（发酵工程专业论文）固定化分子抗菌剂制备及应用研究.pdf

2 0 0 7 届贵州大学硕士学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，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。 论丈作者签名：曼必 日期：2 q q 生么旦 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：蜱导师签名：卑煦日期：垫也 2 0 0 7 届贵州大学硕士学位论文 摘要 论文考察了表面接枝的聚季铵盐型高分子杀生剂的制备方法。实验分别选用尼龙6 树 脂、阳离子交换树脂作为载体，用适当的活化剂对它们进行处理，使这两种树脂表面带上活 性功能基团：然后将具有活化基团的树脂与高分子聚乙烯亚胺( p e i ) 在适当的有机溶液中 进行反应，使p e i 共价接枝在树脂上：最后用卤代烷对接枝在树脂上的p e i 进行修饰。使其 形成具有抗菌杀生功能的高分子季铵盐，从而制备出表面接枝的蒙季铵盐型高分子杀生剂。 论文对固定化商分子杀生剂的剖各工艺进行了优化。以尼龙6 树脂为高分子载体，经 4 溴丁酰氯活化后固载聚乙烯亚胺c p e i ) 通过烷基化反应得到尼龙树脂载体固定化的高分 子季铵盐杀生剂。确定合成反应的优化条件为：选用i 、舢二氧六环作为接枝反应溶剂，反 应温度为4 5 c ，活化剂与尼龙树脂的比为2 ：5 。活化反应进行1 2 h 可达到最佳接枝效果 通过红外光谱检测证实高分子季铵盐接枝在尼龙6 树脂载体上。此外，通过尼龙6 树脂载体 固定化高分子抗菌杀生剂结合稳定性试验亦证实高分子季铵盐接枝在尼龙6 树脂载体上。以 强酸型阳离子交换树脂作为载体，制各固定化的高分子季铵盐杀生剂的优化条件为：3 0 h 2 s 0 4 进行磺酸化反应，选择l ，4 _ 二氧六环作为磺酸阳离子交换树脂的溶胀剂，添加毗啶 反应8 h ，舍成得到磺酸n 比啶盐树脂，再经4 一溴丁酰氯活化，固载聚乙烯甄胺( p e i ) 并烷基 化，可得到阳离子交换树脂固定化的带长链烷基的季铵盐杀菌剂。 实验对制备的两种高分子杀生剂的抗菌活性进行了检测，其对革兰氏阴性细菌大肠杆菌 ( e s c h e r i c h i a c o l l ) 和革兰氏阳性细菌金黄色葡萄球菌( s t a p h y l o c o c c u s a u r e u s ) 、枯草芽孢 杆菌( b a c i l l u s s u b t i l i s ) ，霉菌( 爿n i g e r ) 等具有比较好的杀菌效果，对以小球藻、螺旋藻为 代表的藻类有非常明显的吸附絮凝和灭藻作用。试验还对不同高分子杀生剂浓度、不同作用 时间、抗菌的长效性和抗菌的操作稳定性等进行研究。 论文还对制备的高分子杀生剂的应用进行了研究利用直接给药法将一定量的制备的高 分子杀生荆直接投入工业循环水或河水中，进行抗菌性能试验。结果表明，工业循环冷却水 经过尼龙6 高分子季铵盐杀生剂处理4 0 m i n 后水体中异养菌、氨化菌及反硝化细菌的杀灭率 均可达到9 0 ，真菌的杀灭率也可达到s 5 ；河水经过该杀生剂4 0 m i n 处理后水体中的异 养菌、氮化菌、铁细菌、硫酸盐还原菌、硝化菌、亚硝化菌及反硝化菌的杀灭率都在9 0 以上，真菌的杀灭率为8 6 工业循环冷却水以及河水在经过阳离子交换树脂季铵盐杀生剂 处理4 0r a i n 后水体中各检测苗属的杀灭率都在9 0 以上 关键词：季铵盐；抗菌；杀生荆；共价接枝：尼龙6 树脂；阳离子交换树脂；水处理 4 2 0 0 7 届贵州大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h em e t h o do fp r e p a r i n gan o v e lb i o c i d eu s i n gp o l yq u a t e r n a r ya m m o n i u ms a l t g r a f t e db yn y l o na n dc a t i o ne x c h a n g er e s i nw a ss t u d i e d t r e a t e db ya c t i v a t i n ga g e n t ，t h en y l o na n d c a t i o ne x c h a n g er e s i nw e r eg r a f t e dw i t ho r g a n i cf u n c t i o n a lg r o u p s ，t h e nt h e yr e a c t e dw i t h h i g h - m o l e c u l a r - w e i g h tp o l y e t h y l e n i m i n e ( p e 0i nt h eo r g a n i cs o l v e n t , t h e r e f o r ep e lw a sg r a f t e d c o v a l e n t l yo nt h es