（微生物学专业论文）固定化高分子杀菌剂在工业循环水中的应用研究.pdf

贵州大学2 0 0 8 届硕士学位论文 摘要 工业冷却水的循环使用是节水的必然要求。微生物是工业循环水系统较大的危害之一。 常用可溶性水处理杀菌剂由于毒性、刺激性及使用安全性等方面的问题，促使人们开发新的、 高效的杀菌剂。水不溶性杀菌剂因其可重复利用、没有污染、使用安全等优点而成为杀菌剂 研究的热点。本课题对水不溶性杀菌剂的制备及应用进行了研究。 本研究利用磺酸阳离子交换树脂作为杀菌剂的载体，使磺酸基转化为磺酰氯基，得到聚 苯乙烯磺酰氯树脂。在聚苯乙烯磺酰氯树脂的基础上固载聚乙烯亚胺( p e i ) ，并通过烷基化 最终得到带多聚季铵盐基团的水不溶性高分子杀菌剂。对合成的杀菌剂进行杀菌力测试结果 表明，它对水中的异养菌、真菌、藻类等都有好的杀菌效果。在杀菌剂浓度4 0 m e d m l 下， 杀菌率均可以达到9 0 以上。 试验中利用杀菌剂填充柱床的方式测试杀菌剂的杀菌效果。试验结果表明在杀菌柱的工 作流量范围之内，能够将纯培养的大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、酵母菌、黑曲霉、小球藻以 及对附近河流水样中异养菌绝大部分杀死，杀生效果好。在水力停留时间达到0 0 4 0 h 以上 时，杀菌率能够达到9 0 以上。并建立数学模型：杀菌, - - - t ( 0 0 0 9 8 6 x t + 5 1 8 3 3 9 1 0 5 ) 将杀菌柱扩大化试验，在流量1 5 0 l a 时，扩大化的杀菌柱杀菌率可以达到9 0 以上。 对于小球藻，在试验条件下，更可以达到1 0 0 的杀灭。排除设备因素造成的误差，大柱的 工作曲线也可以适用式子杀菌率= t ，( o 0 0 9 8 6 t + 5 1 8 3 3 9 x1 0 巧) ； 最后论文还讨论了吸附速率、边壁效应、压力降等因素对杀菌效果的影响。 关键词：高分子季铵盐杀菌剂杀菌柱工业循环水杀菌数学模型 第3 页共5 5 页 贵州大学2 0 0 8 届硕士学位论文 a b s t r a c t t h ei n d u s t r i a lc o o l i n gw a t e ro i r c u l a t i o ni sp u ti n t oa n e c e s s a r yr e q u e s tt os a v i n gw a t e r t h ew o r s t h a z a r do fo i r c u l a t i n go o o l i n gw a t e fs y s t e mi s f r o mm i c r o b e b u ts o m e t i m e s ，w a t e r - t r e a t m e n t b a c t e r i c i d eb r i n g st o x i c i t y ，p u n g e n c ya n dt h el o wg r a d es e c u r i t yp r o b l e mb e c a u s eo fi t ss o l u b i l i t y t h e r e f o r et ow a t e ri n f u s i b i l i t y , t h eb a c t e r i c i d ee x p l o i t a t i o ns p r e a & o u tu n c e a s i n g l y o r g a n i c m a c r o m o l e c u l ea m m o n i u ms a l tb a c t e r i c i d eb e c o m e st h em a j o rt o p i co fs t u d y i n g l a t d y i t s s t e r i l i z a t i o nb a s e0 1 1 1 u s i n ga m m o n i u ms a l tc o v a l e n c ec o m b i n ew i t hm a c r o m o l e c u l ei n t o b a 删d ew h i c hh a v i n gt h eg e r m i c i d a lf u n c t i o na n d a p p l i e st ow a t e rt r e a t m e n t i nt h i ss t u d y , w eu s es u l f o n i cc a t i o nr e s i na st h eb a c t e r i c i d e s o r i g i n a l l y , m a k ei ti n t od y l e n e s u l f o n i c - a c y l - c h l o r o a c t i cc a t i o nr e s i n t h em a c r o m o l e c u l eb a c t e r i c i d es t r e n g t h e nt h ew a t e r i n f u s i b i l i t yb e i n gl o a d e dw i t ht h ep o l y e t h y l e n ei m i n e ( p e i ) ，t h e nb e i n ga l k y l r i z a t i o no nd y l e n e m a l f o n i c - a c y l 。