香樟葉水提取物的制備及其阻垢性能研究

張 攀， 李冬伊， 郭心瑜， 呂小改， 岑世宏

(鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 藥學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院， 河南 鄭州 450000)

阻垢劑是防止或干擾難溶性無機(jī)鹽在金屬表面沉淀、結(jié)垢的一種藥劑，在工業(yè)生產(chǎn)中常常被加入到工業(yè)循環(huán)水中除去水垢或者阻止水垢的形成，提高熱交換效率，減少電能和燃料的消耗。傳統(tǒng)阻垢劑因使用量大、不易生物降解、對(duì)環(huán)境造成污染等而發(fā)展受限[1]。隨著人們環(huán)保意識(shí)逐步提高，綠色環(huán)保阻垢劑逐漸成為研究熱點(diǎn)。鑒于天然植物型水處理劑具有高效的阻垢性能及生物降解性，對(duì)生態(tài)環(huán)境十分友好，近年來研究者開始從天然植物中提取有效成分來制備天然植物型阻垢劑。Zakiyeh等[2]采用倒根草提取物作為阻垢劑，發(fā)現(xiàn)其對(duì)CaCO3阻垢率高達(dá)99.5%，認(rèn)為其原因是提取物中含有羧基、酯基和醚鍵等，具有很強(qiáng)的阻垢作用。Aidoud等[3]采用橄欖葉提取物作為阻垢劑，發(fā)現(xiàn)橄欖葉提取物的濃度越高，其阻垢性能越好，對(duì)CaCO3阻垢率可達(dá)100%。張小云等[4]對(duì)紫蘇進(jìn)行提取，并通過靜態(tài)阻垢法測(cè)定其對(duì)CaCO3、CaSO4和Ca3(PO4)2的阻垢性能，發(fā)現(xiàn)該天然植物具有良好的阻垢性能，其對(duì)Ca3(PO4)2和CaCO3的阻垢率分別為98%和85%以上。

香樟樹分布于長(zhǎng)江以南各地，香樟葉產(chǎn)量豐富，價(jià)廉易得。研究表明，樟樹葉富含大量的活性物質(zhì)，如黃酮及其衍生類有蘆丁、槲皮素-3-O-β-D-半乳糖苷、山奈酚-3-O-β-D-蕓香糖苷、異鼠李素-3-O-β-D-蕓香糖苷、木脂素及生物堿類新木姜子堿和網(wǎng)狀番荔枝堿等[5]，其中糖苷、黃酮和生物堿類里面含有較多的羥基、羧基以及含氧雜原子，因此香樟葉是一種潛在的天然植物型阻垢劑。本文以價(jià)廉易得的香樟葉為研究對(duì)象，采用水浸漬法制備香樟葉水提取物，通過靜態(tài)阻垢法探究其阻垢性能。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器

1.1.1 試劑

主要試劑有：無水氯化鈣、十水四硼酸鈉、碳酸氫鈉、無水硫酸鈉、氫氧化鉀、氯化鉀、磷酸二氫鉀、抗壞血酸、鉬酸銨、酒石酸銻鉀、硫酸(純度>95%)、鈣羧酸指示劑和乙二胺四乙酸二鈉。

1.1.2 儀器

主要儀器有：電子分析天平(JA1003，上海越平科學(xué)儀器有限公司)；普系列超純優(yōu)水機(jī)(Z19123738KS，四川優(yōu)普超純科技有限公司)；粉碎機(jī)(MJ-BL25B2，廣東美的生活電器有限公司)；電熱鼓風(fēng)干燥箱(BGZ-246，上海博迅醫(yī)療生物儀器股份有限公司)；分析天平(FA10048天津越平舟學(xué)儀器有限公司)；可見分光光度計(jì)(723，上海析譜儀器有限公司)；數(shù)顯雙列六孔恒溫水浴鍋(3219186553，常州市金壇大地自動(dòng)化儀器廠)。

1.2 香樟葉提取物的制備方法

香樟葉原料產(chǎn)地為湖北省荊州市。將香樟葉用蒸餾水清洗干凈，放入電熱鼓風(fēng)干燥箱中烘干，烘干后將其粉碎成粉末，備用。使用分析天平稱取香樟葉粉末20 g，置于500 mL圓底燒瓶中，加蒸餾水300 mL，80 ℃條件下攪拌加熱6 h。冷卻后，使用紗布過濾，然后使用布氏漏斗進(jìn)行抽濾，得到濾液，將濾液置于干燥箱中烘干后得到香樟葉水提取物(CPLA)，稱其重量為2.75 g。

1.3 阻垢劑性能評(píng)價(jià)方法

采用靜態(tài)阻垢法探究不同濃度的CPLA對(duì)CaCO3、Ca3(PO4)2、CaSO43種鈣垢的阻垢性能。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16632-2008、GB/T 22626-2008及相關(guān)文獻(xiàn)[6-9]，在80 ℃和60 ℃水浴條件下，設(shè)置空白組(不加提取液的試樣組)和加入提取液的試樣組，測(cè)定其加熱后的Ca2+濃度，計(jì)算出CPLA對(duì)CaCO3、CaSO4、Ca3(PO4)23種鈣垢的阻垢率，從而評(píng)定CPLA對(duì)CaCO3、CaSO4、Ca3(PO4)2的阻垢性能。

