殼聚糖季銨鹽改性河沙去除銅綠微囊藻的研究*

胡 陽 鐘成華# 白 瑞 楊 茗

(1.重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，重慶 400045；2.重慶工商大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，重慶 400067)

殼聚糖季銨鹽改性河沙去除銅綠微囊藻的研究*

胡 陽1鐘成華1#白 瑞2楊 茗2

(1.重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，重慶 400045；2.重慶工商大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，重慶 400067)

以2，3-環(huán)氧丙基三甲基氯化銨和殼聚糖為原料制備了水溶性的殼聚糖季銨鹽(HTCC)，利用HTCC對河沙進行改性，并用于銅綠微囊藻的處理。結(jié)果表明：(1)在HTCC用量為7.5mg/L、預(yù)處理河沙用量為0.500g/L的最佳條件下制備得到的HTCC改性河沙(簡稱改性河沙)對銅綠微囊藻具有良好的降藻效果，當(dāng)藻密度為9.5×106個/mL、水溫25 ℃左右、藻液pH為8左右時，降藻率達到最高(99.50%)。(2)改性河沙的加入能大大縮短絮體形成及沉降的時間，壓實絮體，減少其上浮。(3)改性河沙具有較寬的pH適用范圍(7～12)。(4)改性河沙適宜在水溫為25～35 ℃的夏季對銅綠微囊藻進行降藻。(5)改性河沙懸濁液在2～8 ℃下存放不宜超過10d。(6)HTCC的氨氮溶出率較低(最高為1.77%)，氨氮溶出風(fēng)險較低。

殼聚糖 殼聚糖季銨鹽 河沙 銅綠微囊藻 降藻

隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，大量未經(jīng)處理或未達標(biāo)的廢水排入到水體中，增加了水體中的氮磷等營養(yǎng)鹽濃度，加重了水體富營養(yǎng)化程度，導(dǎo)致藻類過度繁殖。藻類的大量繁殖不僅會產(chǎn)生難聞的氣味，而且還會向水體中釋放毒素，對水生生物的生存和人類的健康產(chǎn)生很大的危害[1]。由于藻類在生長過程中會在細胞表面分泌酸性多糖有機物質(zhì)，從而使藻細胞呈現(xiàn)負電荷性[2]。因此，在降藻中選擇陽離子型的絮凝劑往往會取得較好的降藻效果，但傳統(tǒng)的化學(xué)絮凝劑常會產(chǎn)生二次生態(tài)危害，一般適用于小型景觀水體的治理，而在大面積的水域上應(yīng)用的很少。為此，尋找一種安全、有效的絮凝劑應(yīng)用于大型水域水華的治理就顯得尤為迫切。

殼聚糖是一種天然的有機高分子絮凝劑，具有優(yōu)良的生物親和性，易生物降解，屬于環(huán)境友好型材料。殼聚糖分子中的氨基在酸性溶液中易與H+結(jié)合而質(zhì)子化，從而呈現(xiàn)陽離子性；同時，殼聚糖屬于高分子化合物，具有較強的吸附架橋能力，對藻類具有良好的降藻效果[3-5]，適用于大面積水域的應(yīng)急降藻、控藻。但由于其特殊的分子結(jié)構(gòu)及分子間的氫鍵使得它不溶于水和有機溶劑，僅溶于稀酸[6]30-32，從而很大程度上制約了殼聚糖的廣泛應(yīng)用。殼聚糖分子中存在大量的氨基和羥基，因此可通過化學(xué)改性來改善殼聚糖的溶解性能，還可通過引入特定的基團(如季銨鹽)來增強其陽離子性[7]，改善溶解性能的同時，增強了正電荷性，繼而強化了殼聚糖的降藻能力。