c h l o r o a c t i cc a t i o nr e s i n t h r o u g hs t e r i l i z et e s t i n g ，t ot h eb a c t e r i u m ，f u n g u s ，a l g a a l lh a v ef i n es t e r i l i z a t i o ne f f e c t i nb a c t e r i c i d et h i c k n e s si n4 0m g m l ，s t e r i l i z er a t ec a nr e a c h9 0 t h ea b o v e m a c r o m o l e c u l ea m m o n i u ms a l tt y p eb a c t e f i c i d e sm e r i ti s i n s o l u b i l i t y , l o w - c o n t a m i n a t e s ，a n d c i r c u l a r l yu s e w eh a v ed e s i g n e dt h a tt h ew a ym a k i n gu s eo fb a c t e r i c i d et o6 nu p f o r c et ol 娣 s t i a m st h r o u g ht h eb a c t e r i c i d e t e s tr e s u l ti si n d i c a t e dt h a tt h eb a c t c r i c i d a l - c o l u m m x ! b e di sa b l e t ok i l lt h ee c o i l , sa u r e s ，s c h 锄) l y 瞅e ，a n i g e r t h ed e s t r u c t i o no fl i f ee f f e c ti sf i n e w h e n 8 d c kt i m er e a c h e s0 0 4 0 ha b o v e , t h es t e r i l i z er a t ei sa b l et or e a c h9 0 a b o v e a n db u i l da m a t h e m a t i cm o d e l ：s t e r i l i z er a t e = t ( 0 0 0 9 8 6 t + 5 18 3 3 9x 1 0 5 ) b r o a d e n st h ee x p e r i m e n ts c o p e ，t h eb i g g e rb a c t e r i c i d a l - c o l u m n i a t i o nb e d ss t e r i l i z er a t ec a l lr e a c h 9 0 i nt h ef l u x r15 01 ht i m e c a l lr e a c hl0 0 si nk i l l i n gc h l o r e l l a s o r o k i n i a n a r e m o v i n gt h e o l l o rt h a tt h ee q u i p m e n tf a c t o rb r i n g sa b o u t ，t h eb r o a d e ne x p e r i m e n tc a nu s et h ef o r m u l a ： s t e r i l i z er a t e = t ( 0 0 0 9 8 6 t + 5 18 3 3 9x1c ) f i n a l l yd i s c u s s e dm a i nt h ee f f e c tf a c t o ro fs t e r i l i z er a t e ：t h er a t eo fa d s o r b ，b o u n d a r ye f f e c t , p r e s s m v , - f a l l k e yw o r d s ：m a c r o m o l e c u l ea m m o n i u ms a l t s t e r i l i z ec o l u m nb e d i n d u s t r yr e e i r c u l a t i n gw a t e rs t e r i l i z em a t h e m a t i em o d e i 第4 页共5 5 页 2 0 0 8 届贵州大学硕士学位论文 