u r f a c eo f n y l o na n dc a t i o ne x c h a n g er e s i n f i n a l l y , m o d i f i e db yt h ea l k y ih a l i d e s u c ha sb r o m o h e x a n ea n di o d o m e t h a n e , t h ep e ig r a f t e do nt h es u r f a c eo fn y l o na n dc a t i o n e x c h a n g er e s i nw e r ec o n v e r t e dt oh i g h m o l e c u l a r - w e i g h ta n t i m i c r o b i a lq u a t e r n a r ya m m o n i u m s a l t s , a n dt h en o v e lb i o c i d ew e r ep r e p a r e d t h ea n t i m i c r o b i a lg r o u p sw e r e g r a f t e do nt h es u r f a c e o f n y l o na n dc a t i o ne x c h a n g er e s i nb yc o v a l e n tb o n d s t h et e c h n i c so fp r e p a r a t i o no fb i o c i d eh a sb e e no p t i m i z e di nc h o o s i n ga c t i v a t i n ga g e n ta n d n y l o na n dc a t i o ne x c h a n g er e s i ni nt h i sp a p e r a n dt h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h en y l o na c t i v a t e db y 4 - b r o m o b u t a n ec h l o r i d ew a sg r a f t e dw i t hh i g h - m o l e c u l a r - w e i g h tp o l y e t h y l e n i m i n ei f e 1 ) i nt h e o r g a n i cs o l v e n t ，t h e r e f o r ep e iw a sg r a f t e dc o v a l e n t l yo nt h es u r f a c eo f n y l o n f i n a l l y , m o d i f i e db y t h ea l k y lh a l i d es u c ha sb r o m o h e x a n ea n di o d o m e t h a n e ，t h ep e ig r a r e do nt h es u r f a c eo fn y l o n w e r ec o n v e n e dt 0h i g h - m o l e c u l a r - w e i g h ta n t i m i c r o b i a lq u a t e r n a r ya m m o n i u ms a l t sa n dt h en o v e l b i o c i d ew e r ep r e p a r e d t h ep r e p a r e dp r o c e s sw a sr a t i oo fa c t i v a t i n ga g e n t n y l o n2 ：5 1 、4 d i o x a n e 鹅t h er e a c t i o ns o l v e n t o b t a i n e db ya c t i v a t i n gt r e a t m e n ta t4 5 cf o r1 2 h i ra n a l y s i sa n d t e s t i n go fs t a b i l i z a t i o no ft h en o v e lb i o c i d et e s t i f i e st h a tt h eh i g h - m o l e c u l a r - w e i g h ta n t i m i c r o b i a l g r o u p sw e r eg r a f t e ds u c c e s s f u l l yo nt h es u r f a c eo f n y l o n t h ep r e p a r e dp r o c e s so f an o v e lb i o c i d e u s i n gp o l yq u a t e r n a r ya m m o n i u ms a l tg