因此，本研究擬對殼聚糖進行季銨化改性，利用殼聚糖與2-3-環(huán)氧丙基三甲基氯化銨(GTA)在異丙醇中進行異相反應(yīng)，制備殼聚糖季銨鹽(HTCC)，利用制備的HTCC對銅綠微囊藻(Microcystisaeruginosa)進行降藻。在課題組的前期研究中發(fā)現(xiàn)，單獨使用殼聚糖降藻，形成的絮體較松散，且不易沉降[6]44-45。因此，為加快絮體的沉降速度，改善降藻效果，本研究擬用制備的HTCC對河沙進行物理改性，利用河沙的重力作用，促進絮體的凝聚和沉降。

1 材料與方法

1.1 主要實驗材料

(1) 殼聚糖(脫乙酰度99%)；GTA(純度>95%)；異丙醇、無水乙醇、NaOH、冰醋酸、甲醇、鉻酸鉀、丙酮均為分析純，硝酸銀為優(yōu)級純，30%(質(zhì)量分數(shù))H2O2。

(2) 銅綠微囊藻，購自武漢水生生物研究所淡水藻種庫，編號：FACHB-1229。采用BG11培養(yǎng)基培養(yǎng)，培養(yǎng)溫度為(24±2) ℃，光照度為4 000 lx，光暗比為12 h∶12 h，每天振蕩2次。

(3) 河沙采自重慶長江邊。

1.2 實驗儀器

CP224C電子天平；250 mL三口燒瓶；LRH-250-Gb恒溫恒濕光照培養(yǎng)箱；YXQG01壓力蒸汽滅菌器；PHS-3C+型便攜式pH計；XB-K-25型血球計數(shù)板；HHS數(shù)顯恒溫水浴鍋；79-1恒溫磁力攪拌器。

1.3 實驗方法

1.3.1 河沙的預(yù)處理

將取回的河沙研磨，過篩，去除較大的顆粒，隨后用H2O2攪拌清洗，然后用蒸餾水反復(fù)清洗河沙，最后置于60 ℃烘箱烘干，研磨成細顆粒。

1.3.2 HTCC的制備

將1 g殼聚糖溶于200 mL 1%(體積分數(shù))的乙酸溶液。待殼聚糖全部溶解后，用1 mol/L NaOH溶液調(diào)節(jié)殼聚糖溶液pH=9左右，待有白色沉淀析出后抽濾，用蒸餾水洗至濾液呈中性，抽干水分。將白色沉淀物刮入三口燒瓶中，加入10 mL異丙醇，攪拌分散均勻，浸泡2 h[8]。

將三口燒瓶水浴加熱至80 ℃，攪拌情況下每隔2 h滴入定量的GTA溶液(0.5 g/mL)。反應(yīng)結(jié)束后加入100 mL無水乙醇沉淀，浸泡0.5 h，抽濾，濾餅先用丙酮浸泡、洗滌并抽濾，再用無水乙醇浸泡、洗滌并抽濾，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燒杯中，向燒杯中加入0.1 g預(yù)處理河沙，攪拌均勻，即得HTCC改性河沙(簡稱改性河沙)懸濁液。

1.3.4 降藻實驗

向250 mL錐形瓶中加入200 mL處于對數(shù)生長期(藻密度為9.0×106～2.0×107個/mL)的銅綠微囊藻，并用1%(體積分數(shù))的鹽酸或NaOH溶液調(diào)節(jié)藻液的pH為8左右，在水溫為(25±2) ℃下，向錐形瓶中加入HTCC溶液或改性河沙懸濁液，并搖動錐形瓶使HTCC溶液或改性河沙與藻細胞充分接觸，其中不加HTCC溶液和改性河沙作為對照。靜置1 h后于液面下2 cm處取樣，在顯微鏡下用血球計數(shù)板進行計數(shù)，并按式(1)計算降藻率(R，%)，以降藻率表征降藻效果。每組實驗做3個平行樣。

R=(1-ρ2/ρ1)×100%

(1)