原创性声明r 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是苯人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究在做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：熟一 日 ，一 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权贵州大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：趁导师签名： 贵州大学2 0 0 8 届硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 据水文地理学家的估算，地球上的水资源总量约为1 3 8 亿立方千米，其中98 是海水 ( 1 3 4 5 亿立方千米) 。淡水只占2 ，其中绝大部分为极地冰雪冰川和地下水，实际上可供 开发利用，适宜人类享用的仅为b 3 略1 2 3 】 20 世纪5o 年代以后，全球人口急剧增长，工业发展迅速。一方面，人类对水资源的 需求以惊人的速度扩大：另一方面，日益严重的水污染蚕食大量可供消费的水资源。世界水 论坛提供的联合国水资源世界评估报告显示，全世界每天约有200 吨垃圾倒进河流、湖泊 和小溪，每升废水会污染8 升淡水；所有流经亚洲城市的河流均被污染；美国4o 的水资 源流域被加工食品废料、金属、肥料和杀虫剂污染；欧洲55 条河流中仅有5 条水质差强人 意。 2 0 世纪，世界人口增加了两倍，而人类用水增加了5 倍。世界上许多国家正面临水资 源危机：1 2 亿人用水短缺，3 0 亿人缺乏用水卫生设施，每年有3 0 0 万到4 0 0 万人死于和水 有关的疾病。到2 0 2 5 年，水危机将蔓延到4 8 个国家，3 5 亿人为水所困。水资源危机带来 的生态系统恶化和生物多样性破坏，也将严重威胁人类生存。 人多水少，水资源时空分布不均，水土资源与经济社会发展布局不相匹配，是我国的基 本水情，我国是一个缺水严重的国家。淡水资源总量为2 8 0 0 0 亿立方米，占全球水资源的 6 ，仅次于巴西、俄罗斯和加拿大，居世界第四位，但人均只有2 3 0 0 立方米，仅为世界平 均水平的1 4 、美国的1 5 ，在世界上名列1 2 1 位，是全球1 3 个人均水资源最贫乏的国家之 一 扣除难以利用的洪水泾流和散布在偏远地区的地下水资源后，我国现实可利用的淡水资 源量则更少，仅为1 1 0 0 0 亿立方米左右，人均可利用水资源量约为9 0 0 立方米，并且其分布 极不均衡。到2 0 世纪末，全国6 0 0 多座城市中，已有4 0 0 多个城市存在供水不足问题，其 中比较严重的缺水城市达1 1 0 个，全国城市缺水总量为6 0 亿立方米。 据监测，目前全国多数城市地下水受到一定程度的点状和面状污染，且有逐年加重的趋 势。日趋严重的水污染不仅降低了水体的使用功能，进一步加剧了水资源短缺的矛盾，对我 国正在实施的可持续发展战略带来了严重影响，而且还严重威胁到城市居民的饮水安全和人 民群众的健康。2 0 0 7 年4 月开始爆发的太湖蓝藻危机，给我国脆弱的生态环境拉响了警钟。 水利部预测，2 0 3 0 年中国人口将达到1 6 亿，届时人均水资源量仅有1 7 5 0 立方米。在 第5 页共5 5 页 贵州大学2 0 0 8 届硕士学位论文 充分考虑节水情况下，预计用水总量为7 0 0 0 亿至8 0 0 0 亿立方米，要求供水能力比现在增长 1 3 0 0 亿至2 3 0 0 亿立方米，全国实际可利用水资源量接近合理利用水量上限，水资源开发难 度极大。水，已经成为我国部分地区经济发展的瓶颈。2 0 1 0 年后，我国将进入严重缺水期， 有专家估计，2 0 3 0 年前后中国的缺水量将达到6 0 0 亿立方米。 我国的用水主要分为农业用水和工业用水。工业用水占城市用水7 0 - - - ，8 0 ，其中的 工业冷却循环水又占工业用水的8 0 以上。因此合理使用冷却水，减少或者避免由于冷却 水系统的损害而引起的水资源浪费，成为节约用水的关键之一。 工业冷却循环水中由于补水、大气、工业泄露等途径溶解的营养源，加上冷却循环水因 换热而保持的恒温，形成了个适宜微生物生长的良好环境，从而使细菌、霉菌、藻类等微 生物群落不断增殖。以此微生物为主体，混有泥沙、尘土等形成软泥性污物附着堆积，不仅 降低设备热效率、恶化水质，也引起设备管道的局部腐蚀 4 1 。因此，在使用工业循环水的时 候就必须在一定时间内换水，以清洁水质。换水太频繁又不能达到水循环使用的经济目的。 为解决由于工业循环水系统结垢和微生物腐蚀而导致的工业设备使用寿命缩短和换热冷却 效率降低，影响产品质量，能源消耗剧增等问题，也为了实现经济的可持续发展，工业用水 的处理及循环再使用是非常必须的。防止细菌增殖、藻类生长，使用快速、高效地杀灭工业 循环水水体中的有害微生物的杀菌剂，成为工业用水是否可以实现多次循环利用，缓解水资 源短缺的关键。 1 2 微生物在工业上循环水中的危害 在工业循环水系统中，微生物的危害往往与水垢和腐蚀并列为三大危害 5 1 ，微生物的危 害甚至更胜一筹。