCC用量对降藻效果的影响

由图1可见，随着HTCC用量的增加，降藻率先升高后下降，当HTCC用量为7.5 mg/L时降藻率达到最高，为98.91%。壳聚糖经季铵化改性后，引入了季铵基，增强了阳离子性，电中和作用得到了加强。因此，加入HTCC后，藻细胞表面的负电荷首先被中和，使得藻细胞胶体脱稳凝聚；同时，HTCC是高分子絮凝剂，在藻细胞浓度较低时，HTCC分子链会同时吸附两个或多个藻细胞，通过“架桥”方式将藻细胞连在一起，从而导致絮凝。随着HTCC用量的增加，中和的负电荷增多，藻细胞失稳严重，凝聚明显，同时随着被中和的负电荷越来越多，双电层得到进一步压缩，藻细胞间的距离缩短，从而更有利于架桥的发生，因此降藻效果也就更好[9]。继续增加HTCC用量，改性河沙表面携带的正电荷过量，被中和的藻细胞被过量的正电荷影响而重新带上正电荷，使得藻细胞重新稳定[10]；同时，壳聚糖过量时，藻细胞表面已被吸附的壳聚糖覆盖，此时壳聚糖起的是保护作用，也就不会再通过架桥作用而絮凝[11-13]，致使降藻效果变差。因此，HTCC最佳用量为7.5 mg/L。

注：HTCC用量以单位体积藻液计。图1 HTCC用量对降藻率的影响Fig.1 The effect of adsorbent dosage of HTCC on the removal rate of algae

2.2 预处理河沙用量对降藻效果的影响

降藻实验过程中观察到，对照组絮体漂浮在水面，不沉降，且较分散；加入改性河沙的实验组絮体沉降在底部，且絮体凝聚成一块，较密实。同时，加入改性河沙的实验组比对照组的絮体形成时间要短，体积更大，且在3 min内就会沉降到锥形瓶底部，最终的絮体也更密实。由此可见，改性河沙的加入能大大缩短絮体形成及沉降的时间，压实絮体，减少其上浮。

固定HTCC用量为7.5 mg/L，预处理河沙用量(以单位体积藻液计)对降藻率的影响见表1。预处理河沙用量对降藻率的影响不大，这说明河沙的加入主要是为絮体提供了凝结核，因而能加快絮凝的形成，提高了HTCC的降藻时效，适量的河沙能改善降藻效果，但过量的河沙颗粒不但不能起到促进絮凝的效果，且还会增加水体的浊度。因此，预处理河沙最佳用量为0.500 g/L。

2.3 藻液pH对降藻效果的影响

由图2可见，改性河沙在pH为7～12时，具有良好的降藻效果，降藻率能达到98%以上，由此可见改性河沙具有较宽的pH适用范围。这是由于改性后的壳聚糖分子中起电中和作用的主要是季铵根离子，其受pH影响较小[14]。这一点比壳聚糖的最适pH范围(7～9)广[15]，[16]43。

图2 藻液pH对降藻率的影响Fig.2 The effect of pH on the removal rate of algae

2.4 水温对降藻效果的影响

水温对絮凝剂的絮凝反应、絮体成长、沉降等过程有着重要的影响。由图3可见，随着水温的升高，降藻率呈现先升高后降低的趋势，当水温为30 ℃时，降藻率达到最大值(99.32%)。这可能是由于当水温较低时，HTCC的水解反应变慢，水解时间延长，若不延长水解时间，则会影响降藻效果；随着水温的升高，加速了HTCC的水解反应，从而加快了其与藻细胞作用的时间，降藻效果得到提高；继续升高水温，絮凝剂分子热运动加快，与藻细胞碰撞频率增加，形成的絮体细小，不易沉降，降藻效果也就下降。另外，水温过高，HTCC的分子链会有一定的收缩，减弱了HTCC的吸附架桥作用[16]45。由图3还可以看出，25～35 ℃水温下的降藻率均达到了98.5%以上，具有良好的降藻效果。因此，改性河沙适宜在水温为25～35 ℃的夏季对铜绿微囊藻进行降藻。

表1 预处理河沙用量对降藻率的影响1)

注：1)ρ1=1.1×107个/mL。

图3 水温对降藻率的影响Fig.3 The effect of temperature on the removal rate of algae

2.5 藻密度对降藻效果的影响

由图4可见，随着藻密度的增加，降藻率先升高后下降，当藻密度为9.5×106个/mL时，降藻率达到最高(99.50%)。这主要是由于：(1)当藻密度较小(≤9.5×106个/mL)时，藻细胞与改性河沙之间碰撞的几率较小，从而影响了HTCC的降藻效果；(2)当藻密度较小而HTCC用量固定时，HTCC用量始终处于过量状态，藻细胞表面的负电荷被完全中和后，过量的HTCC又重新使藻细胞带上了正电荷，从而使的藻细胞重新稳定，而且藻密度越小，HTCC过量越多，降藻率也就越低；(3)当藻密度>9.5×106个/mL时，藻密度过大，而HTCC、预处理河沙用量不变，HTCC用量相对不足，其在藻细胞之间吸附架桥的作用和电中和有限，从而导致部分藻细胞悬浮在水体中没有被絮凝沉淀下来，降藻率也就随之下降[17]。