式中：ρ1、ρ2分別為對照組、實驗組藻密度，個/mL。

考察單因素降藻實驗時改變相應(yīng)的單因素變量，其他實驗條件固定。

2 結(jié)果與討論

2.1 HTCC用量對降藻效果的影響

由圖1可見，隨著HTCC用量的增加，降藻率先升高后下降，當(dāng)HTCC用量為7.5 mg/L時降藻率達到最高，為98.91%。殼聚糖經(jīng)季銨化改性后，引入了季銨基，增強了陽離子性，電中和作用得到了加強。因此，加入HTCC后，藻細胞表面的負電荷首先被中和，使得藻細胞膠體脫穩(wěn)凝聚；同時，HTCC是高分子絮凝劑，在藻細胞濃度較低時，HTCC分子鏈會同時吸附兩個或多個藻細胞，通過“架橋”方式將藻細胞連在一起，從而導(dǎo)致絮凝。隨著HTCC用量的增加，中和的負電荷增多，藻細胞失穩(wěn)嚴重，凝聚明顯，同時隨著被中和的負電荷越來越多，雙電層得到進一步壓縮，藻細胞間的距離縮短，從而更有利于架橋的發(fā)生，因此降藻效果也就更好[9]。繼續(xù)增加HTCC用量，改性河沙表面攜帶的正電荷過量，被中和的藻細胞被過量的正電荷影響而重新帶上正電荷，使得藻細胞重新穩(wěn)定[10]；同時，殼聚糖過量時，藻細胞表面已被吸附的殼聚糖覆蓋，此時殼聚糖起的是保護作用，也就不會再通過架橋作用而絮凝[11-13]，致使降藻效果變差。因此，HTCC最佳用量為7.5 mg/L。

注：HTCC用量以單位體積藻液計。圖1 HTCC用量對降藻率的影響Fig.1 The effect of adsorbent dosage of HTCC on the removal rate of algae

2.2 預(yù)處理河沙用量對降藻效果的影響

降藻實驗過程中觀察到，對照組絮體漂浮在水面，不沉降，且較分散；加入改性河沙的實驗組絮體沉降在底部，且絮體凝聚成一塊，較密實。同時，加入改性河沙的實驗組比對照組的絮體形成時間要短，體積更大，且在3 min內(nèi)就會沉降到錐形瓶底部，最終的絮體也更密實。由此可見，改性河沙的加入能大大縮短絮體形成及沉降的時間，壓實絮體，減少其上浮。

固定HTCC用量為7.5 mg/L，預(yù)處理河沙用量(以單位體積藻液計)對降藻率的影響見表1。預(yù)處理河沙用量對降藻率的影響不大，這說明河沙的加入主要是為絮體提供了凝結(jié)核，因而能加快絮凝的形成，提高了HTCC的降藻時效，適量的河沙能改善降藻效果，但過量的河沙顆粒不但不能起到促進絮凝的效果，且還會增加水體的濁度。因此，預(yù)處理河沙最佳用量為0.500 g/L。

2.3 藻液pH對降藻效果的影響

由圖2可見，改性河沙在pH為7～12時，具有良好的降藻效果，降藻率能達到98%以上，由此可見改性河沙具有較寬的pH適用范圍。這是由于改性后的殼聚糖分子中起電中和作用的主要是季銨根離子，其受pH影響較小[14]。這一點比殼聚糖的最適pH范圍(7～9)廣[15]，[16]43。

圖2 藻液pH對降藻率的影響Fig.2 The effect of pH on the removal rate of algae

2.4 水溫對降藻效果的影響

水溫對絮凝劑的絮凝反應(yīng)、絮體成長、沉降等過程有著重要的影響。由圖3可見，隨著水溫的升高，降藻率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，當(dāng)水溫為30 ℃時，降藻率達到最大值(99.32%)。這可能是由于當(dāng)水溫較低時，HTCC的水解反應(yīng)變慢，水解時間延長，若不延長水解時間，則會影響降藻效果；隨著水溫的升高，加速了HTCC的水解反應(yīng)，從而加快了其與藻細胞作用的時間，降藻效果得到提高；繼續(xù)升高水溫，絮凝劑分子熱運動加快，與藻細胞碰撞頻率增加，形成的絮體細小，不易沉降，降藻效果也就下降。另外，水溫過高，HTCC的分子鏈會有一定的收縮，減弱了HTCC的吸附架橋作用[16]45。由圖3還可以看出，25～35 ℃水溫下的降藻率均達到了98.5%以上，具有良好的降藻效果。因此，改性河沙適宜在水溫為25～35 ℃的夏季對銅綠微囊藻進行降藻。