有些微生物或其代谢产物会腐蚀生产设备、管道，使水质变质，从而引起 故障，严重影响生产。这些微生物包括细菌、真菌和藻类。 1 2 1 细菌 在循环水系统中存在金属腐蚀和与粘泥形成有关的两类细菌。 产粘泥细菌，粘泥是由微生物群体及其分泌物所形成的胶粘状物。一般水中异养菌数量 高时，它们产生一种胶状的、粘性的或粘泥状的、附着力很强的沉积物。这种沉积物覆盏在 金属的表面上，降低冷却水的冷却效果，阻止冷却水中的缓蚀剂、阻垢剂和杀菌剂到达金属 表面发生缓蚀、阻垢和杀生作用，并使金属表面形成差异腐蚀电池而发生沉积物下腐蚀。但 是，这些细菌本身并不直接引起腐蚀。若加入杀菌剂，异养菌数得到控制，粘泥量也相应得 第6 页共5 5 页 贵州大学2 0 0 8 届硕士学位论文 到控制。故可根据各种杀菌剂对异养茵的杀灭率来评价杀菌剂。 循环冷却水系统中除了粘泥的危害外，某些特殊细菌在代谢过程中产生的特殊反应和化 学物质也会带来危害，此类细菌最常见的为铁细菌和硫酸盐还原菌。铁细菌有以下特点：( 1 ) 在含铁的水中生长；( 2 ) 通常被包裹在铁的化合物中；( 3 ) 生成体积很大的红棕色的粘性沉 积物；( 4 ) 铁细菌是好氧菌，但也可以在氧含量小于0 5 m g l 的水中生长。铁细菌在冷却水 系统中产生大量氧化铁沉淀，铁细菌的锈瘤遮盖了钢铁的表面形成氧浓度差腐蚀电池，并使 冷却水中的缓蚀剂难于与金属表面作用生成保持膜。铁细菌还从钢铁表面的阳极区除去亚铁 离子，从而使钢的腐蚀速度增加。硫酸盐还原菌能在无氧或缺氧状态下用硫酸盐中的氧进行 氧化反应。硫酸盐还原菌能生长繁殖在循环冷却水系统中粘泥下面。硫酸盐还原菌能把水溶 性的硫酸盐还原为硫化氢，冷却水中的硫酸根既可以是天然存在的，也可以是由于加硫酸控 制冷却水p n 值时引入的。硫酸盐还原菌产生的硫化氢对一些金属有腐蚀性。工业用水中， 在硫化菌的作用下，可将元素硫氧化成硫酸盐，在硫酸盐还原菌的作用下又将硫酸盐还原成 硫化氢，而后在硫细菌等微生物的作用下，又将硫化氢转化成元素硫。在这一过程中，硫化 氢本身产生硫酸降低了水的p h ，破坏了混凝土设备，腐蚀金属。硫酸盐还原菌产生了硫化 氢造成了金属腐蚀及水中发出臭味。同时硫酸盐还原菌对输水管及热交换器造成严重的结瘤 和电化学腐蚀腐蚀形成是强烈的局部电蚀。故这类对工业冷却水危害极为严重。 1 2 2 真菌 冷却水系统中的真菌包括霉菌和酵母两类。它们往往生长在冷却塔的木质结构上、水池 壁上和换热器中，故防止真菌危害也较为重要。真菌种类繁多，形态多种。所起的作用也不 一。对工业冷却水及其设备能够引起危害的主要是藻状菌，囊素菌，担子菌，及半知菌中的 部分种类。他们可以参与氨化、硝化、反硝化作用，能够分解纤维素及其类似化合物。真菌 破坏木材中的纤维素，使冷却塔的木质构件朽蚀。同时能够形成粘泥，引起电化学腐蚀和化 学腐蚀。 真菌的生长能产生粘泥，从而沉积覆盖在换热器中的换热管的表面上，降低循环冷却水 的冷却作用。一般来讲，真菌对循环冷却水系统中的金属并没有直接的腐蚀性，但它们产生 的粘状沉积物会在金属表面建立差异腐蚀电池而引起金属的腐蚀。它们覆盖在金属表面，也 会使循环冷却水中的缓蚀剂不能发挥作用。 第7 页共5 5 页 贵州大学2 0 0 8 届硕士学位论文 1 2 3 藻类 冷却水中的藻类主要有蓝藻、绿藻和硅藻。这些藻类的颜色是由于他们体内有进行光合 作用叶绿素和其他色素存在，所以他们常常在阳光和水分充足的地方，如水泥冷却塔的塔壁， 集水池的边缘以及小氮肥厂喷淋式蛇管换热器的布水器和管壁上。死亡的藻类会变成冷却水 系统中的悬浮物和沉积物。在换热器中，它们将成为捕集冷却水中有机体的过滤器，为细菌 和霉菌提供食物。藻类形成的团块进入换热器后，会堵塞换热器中的管路，降低循环冷却水 的流量，从而降低其循环冷却作用。 一般认为，藻类本身并不直接引起腐蚀，但它们生成的沉积物所覆盖的金属表面则由于 形成差异腐蚀电池而常会发生沉积物下腐蚀。因而控制藻类的生长是必要的。用挡板、盖板、 百叶窗等遮盖冷却塔和水池，阻止阳光进入循环冷却水系统，可以控制藻类的生长。向冷却 水中添加非氧化型杀菌剂，特别是季铵盐，对于控制藻类的生长十分有利。 工业循环水的处理，在水处理行业中占有相当重要的位置。微生物在工业循环水中生长 和繁殖，将导致设备腐蚀和结垢，影响传热。同时，由于不能很好的抑制循环水中微生物的 生长和繁殖，使工业循环水的浪费很大，重复利用率低。 1 2 4 工业循环水微生物控制指标f 3 】f 4 1 为了保证生产的稳定，不损坏设备，能长周期运转，必须定期测定工业循环冷却水中各 种离子含量，严格控制工业循环冷却水水质。 冷却水系统中微生物的控制主要是通过对微生物生长的控制来实现的，即通过控制冷却 水中微生物的数量来实现的。向冷却水系统中添加杀生剂是控制冷却水系统中微生物生长最 有效和最常用的方法。