新型陽離子水處理劑的合成與應用
【摘要】本文通過實驗合成了陽離子生物質水處理劑，并對其殺菌滅藻、阻垢、緩蝕性能進行了評價。結果表明，陽離子生物質的殺菌滅藻性能得到很大提高，在藥劑質量濃度為20~30 mg/L時，可與癸甲氯銨的殺菌滅藻性能相媲美。同時，改性后，生物質的阻垢、緩蝕性能也得到較大幅度的改善。
【關鍵詞】陽離子生物質；水處理劑；合成；殺菌滅藻；阻垢緩蝕
生物質水處理劑，應用于工業循環冷卻水的處理，在我國已有多年的歷史。它的特點是阻垢效果好、滲透性能強、溶垢效果好，同時兼具一定的緩蝕能力，而且價格比其他水處理藥劑便宜，以采用腐植酸和殼聚糖最為普遍[1]。但其系列水處理劑對細菌、藻類的殺滅效果極差，尤其是高溫季節，在冷卻水流速緩慢的管道內部常滋生粘泥，降低傳熱效率。為了提高生物質的殺菌滅藻效果，改善其綜合性能，擬對腐植酸進行季銨化改性試驗。實驗結果表明，改性后的腐植酸的殺菌滅藻性能得到很大提高，可與二癸基二甲基氯化銨相媲美，同時改性后的腐植酸的阻垢、緩蝕性能也得到大幅度改善。為腐植酸的應用開辟了新的前景。
1 實驗部分
1．1 合成原理
腐植酸為天然高分子化合物，在其結構單元中含有多種官能團，其中羧基含量隨產地不同，其中區別很大，一般在5～9mmol/g之間[2]，以江西的為好。改性時，可利用羧基與有機胺作用，生成功能酰胺基，然后再進行胺甲基化和季銨化，即可向分子中引入季銨離子。反應式如下：
1．2 陽離子的合成
1．2．1 叔酰胺化反應
在裝有溫度計、電動攪拌器和回流冷凝管的三口燒瓶中，加入精制好的腐植酸粉末，加入二甲丙二胺水(40%)，質量比為1：0．5，緩慢加熱、攪拌，使其生成腐植酸銨鹽。蒸干水分后，升溫至150-200℃(溫度不得超過250℃，以防腐植酸結焦分解)，攪拌反應1 h，銨鹽失水生成腐植酸二甲酰叔胺，其外觀為紫黑色閃亮的粘狀物。
1．2．2叔酰胺化產品處理
裝置同前，腐植酸叔酰胺加入一定量乙醇，控制pH為7～9，溶解溫度60-70℃，攪拌l h。進行季銨化反應。
1．2．3季銨化反應
裝置同前，在處理后的叔酰胺化中加入與二甲丙二胺等物質的量的硫酸二甲酯，滴加時間為l h，pH調為7，溫度為60～70℃，反應2 h得季銨化生物質，產物外觀為棕色粘稠液體。
1．3 實驗方法
1．3．1 季銨化腐植酸的鑒定[3]
腐植酸為復合物，直接用氣相色譜或紅外光譜進行分析非常困難，但可用化學方法對季銨基團進行鑒定，取一定量季銨化的腐植酸，加蒸餾水稀釋后，加入0．1 mol/L的月桂硫酸鈉試劑少許，立即有白色絮狀物沉淀產生。表明腐植酸分子中引入了季銨離子。
1．3．2 季銨化度的測定
取一定量的陽離子腐植酸，用過量沉淀劑月桂硫酸鈉沉淀季銨離子，用丙酮溶解沉淀物，然后用HC104標準溶液滴定叔酰季銨離子，按下式求得改性腐植酸的季銨化度為75%。銨化度=叔酰季銨離子物質的量/腐植酸中羧基物質的量x100% 。
2 結果與討論
2．1 叔酰季銨化腐植酸殺菌滅藻性能的考察
取鐵細菌、硫酸鹽還原菌為菌種，用不同濃度的季銨化腐植酸處理，在顯微鏡下觀察細菌群落，并計算殺菌率，同時與潔爾滅的殺菌效果做對比，實驗結果見表1。
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由表1可以看出，改性腐植酸的殺菌能力得到了大幅度的提高，與二癸基二甲基氯化銨相比，雖然在低濃度的情況下，其殺菌性能不如二癸基二甲基氯化銨，但當濃度在30~40 mg/L時，其殺菌性能即可與二癸基二甲基氯化銨媲美。同時，對叔酰季銨化腐植酸殺滅新鮮硅藻的性能也做了考察，實驗結果見表2。
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由表2可看出，未改性腐植酸在低濃度時，幾乎沒有滅藻作用，在高藥劑質量濃度40 mg/L時，實驗96 h，殺藻率也僅有50%，而叔酰季銨化腐植酸則顯示出比未改性腐植酸強得多的滅藻能力。低質量濃度0o~2o mg/L)時，實驗96 h，滅藻率即可達80%，高質量濃度(40 mg/L)時，僅需10 h，滅藻率即可達到100%。以上實驗說明對腐植酸進行季銨化改性來提高其殺菌滅藻性能的途徑是完全可行的，而且實驗中發現該方法實驗條件不苛刻，易于控制，產率較高。
2．2 酰銨化腐植酸緩蝕性能的考察
以A3標準鋼片為實驗對象，按常規方法測定其在等質量濃度的腐植酸和季銨化腐植酸溶液中的靜態腐蝕速度，并計算緩蝕率，實驗結果見圖1。
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由圖1可知，低藥劑濃度時，腐植酸及改性腐植酸的緩蝕率均不理想，但隨藥劑質量濃度的增加，二者的緩蝕率均逐漸增大，而且在二者質量濃度相同情況下，改性腐植酸的緩蝕率遠遠高于未改性的腐植酸，40 mg/L時，腐植酸的緩蝕率為60%，而叔酰季銨化腐植酸可達90．6%，緩蝕性能得到大幅度改善。這可能是由于引入叔酰季銨離子后，增強了腐植酸分子在鋼鐵表面的吸附能力，形成了更好的吸附膜，從而提高了緩蝕效果。
2．3 叔酰季銨化腐植酸阻垢性能的考察
用含Ca2+和HCO-均為250 mg/L的配制水，在一定的藥劑濃度下，于85℃下恒溫64 h，用EDTA滴定Ca ，計算不同質量濃度的季銨化腐植酸的阻垢率，并與未改性的腐植酸做對比，實驗結果見圖2。
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圖 2表明，在相同藥劑質量濃度下，改性腐植酸的阻垢率均高于未改性腐植酸的阻垢率，這說明叔酰季銨化改性腐植酸，不但使它的殺菌滅藻性能、緩蝕性能得到大幅度的提高，而且也進一步改善了它的阻垢性能。從實驗看出，叔酰季銨化腐植酸是一種原料易得的綠色水處理劑。
3 結論
本文合成的陰離子生物水處理劑，其殺菌滅藻性能好，對生物質的阻垢以及緩蝕性能也得到了很大的改善，為腐殖酸的應用開辟了新的前景。
參考文獻
【1】五蘭巴音，等．廢水處理的新材料、新方法【M】．北京：中國環境科學出版社，1995．
【2】黃永奎．腐植酸化學文摘【M】．北京：科學出版社，1982．
【3】蘭州大學化學系，等．有機微量定量分析【M】．北京：科學出版社，1978．
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