表1 預(yù)處理河沙用量對降藻率的影響1)

注：1)ρ1=1.1×107個/mL。

圖3 水溫對降藻率的影響Fig.3 The effect of temperature on the removal rate of algae

2.5 藻密度對降藻效果的影響

由圖4可見，隨著藻密度的增加，降藻率先升高后下降，當(dāng)藻密度為9.5×106個/mL時，降藻率達到最高(99.50%)。這主要是由于：(1)當(dāng)藻密度較小(≤9.5×106個/mL)時，藻細胞與改性河沙之間碰撞的幾率較小，從而影響了HTCC的降藻效果；(2)當(dāng)藻密度較小而HTCC用量固定時，HTCC用量始終處于過量狀態(tài)，藻細胞表面的負電荷被完全中和后，過量的HTCC又重新使藻細胞帶上了正電荷，從而使的藻細胞重新穩(wěn)定，而且藻密度越小，HTCC過量越多，降藻率也就越低；(3)當(dāng)藻密度>9.5×106個/mL時，藻密度過大，而HTCC、預(yù)處理河沙用量不變，HTCC用量相對不足，其在藻細胞之間吸附架橋的作用和電中和有限，從而導(dǎo)致部分藻細胞懸浮在水體中沒有被絮凝沉淀下來，降藻率也就隨之下降[17]。

圖4 藻密度對降藻率的影響Fig.4 The effect of algae concentration on the removal rate of algae

2.6 存放時間對降藻效果的影響

殼聚糖在酸性溶液中會逐漸水解，因而其降藻性能會下降。為考察改性河沙的水解情況對其降藻性能的影響，實驗中配置50 mL改性河沙懸濁液，待用。由于GTA需要在2～8 ℃下保存，因此改性河沙懸濁液也應(yīng)當(dāng)在2～8 ℃下存放。分別在存放1～30 d后進行降藻實驗，觀察降藻效果，結(jié)果見圖5。當(dāng)存放時間為1～10 d時，改性河沙的降藻率變化不大，均達到99%以上；當(dāng)超過10 d，隨著存放時間的延長，降藻率逐漸下降，第20天時降藻率下降到96%以下。這表明，HTCC水解較慢，有一定的存放周期(在2～8 ℃下存放不宜超過10 d)，因此在實際應(yīng)用過程中，可先配置好改性河沙懸濁液或直接制成藥劑，而省去現(xiàn)場配置的麻煩。

圖5 存放時間對降藻率的影響Fig.5 The effect of storage time on the removal rate of algae

2.7 HTCC氨氮溶出風(fēng)險實驗

圖6 HTCC的氨氮溶出風(fēng)險Fig.6 The ammonia nitrogen dissolving risk of HTCC

為研究HTCC的氨氮溶出風(fēng)險，不同時間取50.0 mL 7.5 mg/L HTCC溶液進行氨氮測定，并計算氨氮溶出率，結(jié)果見圖6。隨著時間的延長，HTCC溶液中氨氮基本保持不變，氨氮質(zhì)量濃度最高為0.133 mg/L，溶出率最高為1.77%。由此可見，HTCC的氨氮溶出率較低，氨氮溶出風(fēng)險較低，進一步證明殼聚糖經(jīng)GTA改性后用于降藻是安全可行的。

3 結(jié) 論

(1) 在HTCC用量為7.5 mg/L、預(yù)處理河沙用量為0.500 g/L的最佳條件下制備得到的改性河沙對銅綠微囊藻具有良好的降藻效果，當(dāng)藻密度為9.5×106個/mL、水溫25 ℃左右、藻液pH為8左右時，降藻率達到最高(99.50%)。