循环冷却水系统中微生物生长的控制指标见表1 1 表1 - 1 循环冷却水系统中微生物控制的指标及监测频率 t a b l e l - 1t h em i c r o b ec o n t r o li n d e xa n di n s p e c tf r e q u e n c yo fi n d u s t r i a lc o o l i n gw a t e r 第8 页共5 5 页 贵州大学2 0 0 8 届硕士学位论文 1 3 杀菌剂在工业循环水中的应用与分类 我国的水处理开始于5 0 年代，7 0 年代以来，我国先后引进的大化肥和多套石油化工装 置，也都引进了工业循环冷却水、水处理技术和配套的水处理药剂。其中的水处理杀菌剂是 指对一些微生物高度敏感、少量添加到水中即可达到抗微生物性能的化学物质，它们能够控 制或杀灭水中的细菌、藻类和真菌等微生物。使用各种杀菌剂能够快速、高效地杀灭水体中 的有害微生物。虽然经过2 0 多年的努力，水处理药剂的大类品种基本配齐，但仿制的多， 独创的少。因此，开发新的高效、持久杀菌剂是工业循环水处理的一个重要研究课题。 国内外常用工业用水处理杀菌剂基本上分为氧化型和非氧化型两大类别。 1 3 1 氧化型杀菌剂 包括c i z ，n c l ( h ，b r z ，仉，c 1 q ，h 2 0 2 及其他过氧化物等，是使用得最早的一类杀菌 剂。由于其杀菌力强、价格低廉和来源广泛等一系列优点，至今仍是使用得最广泛的一类杀 菌剂。 但是氧化型杀菌剂的不足也是明显的嘲，如能与环境中的有机物反应( 如氯型杀菌剂与 水中的有机物生成氯代烃类致癌物，氯能与氨和大多数胺生成无杀菌效果的氯胺) ，稳定性 不佳，易分解，用于工业水处理时对粘泥、菌垢的剥离和洗涤作用差：氧化型杀菌剂有时会 对循环水中加入的一些水处理药剂如a t m p ( 氨基三甲叉膦酸，阻垢缓蚀剂) 和m b t ( 巯基苯 骈噻唑，铜缓蚀剂) 等产生不同程度的氧化破坏作用。氯离子还是一种腐蚀性离子，水体中 含量过高时，它能破坏碳钢、不锈钢和铝等金属表面的钝化膜，引起金属的点蚀，缝隙腐蚀 和应力腐蚀破裂。因此在工业循环水的处理中用氧化型杀菌剂是存在着一定的缺陷的。 1 3 2 非氧化型杀菌剂 氧化型杀菌剂的一些不足之处如毒性和稳定性方面可通过使用非氧化型杀菌剂得到改 善。非氧化型杀菌剂主要包括早期的氯酚类，有机胺类，有机硫化合物，季铵盐类，新开发 的有异噻唑啉酮，有机锡化合物，戊二醛等。下面就一些非氧化型杀菌剂作一个简单介绍 氯酚类是非氧化型杀生剂，常用的有五氯酚钠和三氯酚钠，它们一般都是易溶且稳定 的化合物，很少与循环冷却水中的无机或有机化合物起反应。 该杀生剂的杀菌机理是它能与蛋白质作用，形成沉淀。五氯酚钠与三氯酚钠复合使用， 杀菌效果增强，药剂的有效浓度可减少一半。 第9 页共5 5 页 贵州大学2 0 0 8 届硕士学位论文 o 一 第l o 页共5 5 页 贵州大学2 0 0 8 届硕士学位论文 易起泡；长期使用细菌产生抗药性，使加药浓度上升，水处理费用增加；季铵盐类杀 菌剂长时间使用后会使杀菌基团丧失杀菌活性，重复利用性差。 综合以上以及未列出的杀菌剂，表1 - 2 总结了杀菌剂的特点： 表1 - 2 ：杀菌剂的分类及其特点 t a b l e l - 2t h es o r ta n dp e c u l i a r i t yo fb a c t e r i c i d e 1 4 立题背景和研究内容 1 4 1 立题背景 随着工农业的发展，水资源逐渐短缺。工业冷却水的循环使用成为节水的一个必然要求。 水处理杀菌剂由于其可溶性往往带来毒性、余毒、刺激性及使用安全性差等问题。所以对水 不溶性杀菌剂的开发不断展开。有机商分子季铵盐类杀菌剂因其优点成为最近研究的热门。 有机高分子季铵盐类杀菌剂是将杀菌基团共价结合在固体载体上制成具有杀生功能的制剂 并应用于水处理上使之形成大分子、水不溶性的新型杀菌剂。 由于载体的多样性，它们可以制成多种有机高分子季铵盐杀菌材料，应用范围非常广泛。 国内已有许多高校和科研单位开展了这方面的研究，并且取得了不错的效果。周轩榕， 第1 l 页共5 5 页 贵州大学2 0 0 8 届硕士学位论文 卢滇楠等1 1 q 在纤维素的纤维的表面接枝季铵盐单体甲基丙烯酰氧乙基一苄基一二甲基 氯化铵( m e t h a c r y l o x y l e t h y lb e n z y l d i m e t h y l a m m o n i u mc h o r i d e ，删a 愀) ，用于处 理大肠杆菌液，通过测量其杀菌率法及电镜直接扫描观察法得出经表面改性接枝季铵盐 后的纤维对菌体具有很强的裂菌和杀灭作用。北京石油化工学院应用化学系和北京石油 化工科学研究院的赵天波等f l l l 合成了带长链烷基季铵盐杀菌活性官能团树脂，并对异 养菌的杀菌性能进行测定，结果表明合成的杀菌树脂的杀菌率在测定条件下都达到了 9 0 以上。 有机高分子季铵盐类杀菌剂具有以下优点1 9 1 ： 可以有效地避免二次污染； 利用适当的化学药剂对抗菌剂进行再生，可以重复利用； 由于杀菌基团集中在载体表面且浓度高，也使杀菌时间缩短； 有机高分子杀菌剂不会渗透进人的皮肤； 具有比小分子杀菌剂更好的杀菌性能： 由于有机高分子季铵杀菌基团可以与许多载体( 如棉纤维、硅胶、树脂等) 很牢固地 共价结合在一起，因此这些杀菌基团不易从载体中脱落； 我所在的课题组【1 2 1 曾成功将具有抗菌功能的季铵盐高分子共价修饰到纳米氧化硅、玻 璃、纤维、硅胶、尼龙- 6 等载体上，可在接触过程中杀灭微生物和藻类，显示出较高的抗 菌活性。