r a f t e dc a t i o ne x c h a n g er e s i nw a s3 0 h 2 s 0 4 ，1 、4 - d i o x a n ea st h es w e l l i n ga g e n t , o b t a i n e db ya c t i v a t i n gt r e a t m e n tf o r8 h t h eb a c t e r i c i d a lc a p a b i l i t i e so ft h ep r o d u o tp r e p a r e da c c o r d i n gt oo p t i m a lc o n d i t i o n sw e r e e v a l u a t e d ，a n dt ot y p i c a lm i c r o o r g a n i s m ss u c ha se a c h e r i c h i a c o l i ，s t a p h y l o c o o c u s a o r e u s ， b a c i l l u ss u b t i l i s , a n i g e r , n c h l o r e l l aa n ds p i r u l i n aa r eo b v i o u s a n dt h ed i f f e r e n tm a c r o m o l e e u l e b i o c i d ec o n c e n t r a t i o n , r e a c t i o nt i m ea n ds t a b i l i z a t i o no f t h en o v e lb i o c i d ew e r ea l s or e s e a r c h e di n t h i sp a p e r i nt h i sp a p e r , t h ea p p l i c a t i o no f p r a c t i c a lb i o c i d a lc a p a b i l i t i e so ft h e t h en o v e lb i o c i d ew a sa l s os t u d i e d i no r d e rt ot e s tt h e n o v e lb i o c i d ei nc i r c u l a t i n gc o o l i n gw a t e rt f 弓a i m e n la 2 0 0 7 届贵卅大学硕士学位论文 b i o c i d a lt c s ta p p l y i n gt ot h ep r a c t i c a lc o o l i n gw a t e ro rr i v e rs a m p l ew a sc a r r i e do u t t h er e s u l t so f b a c t e r i c i d a le f f i c i e n c yo f b i o c i d eu s i n gp o l yq u a t e r n a r ya m m o n i u ms a l tg r a f t e db yn y l o ns h o wt h a t t y p i c a lm i c r o o r g a n i s m ss u c h 鹋h e t e r o t r o p h i cb a c t e r i a , a m m o n i l y i n gb a c t e r i aa n dd e n i 仃i l y i n g b a c t e r i aw e r es t e r i l i z e da b o v e9 0 a n de p i p h y t ew a ss t e r i l i z e da b o v e8 5 i nc i r c u l a t i n gc o o l i n g w a t e ra f t e r4 0 r a i n a n dh e t e r o t r o p h i eb a c t e r i a , a m m o n i f y i n gb a c t e r i a , i r o nb a c t e r i a , s u l f a t e r e d u c t i n gb a c t e r i a , s u l f a t er e d u e t i n gb a c t e r i a , n i t r i f l e r , n i t r o c o e e u sa n dd e n i t r i f y i m gb a c t e r i aw e r e s t e r i l i z e da b o v e9 0 a n de p i p h y t ew a ss t e r i l i z e da b o v e8 6 i nf i v e ra f t e r4 0r a i n t h er e s u l t so