2 結(jié)果與分析

2.1 CPLA在不同濃度下對(duì)碳酸鈣的阻垢性能分析

不同濃度的CPLA對(duì)CaCO3阻垢效果如圖1所示?？梢钥闯觯珻PLA對(duì)CaCO3阻垢性能隨著其濃度增加而不斷增強(qiáng)：當(dāng)CPLA濃度為200 mg/L時(shí)，阻垢率為18.48%；當(dāng)CPLA濃度為800 mg/L時(shí)，阻垢率為71.74%；當(dāng)CPLA濃度達(dá)到1 000 mg/L時(shí)，阻垢率達(dá)到80.14%。這說明CPLA濃度與阻垢率呈正相關(guān)性。當(dāng)CPLA的濃度超過800 mg/L之后，阻垢率上升緩慢，其原因是CPLA濃度增加，導(dǎo)致其所含羧基、羥基等官能團(tuán)數(shù)量隨之增加，增加了對(duì)水中Ca2+的螯合作用，從而生成水溶性好、穩(wěn)定性較強(qiáng)的配合物，減少了鈣離子的沉積，達(dá)到阻垢的目的[10]。

圖1 不同濃度的CPLA對(duì)CaCO3的阻垢效率Fig. 1 Efficiency of different concentrations of CPLA in inhibiting CaCO3 scaling

2.2 CPLA在不同濃度下對(duì)硫酸鈣的阻垢性能分析

不同濃度的CPLA對(duì)CaSO4阻垢效果如圖2所示?？梢钥闯?，CPLA對(duì)CaCO3的阻垢性能隨著其濃度增加而不斷增強(qiáng)：當(dāng)CPLA濃度為60 mg/L時(shí)，阻垢率為54.39%；當(dāng)CPLA濃度為80 mg/L時(shí)，阻垢率為78.51%；當(dāng)CPLA濃度達(dá)到100 mg/L時(shí)，阻垢率達(dá)到95.50%，阻垢性能最好。這說明CPLA濃度與阻垢率呈正相關(guān)性。這主要是因?yàn)樽韫竸┰谒邪l(fā)生電離作用，電離出陰離子如羧基和羥基，陰離子吸附在垢離子表面，增加了顆粒之間的靜電斥力，減少了顆粒的沉積，起到了阻垢的效果[11]。

圖2 不同濃度的CPLA對(duì)CaSO4的阻垢效率Fig. 2 Efficiency of different concentrations of CPLA in inhibiting CaSO4 scaling

2.3 CPLA在不同濃度下對(duì)磷酸鈣的阻垢性能分析

不同濃度的CPLA對(duì)Ca3(PO4)2阻垢效果如圖3所示。當(dāng)CPLA濃度為400 mg/L時(shí)，阻垢率為26.30%；當(dāng)CPLA濃度為800 mg/L時(shí)，阻垢率達(dá)到66.60%；當(dāng)CPLA濃度為1 000 mg/L時(shí)，阻垢率達(dá)到82.30%。這說明CPLA對(duì)Ca3(PO4)2的阻垢性能隨著其濃度增加而不斷增強(qiáng)，CPLA濃度與阻垢率呈正相關(guān)性。CPLA濃度超過800 mg/L后，其阻垢率仍進(jìn)一步增加，原因是阻垢劑分子可以與水溶液中的Ca2+發(fā)生螯合作用，減小了Ca3(PO4)2垢的生成量，隨著加入CPLA濃度的增加，阻垢率也增大。

圖3 不同濃度的CPLA對(duì)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+濃度對(duì)碳酸鈣阻垢性能的影響

在循環(huán)冷卻水體系中，水中Ca2+濃度影響阻垢劑的阻垢性能。在水溫為80 ℃，CPLA濃度為800 mg/L的條件下，在不同的Ca2+濃度的水中，CPLA對(duì)CaCO3阻垢率曲線如圖4所示。隨著Ca2+的濃度增加，CPLA對(duì)CaCO3的阻垢率逐漸降低[12]：當(dāng)Ca2+濃度為120 mg/L時(shí)，阻垢率可以達(dá)到100%；當(dāng)Ca2+濃度為360 mg/L時(shí)阻垢率下降為44.41%；當(dāng)Ca2+濃度在120～360 mg/L范圍內(nèi)時(shí)，CPLA對(duì)Ca2+的阻垢效率下降了55.59%。這說明CPLA對(duì)CaCO3的阻垢率隨著Ca2+的濃度增加而降低，CPLA在Ca2+濃度較低的水環(huán)境中才具有較好的阻垢性能。這可能是溶液中Ca2+濃度的增加，導(dǎo)致所需CPLA有效成分的量增加，然而溶液體系中CPLA的量是一定的，即體系中CPLA相對(duì)有效成分減少，造成了CPLA阻垢率的下降。