将上述抗菌材料应用于抗菌塑料、抗菌纸、抗菌涂膜的制备中，也取得了不错的效 果。 1 4 2 研究内容 本课题主要研究内容如下： l 、高分子季铵盐型水不溶性杀菌剂的制备。通过试验优化得到高分子季铵盐型水不溶性杀 菌剂的合成工艺路线。 2 、将合成的高分子季铵盐型水不溶性杀菌剂填充为柱床，并对各种微生物进行杀灭研究。 建立杀菌的相关数学模型。 3 、将第二步的杀菌柱床进行扩大化试验。将结果与第二步得到的数学模型比对验证并加以 分析，为工业化应用该杀菌剂找到合理的数学模型与影响参数。 第1 2 页共5 5 页 贵州大学2 0 0 8 届硕士学位论文 第二章高分子季铵盐型水不溶性杀菌剂的制备研究 2 1 引言 目前，许多季铵盐类阳离子表面活性剂正广泛用于水处理，油田开采，食品工业，医疗 卫生事业中的杀菌处理【1 3 1 。由于小分子杀菌剂溶于水，容易从皮肤渗入，造成皮肤过敏， 疱疹。因此用于医疗，水处理，包装食品时不可避免的存在毒性和余毒。对环境，人类以及 牲畜带来一定的刺激和毒害。因此，高分子、水不溶性、低毒的新型季铵盐类杀菌剂成为开 发的热点。研究人员通过杀菌剂单体小分子聚合成高分子或将有杀菌能力的官能团加载到高 分子化合物的方式b 4 1 ，制成水不溶性聚合物杀菌剂。 本研究利用磺酸阳离子交换树脂作为新杀菌剂的载体，使磺酸基转化为磺酰氯基，得到 聚苯乙烯磺酰氯树脂，再在聚苯乙烯磺酰氯树脂的基础上固载聚乙烯亚胺( p e i ) ，并通过烷 基化最终得到带多聚季铵盐基团的水不溶性高分子杀菌剂。经过杀菌测试，它对水中的异养 菌，真菌，藻类等都有很好的杀菌效果。 2 2 材料与设备 2 2 1 主要试剂、原料及来源 主要试剂及来源： 强酸型阳离子交换树脂( 0 0 1x 7 h 型) 1 ，4 一二氧六环 分析纯 毗啶分析纯 亚硫酰氯分析纯 聚乙烯亚胺( p e i ) q l - 1 0 0 1 - c - 6 ) 1 一溴己烷 9 8 9 6 碘甲烷分析纯 异丁醇分析纯 天津市博迪化工有限公司 北京维达化工有限公司 成都市恒昌化工有限责任公司 武汉强龙化工新材料公司 江苏宜兴芳桥东方化工厂 江苏太仓市长江轻工助剂厂 天津市科密化学试剂厂 其余甲醇、硫酸、乙醚、石油醚、无水乙醇等常见试剂均为市售分析纯； 第1 3 页共5 5 页 贵州大学2 0 0 8 届硕士学位论文 2 2 2 菌种及来源 金黄色葡萄球菌( s t a p h y l o c o c c u sa u r e u s ) 、大肠埃希氏菌( e s c h e r i c h i ac o l d 、黑曲霉( 么 n i g e r ) 、酵母( s a c c h a r o m y c e sc e r e v i s i a e ) ，贵州省发酵工程与生物制药重点实验室；小 球藻( c h l o r e l l as o r o k i n i a n a ) ，中科院水生生物研究所淡水藻种库。 2 2 3 仪器与设备 表2 - 1 实验所用仪器设备及制造商 t a b l e 2 - 1t h ec h i e fe q u i p m e n t st y p ea n dm a n u f a c t u r e r 设备名称 设备型号制造商 2 3 试验方法 2 3 1 杀菌剂的合成路线与工艺 2 3 1 1 树脂的预处理 市售的磺酸阳离子交换树脂( 0 0 1 x 7h 型) 5 0 0g 先用无水乙醇浸泡2 4 h 除去杂质，去 离子水反复洗涤。再用3 0 稀h 2 s 0 4 浸泡4 h 进行酸化，去离子水洗涤至中性，最后滤出树脂 在真空干燥箱内干燥2 4 h 以上备用。 2 3 1 2 合成磺酸吡啶盐树脂 取己真空干燥好的预处理得到的树脂，置于双层玻璃反应釜( 5 l ) 内加入溶胀剂l ，4 一二氧六环2 5 0 0 i i l l ，在恒温槽内恒温溶胀2 4h ( 温度为5 0 ) ，1 取1 5 0 0m l 吡啶加入，8 0 0 r r a i n 第1 4 页共5 5 页 贵州大学2 0 0 8 届硕士学位论文 搅拌反应8 1 0h 然后滤出树脂并用乙醇、乙醚反复洗涤再将所得的树脂吡啶盐放人真 空干燥箱内干燥2 4h 以上，主要反应如下： p y ( 吡啶) s 0 3 h 2 3 1 3 合成磺酰氯树脂 s 0 3 p y h 把2 3 1 。2 步制得的磺酸吡啶盐树脂和1 5 0 0 m l 的亚硫酰氯在反应古釜内加热回流6 8h ， 温度为8 0 c ，转速8 0 0 r r a i n 反应完毕后，去除多余亚硫酰氯，滤出树脂并用去离子水、丙 酮、石油醚反复洗涤至中性，3 0 c 真空干燥。主要反应如下： 0 1 i s 0 3 p y h + c 1 - s c l - 2 3 1 4 接枝p e i ，合成磺酸聚乙烯亚胺树脂 称取2 3 1 3 步所得树脂5 0 0 9 于反应釜中，加入异丁醇4 0 ( 0 ) 0 ，p e d 0 0 m l 。室温下反 应2 4 h ，冬天应用3 0 c 恒温循环水浴。