f b a c t e r i c i d a le f f i c i e n c yo fb i o c i d eu s i n gp o l yq u a t e r n a r ya m m o n i u ms a l tg r a t e db yc a t i o n e x c h a n g er e s i ns h o wt h a tt y p i c a lm i c r o o r g a n i s m sw e r es t e r i l i z e da b o v e9 0 i nc i r c u l a t i n gc o o l i n g w a t e ra n df i v e ra f t e r4 0r a i n k e y w o r d s ：q u a t e r n a r ya m m o n i u ms a l t ；a n t i m i c r o b i a l = b i o c i d e s ；e o v a l e n t l ym o d i f i e d ： n y l o n = c a t i o ne x c h a n g er e s i n ：w a t e rt r e a t m e n t 6 2 0 0 7 届贵州大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 人多水少。水资源时空分布不均。水资源与经济社会发展布局不相匹配，是我国的基本 水情。随着工农业生产的发展和人民生活水平的提高，用水量日益增加，世界性的水资源危 机日益加重。我国是水资源贫乏的国家之一，目前我国有3 0 0 个城市缺水，其中1 l o 个城 市严重缺水，他们主要分布在华北、东北、西北和沿海地区。水，已经成为这些地区经济发 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 年前中国的缺水量将达 到6 0 0 亿立方米。而工业用水占城市用水7 0 8 0 ，其中冷却水又占工业用水的8 0 以 上1 1 1 工业用水中因补水、大气、工业泄露等而使其溶解有营养源，使细菌、霉菌、藻类等 微生物群不断增殖，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嘲。因此，为解决由于工业循环水 系统结垢和腐蚀，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 源消耗增加的问题，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、高效地杀灭工业污水水体中的有害微生物的杀 菌剂，可以实现工业用水的多次循环利用。缓解水资源短缺3 。” 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药剂【6 】o 水处理杀生剂是指对一些微 生物高度敏感、少量添加到材料中即可赋予材料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。使用各种杀生剂能够快速、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、持久杀生剂是工业循环水处理的一个重要研究课题。 1 2 循环冷却水系统中的微生物及其控制 在工业冷却水系统运行时，有些微生物或其代谢产物会腐蚀生产设备、管道，使冷却水 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 在冷却水泵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，又称粘液形成菌、粘液异养菌等是冷却水系统中数量最多的一类有害细 菌异养菌并非单一菌种，而是指在营养类型方面靠有机物作为合成自身菌体的碳源，靠有 机物氧化产生化学能进行代谢的一类细菌异养菌又分为能从水质摄取无机物或有机物而生 7 2 0 0 7 届贵州大学硕士学位论文 活的腐生菌和依赖寄主供给营养而生活的寄生苗两类。在冷却水中，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。这种沉积物覆盖在金属的表面上，降低冷却水的 冷却效果，阻止冷却水中的缓蚀荆、阻垢剂和杀生齐j 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。 金属腐蚀细菌，冷却水系统中直接引起金属腐蚀的细菌。按其作用来分有铁沉积细菌、 产硫化物细菌和产酸细菌 1 2 1 1 铁沉积细菌 铁沉积细菌简称为铁细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o 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荆难于与金属表面 作用生成保护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。 