(2) 改性河沙的加入能大大縮短絮體形成及沉降的時間，壓實絮體，減少其上浮。

(3) 改性河沙具有較寬的pH適用范圍(7～12)。

(4) 改性河沙適宜在水溫為25～35 ℃的夏季對銅綠微囊藻進行降藻。

(5) 改性河沙懸濁液在2～8 ℃下存放不宜超過10 d。

(6) HTCC的氨氮溶出率較低(最高為1.77%)，氨氮溶出風(fēng)險較低。

[1] 王娟，孫海麗.飲用水源水中藻類繁殖的危害及處理[J].西南給排水，2011，33(2)：15-18.

[2] 施國鍵，喬俊蓮，王國強，等.天然物質(zhì)絮凝劑絮凝除藻研究進展[J].工業(yè)用水與廢水，2009，40(4)：1-4.

[3] ALIPOUR M，SHARIYAT M.An analytical global-local Taylor transformation-based vibration solution for annular FGM sandwich plates supported by nonuniform elastic foundations[J].Archives of Civil and Mechanical Engineering，2014，14(1)：6-24.

[4] 董磊，喬俊蓮，張普，等.改性殼聚糖混凝去除太湖藻研究[J].環(huán)境工程，2011，29(5)：48-51.

[5] 鄒華，潘綱，阮文權(quán).殼聚糖改性粘土絮凝除藻的機理探討[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2007，30(5)：8-9.

[6] 劉潔.組合化感改性劑改性河沙降藻效果研究[D].重慶：重慶工商大學(xué)，2012.

[7] 韋俊.CTA季銨化殼聚糖的合成及其應(yīng)用性能研究[D].蘭州：蘭州交通大學(xué)，2011.

[8] 王河?xùn)|，王江濤.兩種新型可溶性殼聚糖季銨鹽的制備[J].武漢大學(xué)學(xué)報(理學(xué)版)，2011，57(1)：33-37.

[9] 常青.水處理絮凝學(xué)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

[10] ZHAO Xiaolei，ZHANG Yuejun.Algae-removing and algicidal efficiencies of polydiallyldimethylammonium chloride composite coagulants in enhanced coagulation treatment of algae-containing raw water[J].Chemical Engineering Journal，2011，173(1)：164-170.

[11] PAN Gang，CHEN Jing，ANDERSON D M.Modified local sands for the mitigation of harmful algal blooms[J].Harmful Algae，2011，10(4)：381-387.

[12] 劉戀，陳兵，王志紅.殼聚糖改性粘土對高藻水中藻類的絮凝去除[J].環(huán)境工程學(xué)報，2010，4(6)：1296-1300.

[13] 劉戀.殼聚糖改性粘土去除城市湖泊中藻類的研究[J].環(huán)境科學(xué)與管理，2012，37(3)：83-87.

[14] 王香愛.殼聚糖季銨鹽對高嶺土懸浮液的絮凝處理[J].應(yīng)用化工，2008，37(6)：609-612.

[15] 李盼盼，周利，張璐.殼聚糖改性高嶺土去除水中常見藻類的試驗研究[J].環(huán)境污染與防治，2015，37(1)：59-61.

[16] 黃欣毅.殼聚糖季銨鹽的制備及其絮凝性能研究[D].南昌：南昌航空大學(xué)，2013.

[17] LIU Guofeng，F(xiàn)AN Chengxin，ZHONG Jicheng，et al.Using hexadecyl trimethyl ammonium bromide (CTAB) modified clays to clean theMicrocystisaeruginosablooms in Lake Taihu，China[J].Harmful Algae，2010，9(4)：413-418.

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 陽，男，1993年生，碩士研究生，研究方向為水體富營養(yǎng)化及水華治理技術(shù)。#

。

*重慶市科學(xué)技術(shù)委員會項目(No.cstc2014yykfA2003)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.05.011