另外可以加入少量的n a o h ( 5 1 0 9 ) 作为缚酸剂中和 接枝p e i 时生成的i t c l 以加快反应的速率和侄化学平衡向正反应方向移动。主要反应如下： 上 畎科一二十c h 2 c _ 翻 2 3 1 5 烷基化合成季铵盐的反应 往上：述2 3 1 4 步反应2 4 h 后的溶液中加入溴已烷5 0 0 m l ，8 0 c 下恒温反应2 4 h 。反应结束后， 继续添加碘甲烷2 5 0 n f l ，4 0 下恒温反应2 4 h 至此反应全部结束。滤出树脂用甲醇和自来水 反复洗涤。自然晾干。主要反应如下： 第1 5 页共5 5 页 贵州大学2 0 0 8 届硕士学位论文 上 一p 亨童_ 删善 2 3 2 杀菌剂杀灭微生物的效果评价 t 5 】 2 3 2 1 杀灭细菌的测定方法 其中r = c h 3 ( c h 2 ) s & c h 3 ( 1 ) 菌悬液的配制：取冷冻保藏的大肠杆菌、金黄色葡萄球菌菌种用接种环取一环划 线接种于接种于营养琼脂斜面，于3 7 c 培养1 8 h 2 4 h ，即为活化菌种。取活化后菌种，用 5 o m l 吸管吸取3 o m l 一- - , 5 o m l 稀释液( 附录a 屹) 加入斜面试管内，反复吹洗，洗下菌苔。 随后，用5 o m l 吸管将洗液移至另一无菌试管中，用电动混合器混合( 振荡) 2 0 s ，或在手 掌上振荡8 0 次，以使细菌悬浮均匀，初步制成菌悬液。 ( 2 ) 抗菌测定方法：根据消毒技术规范( 2 0 0 2 年) 2 1 8 7 “振荡烧瓶实验”【4 2 1 做 适当修改，具体操作如下：将三角烧瓶固定于振荡摇床上，在作用温度为3 7 1 2 的条件下， 以3 0 0 r m i n 振荡，待作用到设定时间后，各取o i m l 加入预先倒好培养基的培养皿中，涂 布，倒置放入培养箱中3 7 下恒温培养1 8 2 4 h ，培养完毕后，计数培养皿中没有被杀死的 细菌数。 杀菌率= ( 初始菌数存活菌数) l o o 唰初始菌数 2 3 3 2 杀灭酵母测定方法 杀灭酵母时参照上述步骤，将培养温度改为3 0 1 2 。 2 3 2 3 杀灭黑曲霉测定方法 ( 1 ) 菌悬液的配制：将保藏菌接种在马铃薯一葡萄糖琼脂培养基( p d a ) 斜面试管中， 2 8 c - - 3 0 c 条件下培养7 1 4 天，使其生成大量孢子。未制备孢子悬液时，不得拔去棉塞。 每打开1 支只供制各1 次悬液，每次制备孢子悬液必须使用新培养的霉菌孢子。在培养7 1 4 天的p d a 斜面培养基中加入少量无菌蒸馏水，用灭菌接种针轻轻刮取表面的新鲜霉菌孢 第1 6 页共5 5 页 _ 啦啦斗 。赳= o q 贵州大学2 0 0 8 届硕士学位论文 子，将孢子悬液置于2 5 0 m l 锥形瓶内，然后注入洗脱液( 附录a 一2 ) 4 0 r a l 。往锥形瓶中加 入直径5 m m 的玻璃珠1 0 - - - 1 5 粒与孢子混合，密封后置水浴振荡器中不断振荡使成团的孢子 散开，然后用单层纱布棉过滤以除去菌丝。将其装入灭菌离心管中，用离心机分离沉淀孢子， 去上层清夜。再加入洗脱液4 0 m l ，重复静心操作3 次。用稀释液( 附录a - 2 ) 稀释孢子悬 液，用血球计数板计数，制成浓度为( 1 。0 1 0 6 + 2 x1 0 5 ) 印i 咪刚m 1 的霉菌孢子悬液。最后 将盛有霉菌孢子悬液的锥形瓶放置在8 0 c 水浴锅内1 0 分钟或放在6 0 水浴锅内3 0 分钟， 以除去细菌营养体。霉菌孢子悬液最好在当天使用，若不在当天使用应在3 ( 2 - 7 1 2 保存，4 天内使用有效。 ( 2 ) 抗菌测定方法：根据 9 9 9 o1 0 600 3 818 5 i 旷9 9 0 00 7 000 3 818 5 x 1 0 49 9 0 00 6 30 0 4 0l3 x 1 0 9 30 00 4 000 4 325 叫0 5 8 65 表34 中通过藻渡的o d 值受化口j 以监搠凛英明生叨量时减少与古。用目暇就q 以很明 显的分辨：藻液未经过杀菌柱前是绿色的，经过杀菌拄2 后已经变为透明。在显镟镜下观察 从杀苗柱中出来的水样，并f j 血球计数法计数，小球藻活体细胞己经没有，剩下的部分细胞 破裂。因为细胞破裂析出的叶绿素a 仍然部分存在于水中，所以仍显示有一定的吸光度。 j 1 一 囊墨： 围 l 乐刀停翻时嘲为o1 0 6 h 盯杀曲钠对小蛛激附采火教采 p i c 3 - 1t h ee f g k h c y o f e t i m i n a t e t h e e u n d e rs t i m e i n01 0 6 h 345 杀菌柱对河水中异养苗的杀灭效果 t 业用水人多直接来自自然水体，自然水件中镊生物的成分复杂而且数量巨人，有细菌、 真菌和藻类等。其中异养苗的数目可以作为徽生物总量的指标。试验检测了一个米自附近河 流的水样。方法同前，使河水以不同停留时问流过杀菌柱然后涂布，3 6 f 恒温培养2 4 h 。 第2 9 页麸 页 ! ! = ! ! 堂! ! ! 兰! ! ! 