1 2 1 2 产硫化物细菌 产硫化物细菌又称硫酸盐还原菌。其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 h 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。故这类苗对工业冷却水危害极为严重 1 2 1 3 产酸细菌 冷却水系统中常遇到的另一种腐蚀性微生物是硝化细菌( n i t r o b a c t e r i a ) 它们能把水中 的氨转化变为硝酸由于大气中含有氨或由于设备的泄漏，冷却水系统中含有氮。工业冷却 水中当有大量氨化菌生存时，也同样带来水的变质和金属腐蚀的危险在正常情况下，氨进 入冷却水中后会使水的p h 值升高；然而当冷中却水存在硝化细菌时，由于它们能使氨生成 硝酸，故冷却水的p h 值反而会下降。水的p h 值下将使一些在低p h 值条件下易被侵蚀的 金属遭受腐蚀。同时也说明水体被有机氮所污染。 工业冷却水中亚硝酸菌的大量生存，可能使氯气杀菌不起作用。氮化作用产生的氨进一 8 2 0 0 7 届贵州大学硕士学位论文 步氧化为硝酸这一氧化作用称为硝化作用。硝化作用分为两个阶段，第一阶段：氦氧化为亚 硝酸：第二阶段：亚硝酸养化为硝酸。前者为亚硝酸菌所引起，后者为硝化所作用。 工业冷却水中。由于硝化菌的作用及水体化学因素，所产生的硝酸盐在反硝化菌的作用 下，使硝酸盐还原为亚硝酸。氨和氯气，并能还原水中的元素硫，硫化氢和硫代硫酸盐等。 故引起金属的腐蚀和水质的变质，发生臭味等反硝化菌为厌气菌，由此而产生的电化学腐 蚀为阴极硝酸盐还原作用 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。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索，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，降低冷却水的冷 却作用一般来讲，真菌对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，而它们覆盖在金属表面，也会使 冷却水中的缓蚀剂不能发挥作用。 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熟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，降低冷却水的流 量，从而降低其冷却作用 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，阻止阳光进入冷却水系统。可以控制藻类的生长像冷却水中 添加非氧化性杀生剂，特别是季铵盐，对于控制藻类的生长十分有利。 1 2 4 微生物的控制m 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 9 2 0 0 7 届贵州大学硕士学位论文 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 o 1 3 杀生剂的分类 水处理杀生剂按药剂化学性质可以分为氧化性和非氧化性杀生剂。氧化性杀生剂主要包 括氯基杀生剂、溴基杀生剂、臭氧、过氧化物杀生剂等 s l 。氯气价廉，杀生速度快，杀菌谱 广，效率高，被用于水的杀菌处理较早，目前仍是国内外使用最广的一种杀生剂 2 1 。臭氧不 仅能杀灭水中的各种菌藻、病毒，还可抑制或消除结垢、控制设备腐蚀，无排污，不必调节 p h 值，操作方便 9 1 。尽管氧化性杀生剂有发展快、产量迅速、操作方便等优点，而且在冷 却水处理中已用了半个多世纪，但它仍有不可克服的缺点。卤素型杀生剂与水中的有机物反 应生成致癌物三卤甲烷( t h m ) ，并且稳定性欠佳、用于工业水处理时对黏泥、菌垢的剥离 和洗涤作用差，另外氯基杀生剂中的氯离子会腐蚀设备和仪器“】。对于氧化性杀生剂的 这些不足之处如毒性和稳定性等方面可通过使_ j 非氧化性杀生剂改善。 非氧化性杀生剂种类较多，应用较早的有氯酚类、有机胺类、有机硫化合物、季铵盐类， 新开发的有有机锡化合物、戊二醛等【1 2 f1 3 1 。酚类化合物杀菌力强，价格适宜，是早期销售 量最大的非氧化性杀生剂【1 4 1 。但其毒性大，特别是危害水生物，国外在工业水处理中严格 限制采用，国内仍较多使用，只能逐步被高效，低毒的其他杀生剂代替。而非氧化性杀生剂 的研究热点主要集中在季铵盐类杀生剂、季锛盐类杀生剂等方面。表1 - 2 总结了两类杀生剂 的特点。 1 0 2 0 0 7 届贵州大学硕士学位论文 氧化性 非氧化性 氯气 次氯酸盐 氯化异氰尿酸 氯化溴 卤胺 卤化海因 二氧化氯 臭氧 h 2 0 z ，k m n 0 4 重金属化合物 氯酚 有机氮硫物 季铵盐型 活性卤化物 洗必泰 价廉，常用，加氯机操作不便 价廉，常用，不稳定 缓释，效果好，较常用 价高，不稳定，辅助费高，不宜用 价高 价高，效果好 效果极佳，不稳定，国外用 效果佳，价高 作剥氯剂，临时性使用 毒性大，难降解，不再用 毒性大，限制使用，国内使用较多 常用，但易产生耐药性 常用，泡沫多 效果好，稳定，低毒 效果好，价高 1 4 季铵盐类杀生剂 力和毒性随结构。