圖4 Ca2+濃度對(duì)CPLA對(duì)CaCO3阻垢性能的影響Fig. 4 Effect of different Ca2+ concentrations on calcium carbonate scale inhibition performance

2.5 水浴溫度對(duì)CPLA對(duì)碳酸鈣阻垢性能的影響

在循環(huán)冷卻水體系中，溫度對(duì)阻垢劑對(duì)CaCO3阻垢性能具有重要影響。一般情況下，在溫度較低時(shí)，離子的運(yùn)動(dòng)速度較慢，Ca2+和CO32-碰撞結(jié)合生成CaCO3的概率較少；當(dāng)溫度較高時(shí)，離子的運(yùn)動(dòng)速度較快，化學(xué)反應(yīng)速率提高，Ca2+和CO32-碰撞結(jié)合概率增大，CaCO3沉積量隨之增加[13]。因此，進(jìn)一步探究在CPLA濃度為800 mg/L、加熱時(shí)間為10 h時(shí)，溫度對(duì)CPLA對(duì)CaCO3阻垢性能的影響，如圖5所示?？梢钥闯?，CPLA對(duì)CaCO3阻垢效率隨著溫度的增加而降低。當(dāng)溫度為70 ℃時(shí)，CPLA的阻垢率為70.96%；當(dāng)溫度為80 ℃時(shí)，CPLA的阻垢率為65.32%；當(dāng)溫度升高至90 ℃時(shí)，CPLA的阻垢率降為44.35%。這是由于隨著溫度的升高，CPLA中的有效成分發(fā)生分解，導(dǎo)致CPLA的阻垢性能變差，阻垢率隨之下降?？偟膩碚f，在溫度為70～85 ℃時(shí)，CPLA均具有較好的阻垢率，且阻垢性能比較穩(wěn)定。

圖5 溫度對(duì)CPLA對(duì)CaCO3阻垢性能的影響Fig. 5 Effect of temperature on calcium carbonate scale inhibition performance

2.6 加熱時(shí)間對(duì)CPLA對(duì)碳酸鈣阻垢性能的影響

加熱時(shí)間也是影響阻垢劑阻垢性能的因素之一。正常情況下，水中垢晶體的結(jié)晶生長(zhǎng)有一個(gè)過程，阻垢劑可以通過影響結(jié)晶的習(xí)性效應(yīng)進(jìn)一步阻礙晶體的生長(zhǎng)，從而達(dá)到防止晶體凝結(jié)的目的。阻垢劑在表現(xiàn)其阻垢效應(yīng)時(shí)，存在時(shí)間界限，超過這個(gè)界限，阻垢劑的阻垢效果就會(huì)變差[14-15]。因此，筆者測(cè)定了不同加熱時(shí)間下CPLA對(duì)CaCO3的阻垢性能。在CPLA濃度為800 mg/L、加熱溫度為80 ℃時(shí)，不同加熱時(shí)間對(duì)CPLA對(duì)CaCO3阻垢性能的影響如圖6所示?？梢钥闯?，隨著加熱時(shí)間的增加，CPLA對(duì)CaCO3的阻垢性能呈下降趨勢(shì)。在加熱時(shí)間為6 h時(shí)，CPLA對(duì)CaCO3的阻垢率為71.00 %；在加熱時(shí)間為12 h時(shí)，CPLA對(duì)CaCO3的阻垢率為65.31%；在加熱時(shí)間為16 h時(shí)，CPLA對(duì)CaCO3的阻垢率為62.45%。這是因?yàn)镃aCO3結(jié)晶過程緩慢，有很長(zhǎng)的誘導(dǎo)期，垢的生長(zhǎng)速率小，在一定時(shí)間內(nèi)阻垢劑阻垢效能較好?？偟膩碚f，加熱時(shí)間對(duì)CPLA對(duì)CaCO3阻垢率的影響較小，CPLA對(duì)CaCO3的阻垢性能具有時(shí)間穩(wěn)定性。

圖6 加熱時(shí)間對(duì)CPLA對(duì)CaCO3阻垢性能的影響Fig. 6 Influence of different heating time on calcium carbonate scale inhibition performance

3 結(jié)論

(1) 將水作為溶劑來提取制備阻垢劑CPLA，采用靜態(tài)阻垢法探究不同濃度的CPLA對(duì)CaCO3、Ca3(PO4)2、CaSO4的阻垢性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，CPLA濃度與阻垢率呈正相關(guān)性，CPLA對(duì)CaCO3、Ca3(PO4)2、CaSO4的阻垢率均可達(dá)到80.00%以上，說明CPLA有著優(yōu)異的阻垢性能。

(2) 在不同的加熱時(shí)間、Ca2+濃度、加熱溫度下，探究了CPLA對(duì)CaCO3的阻垢性能。結(jié)果表明，CPLA在不同的加熱時(shí)間和加熱溫度下有較好的阻垢穩(wěn)定性，但是在Ca2+濃度較高的體系中阻垢性能較差。