图4 藻密度对降藻率的影响Fig.4 The effect of algae concentration on the removal rate of algae

2.6 存放时间对降藻效果的影响

壳聚糖在酸性溶液中会逐渐水解，因而其降藻性能会下降。为考察改性河沙的水解情况对其降藻性能的影响，实验中配置50 mL改性河沙悬浊液，待用。由于GTA需要在2～8 ℃下保存，因此改性河沙悬浊液也应当在2～8 ℃下存放。分别在存放1～30 d后进行降藻实验，观察降藻效果，结果见图5。当存放时间为1～10 d时，改性河沙的降藻率变化不大，均达到99%以上；当超过10 d，随着存放时间的延长，降藻率逐渐下降，第20天时降藻率下降到96%以下。这表明，HTCC水解较慢，有一定的存放周期(在2～8 ℃下存放不宜超过10 d)，因此在实际应用过程中，可先配置好改性河沙悬浊液或直接制成药剂，而省去现场配置的麻烦。

图5 存放时间对降藻率的影响Fig.5 The effect of storage time on the removal rate of algae

2.7 HTCC氨氮溶出风险实验

图6 HTCC的氨氮溶出风险Fig.6 The ammonia nitrogen dissolving risk of HTCC

为研究HTCC的氨氮溶出风险，不同时间取50.0 mL 7.5 mg/L HTCC溶液进行氨氮测定，并计算氨氮溶出率，结果见图6。随着时间的延长，HTCC溶液中氨氮基本保持不变，氨氮质量浓度最高为0.133 mg/L，溶出率最高为1.77%。由此可见，HTCC的氨氮溶出率较低，氨氮溶出风险较低，进一步证明壳聚糖经GTA改性后用于降藻是安全可行的。

3 结 论

(1) 在HTCC用量为7.5 mg/L、预处理河沙用量为0.500 g/L的最佳条件下制备得到的改性河沙对铜绿微囊藻具有良好的降藻效果，当藻密度为9.5×106个/mL、水温25 ℃左右、藻液pH为8左右时，降藻率达到最高(99.50%)。

(2) 改性河沙的加入能大大缩短絮体形成及沉降的时间，压实絮体，减少其上浮。

(3) 改性河沙具有较宽的pH适用范围(7～12)。

(4) 改性河沙适宜在水温为25～35 ℃的夏季对铜绿微囊藻进行降藻。

(5) 改性河沙悬浊液在2～8 ℃下存放不宜超过10 d。

(6) HTCC的氨氮溶出率较低(最高为1.77%)，氨氮溶出风险较低。

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StudyonremovalofMicrocystisaeruginosabychitosanquaternaryammoniumsalt-modifiedriversand

HUYang1，ZHONGChenghua1，BAIRui2，YANGMing2.

(1.SchoolofUrbanConstructionandEnvironmentalEngineering，ChongqingUniversity，Chongqing400045；2.SchoolofEnvironmental&ResourceSciences，ChongqingTechnologyandBusinessUniversity，Chongqing400067)

The chitosan quaternary ammonium salt (HTCC) was prepared by the reaction of chitosan with 2，3-epoxypropyltrimethylammonium chloride (GTA). The river sand modified by HTCC was used for treatingMicrocystisaeruginosa. The results showed that the flocculating ability of HTCC-modified sand was more remarkable. (1) The highest algae removal ratio was reached (99.50%) when the dosage of HTCC and river sand was 7.5 mg/L and 0.500 g/L respectively，the density of algae was 9.5×106cells/mL，the temperature was about 25 ℃ and the pH of algae was about 8. (2) Compare with HTCC alone，the river sand were critical for speeding up the kinetic processes of flocculation and sedimentation of algal flocs. (3) The modified river sand has a wide scope of application of the pH that the removal ratio was significant in the range of pH 7-12. (4) The modified river sand was suitable forMicrocystisaeruginosain the summer of the water temperature was 25-35 ℃. (5) The effective storage time of HTCC-modified river sand should not exceed 10 days in 2-8 ℃. (6) The HTCC has a lower risk of ammonia dissolution rate and the maximum ratio was 1.77%.

chitosan； chitosan quaternary ammonium salt； river sand；Microcystisaeruginosa； flocculation

2016-03-29)

胡 阳，男，1993年生，硕士研究生，研究方向为水体富营养化及水华治理技术。#

。

*重庆市科学技术委员会项目(No.cstc2014yykfA2003)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.05.011