即 兰) n + 。一串_ 帖吣c - 9 m e早h ，9 m e9 h 3 ( j i ) - 。一幸一位”毋正- + 一c 一，( j i ) - 。一 t 一啦一曲，一 + 一c 。一一， o m e c h 3 o m e c h ， 图 - 3 抗菌硅胶的表面接枝反应制各过程 n h 士0 刚小味( ；h ：3 羔咕 2 0 0 7 届贵州大学硕士学位论文 到了广泛的研究和应用 3 2 - 3 “。这种树脂还能通过一定的方法转化成具有活性功能基的聚合 物，如聚苯乙烯磺酰氯，用于有机合成和分离过程i ”。黄文强等报道一种新的将磺酸基转 化为磺酰氯基团的方法及其中间体在合成中的应用m 1 1 4 立题背景和研究内容 季铵盐类杀生剂因其成本低，毒性小，故在工业冷却水系统和油田注水系统得到广泛的应 用，但使用中还存在如下问题：季铵盐多易溶于水，造成水体的二次污染：易起泡；c i 能加重金属特别是不锈钢的点蚀和应力腐蚀：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；季铵盐类杀生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 鉴于此。对新品种季铵盐类杀生剂的开发不断展开有机高分子季铵盐类杀生剂就是其 中最热门的新品种，它是将杀菌基团共价结合在载体上制成具有杀生功能的制剂并应用于水 处理上。有机高分子季铵盐类杀生剂具有的以下优点：季铵盐类高分子材料都具有强烈的 吸附絮凝作用，便于废水的处理；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，也使消毒时间缩 短；有机高分子杀生剂不会渗透进人的皮肤；具有比小分子杀生剂更好的杀菌性能： 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1 3 7 ) ；由于载体的多样性，它们可以制成 多种有机高分子季铵杀菌材料，应用范围非常广泛 因此有机高分子季铵盐类杀生剂的合成和应用正成为当今水处理剂研究和开发的一个 熟点开发新的高效、持久杀生剂是工业循环水处理的一个重要研究课题。我们以尼龙6 以及阳离子交换树脂为载体，以共价连接方式接枝具有杀菌功能的有机高分子季铵盐。由于 抗菌功能的高分子与载体之间是共价的连接，不易脱落，杀菌分子不必经过缓慢释放到材料 表面产生杀菌功能。杀菌功能一直存在于以载体的表面，从而有利于应用这一技术可用于 广大工业企业如电厂、化肥厂、宾馆、食品厂、化工厂等企业循环用水处理。可大大减少水 的浪费，达到节约用水且的对于循环经济的发展，对于提高工业用水循环利用率具有十分 重要的意义 本课题研究的主要内容为： l 、固定化水不溶性商分子季铵盐杀生剂的制备工艺研究 以尼龙6 为载体，先用活化剂对其进行处理，使尼龙6 表面带上一些官能基团，然后将 1 4 2 0 0 7 届贵州大学硕士学位论文 活化后的尼龙6 与高分子聚乙烯亚胺( p e i ) 在有机溶液中反应，最后用卤代烷对其修饰， 晟终制成带有水不溶性高分子季铵盐的尼龙6 树脂。对制备新型杀生剂的制备过程中的溶 剂、反应条件等因素进行了工艺优化。同时选择强酸型阳离子交换树脂为载体，通过预处 理合成磺酸吡啶盐树脂，再用活化剂使其表面上带上活性官能团。然后将之与高分子聚乙烯 亚胺( p e l ) 在有机溶液中反应，最后用卤代烷对其修饰。对制备杀生剂过程进行工艺优化 最终制成带有水不溶性高分子季铵盐的阳离子交换树脂。 2 、固定化高分子聚季铵盐水不溶性杀生剂的抗菌实验 分别用大肠杆菌( e c o i d 、金黄色葡萄球菌( s a u r e u s ) 、枯草芽孢杆菌( b a c i l l u ss u b t i l i s ) 、 黑曲霉( 丘n i g e r ) 、小球藻( c h l o r e l l as o r o k i n i a n a ) 以及钝顶螺旋藻( s p i r u l i n ap l a n t e n s i s ) 作为细菌，真菌、藻类的代表菌株，利用新制备的固定化杀生剂，采用直接投药法，分别对 固定化高分子聚季铵盐水不溶性杀生剂的浓度、时间等应用参数进行研究，确定该新型杀生 剂在应用过程中的最小抑菌浓度和最佳作用时间。 3 ，固定化高分子聚季铵盐水不溶性杀生剂的应用实验 利用新制备的固定化杀生剂。采用直接投药法，分别对锦州石化分公司老气分水场、新 气分水场的冷却循环水进行处理，测定水体中异养菌、真菌、氨化菌和反硝化菌的杀灭率； 将杀生剂用于贵阳市雅河水的处理，测定水中异养菌、真菌、氨化菌、铁细菌、硫酸盐还原 菌、硝化营、亚硝化菌及反硝化菌的杀灭率，确定固定化高分子聚季铵盐水不溶性杀生剂在 冷却循环水等水处理的应用参数。 论文创新之处在于，通过共价键修饰的方法将高分子季铵盐成功的接枝在水不溶性有 机载体( 尼龙和阳离子交换树脂) 上所合成的非氧化性杀生剂克服了目前工业上普遍使用 的氧化性杀生剂有毒性、刺激性等缺点；并且高分子季铵盐杀生剂比小分子季铵盐杀生荆见 效快、杀菌性能更强。