结果如表3 - 5 ： 表3 百不同停留时间下杀菌柱对河水异荐营的杀灭结果 t a b l e 3 - 5 t h es l e l i f i z a i t o n e f f i c i e n c y t h e i n c t e r h f r o mr i v e r i n t h e d i l m e r e n t “h t i m e 停留时问( h ) 苗落数( c f u m l 。) 茉菌率“) 0 6 2 5 02 1 t 7 9 89 0 1 0 8 5 4 9 64 00 7 0 5 8 9 47 00 5 3 6 29 21 n “i o 从表35 我w j 可以看出杀菌柱在混苗的情况下依然保持着彳6 l 高的杀苗率。河水中的异 荐菌浓度为6 2 5c “皿l 低于试糖配置的茁悬液。但是杀菌的结果比试轻配置苗赫渍浓 度要低可能使因为河水中水质复杂青有报多有机杂质、溶胶、无机盐。试验中没有对河水 进行预处理多少会影响到杀苗柱的杀茁效果。因此该结果更能反映杀菌柱的真实杀菌能力 346 小试杀菌柱数学模型的建立 由于河水中微生物种娄组成接近于丁业循环水中的微生物种娄组成，用此以杀菌柱对河 水异养苗的杀菌率为扩大化试验的参考基础数据。利用o a g i n 7 0 软件，令水力停留时间( ) ( 1 为横坐标，杀菌率( ”为纵坐标做得如f 圈3 - i ： 第3 0 页共弱砸 * 贵州大学2 8 届顿学位论文 图3 - 3 小杀菌柱中水力停留时间和杀菌率的关系 p i c 3 - 2r e l a t i v a y o f t h es t e r i l m u t 如n 币k h 竹“d t h e0 啦k t i m e 从该幽中可以看出，随着水力停留时间的增加，杀菌率上升。因为测量值曲线的斜率是 不断在降低的，说明其杀菌率随水力停留时间的增幅是在降低的。将该曲线做s 曲线拟台， 结果如上闰曲线。软件并没有给出拟台曲线相应的方程，只是给出了一些具体的参数，如最 人值9 89 1 5 1 8 等。 为了得到t 作曲线的方程以杀苗率的倒数( 1 杀菌率) 对水里停留时间的倒数( 1 t ) 做图得到一条直线。 需 姐 谁 - 对应点 线性扭台l l 水力停留时侧 圈3 _ 2 小杀菌柱中水力停留时问倒盎和杀菌串倒敷的关幕 p k 3 - 1t e t i p r o t a lr t t * t h , m , o f t - es t e r l l i z a t i o ae m c i e n c y a u d t h e s t i c k t i m e 这条直线则是有方程的，其方程为ya + b x 其中 a = 0 0 0 9 8 6 _ + 2 9 8 2 5 1 1 0 。 b _ 5 1 8 3 3 9 l 矿i8 5 2 1 4 1 0 4 数据的相戈性r = 0 9 9 8 0 9 接近于1 说明数据的相关性很好。 根据已知条件y = i 杀曲率，x = i 几由此我们可以推出杀菌率和水力停留时间t 的关系： 杀菌率= t ，( 0 0 0 9 8 6 x t + 5l8 3 3 9 x l 旷) 这个式子的结构属于等轴烈曲线形式捌能近似反应出本杀菌柱中杀苗宰随着水力 停留时间的增加而变化的规律。因此该方程可以作为小柱子的杀菌反应的数学模型。 第3 l 共” 弓 时 贵州大学2 0 0 8 届硕士学位论文 根据杀菌率= t ，( o 0 0 9 8 6 t + 5 1 8 3 3 9 xl o - 5 ) 这个杀菌曲线方程，只要令水力停留时间 相等，我们就能够外推出更大工作流量时所需要的杀菌剂质量、柱直径以及填料高度，从而 指导大型杀菌柱的设计。 本试验只是一个小试，有着很多理想的情况【2 9 1 ： ( 1 ) 柱中液体是平推流： ( 2 ) 单一填料，没有床层返混现象； ( 3 ) 流量流速较低，压力降稳定，对杀菌剂床层体积没有影响 因此由本试验结果直接推断出的拟合曲线作为中试所需的运行参数可能是粗略的，理想 情况下的。实际在中试时涉及到水力负荷的增大，管路直径的变化，压力的损失，流量的扩 大引起的冲力对杀菌剂床层体积的影响等，这些因素或多或少对于杀菌效果都有一定的干 扰，有待于进一步试验的摸索。 3 5 结论 l 、确定了以杀菌柱的方式来利用高分子季铵盐杀菌剂的水不溶性。通过对纯培养的大 肠杆菌、金黄色葡萄球菌、酵母菌、黑曲霉、小球藻以及对附近河流水样中异养菌的杀菌测 试表明：在杀菌柱的工作流量范围之内，能够将上述微生物绝大部分杀死，杀生效果良好。 在水力停留时间达到0 0 4 0 h 以上时，杀菌率能够达到9 0 以上 2 、根据对附近河流水样中异养菌的杀菌结果的作图分析，得到杀菌柱的数学模型为j 杀菌率= ：t ，( 0 0 0 9 8 6 t + 5 1 8 3 3 9 1 0 - 5 ) 该曲线符合等轴双曲线的特征。该特征说明随着水力停留时间的增加，杀菌率上升，但 上升的速率放慢，最终达到最大杀菌率。根据这个杀菌曲线方程，只要令水力停留时间相等， 我们就能够外推出更大工作流量时所需要的杀菌剂质量、柱直径以及填料高度，从而指导大 型杀菌柱的设计。 第3 2 页共5 5 页 贵州大学2 0 0 8 届硕士学位论