此外。这种不溶于水的杀生剂杀菌稳定性好，可以回收重复利用具 有不可替代的优势 2 0 0 7 届贵州大学硕士学位论文 第二章尼龙6 为载体制备固定化高分子季铵盐型杀生剂 2 1 引言 工业循环冷却水的处理，在水处理工业中占有相当重要的位置。由于不能很好的抑制循 环水中微生物的生长和繁殖。导致冷却水的浪费很大，重复利用率只有5 0 6 0 t ”i 研制 开发新的高质量的杀菌灭藻剂对有效的控制工业循环冷却水中微生物生长与繁殖有十分重 要的意义。 将杀菌官能团固载到水不溶性载体上不仅可以有效地避免二次污染，而且可以重复利 用。固定化的水不溶性聚合物杀生荆具有不溶于水，性能稳定，无毒性，刺激性及使用安全 等特点，在工业冷却循环水的处理中具有广阔的前景p 9 - 4 ”本文设计了固定化高分子季铵 盐抗菌杀生材料的合成路线，采用固定化方法，以4 一溴丁酰氯为活化剂，将聚乙烯亚铵( p e i ) 固定在尼龙6 树脂载体上，经烷基化反应合成抗菌杀生材料，并对其合成工艺进行优化，对 制各的产物进行了红外表征。测定了制各的杀生荆杀灭异养菌、真菌和藻类等的杀生效果， 考察了它们的杀生稳定性和长效性。 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： 尼龙6日本字部公司 聚乙烯甄胺( p e i )含t 9 5 武汉强龙化工新材料公司 4 一溴丁酰氯台t 9 5 江苏盐城利达化工厂 1 一溴己烷 9 8 江苏宜兴芳桥东方化工厂 碘甲烷分析纯江苏太仓市长江轻工助剂厂 叔戊醇 9 9 重庆化工试剂公司 异丁醇分析纯天津市科密化学试剂厂 l ，4 一= 氧六环 分析纯天律市博迪化工有限公司 其它一些常用的试剂均为市售分析纯试剂。 菌种及来源： t 金黄色葡萄球菌( 野q p 的，幻口c a u r e u s ) 、大肠埃希氏菌( f c h e r i c h i ac o l i ) 、枯草芽胞杆 菌( b a c i l l u ss u b t i l i s ) 、黑曲霉( 彳n i g e r ) ，贵州省发酵工程与生物制药重点实验室；小球藻 种( c h l o r e l l a a o r o k i n i a n a ) 、钝顶螺旋藻( s p i r u l i n a p l a t e n s i s ) 。中国科学院水生生物研究所 6 2 0 0 7 届贵州大学硕士学位论文 2 2 2 仪器与设备 实验所用仪器设备及制造单位： 霉菌培养箱m 卜。1 6 0 b - - i i 电热恒温培养箱删一b 1 1 - - 4 2 0 光照培养箱 s p x - 2 5 0 b - g 洁净工作台 s w - c j - i f d 立式压力蒸汽灭菌器 y x q - l s - 5 0 s i 电热鼓风干燥箱d b - 2 0 6 s c 分光光度计7 2 2 - 1 0 0 型 恒温磁力搅拌器8 1 2 型 傅立叶红外光谱仪f t i r 梅特勒一托利多电子天平a g l 3 5 显微镜e c l i p s e - e 2 0 0 2 3 实验方法 上海跃进医疗器械厂 上海博迅实业有限公司医疗设备厂 成都天宇试验设备有限责任公司 上海第三分析仪器厂 上海司乐仪器有限公司 日本岛津 上海梅特勒仪器公司 n i k o n 公司 2 3 1 试验方案的设计 以尼龙6 树脂为载体，先用四溴丁酰氯对其进行处理，然后将这些载体与高分子聚乙烯 亚胺( p e i ) 在有机溶剂中一起反应，最后用卤代烷对p e i 进行修饰，制成具有抗菌功能的 高分子季铵盐，合成反应方程式如下 1 砌一打日一扣书h 弗一n 七 十瞄c h 丢趾一- - - c h 2 - - c h - 咕一芝篡童 ：“4 十h z - f c h 壬霄一坼 1 7 一 n h 一 0 0 c 毗臌 ，lt h e ，j0 2 0 0 7 届贵州大学硕士学位论文 r = c h “c h d 5 & c h 3 2 3 2 尼龙为载体高分子季铵盐型杀生剂的制备方法 准确称量尼龙6 树脂l o g ，用3 m o l l 盐酸4 5 c 水解4 6 h ，蒸馏水反复洗涤至中性， 滤出树脂在室温下干燥。干燥的尼龙6 树脂，放入锥形瓶中加9 0 m l 三氯甲烷和4 94 溴丁酰 氯。室温下搅拌反应1 2 h 。滤出树脂，并用甲醇反复洗涤，再将活化后的尼龙6 树脂室温干 燥。将活化好的尼龙6 树脂放在锥行瓶中，并加入9 0 m ll ，4 - 二氧六环和1 0 m l 聚乙烯亚胺 ( p e i ) ，室温下搅拌反应2 4 h 。滤出树脂，并用甲醇反复洗涤，将修饰后的尼龙6 树脂室温 干燥。将干燥后的聚乙烯亚胺( p e i ) 一尼龙6 树脂加入9 0m l 异丁醇和1 0m 1 1 溴己烷搅拌 反应2 4 h ，温度控制在8 0 c 反应结束后加5 m l 的碘甲烷4 0 c 搅拌反应2 4 h 。产物用甲醇反 复洗涤，再将烷基化后的尼龙6 树脂室温干燥。厦终得到带有烷基高分子季铵盐杀菌活性官 能团的尼龙6 树脂。 2 3 3 固定化高分子杀生剂结构的红外光谱表征 为了考察在制备杀生剂过程中是否接上了有机高分子基团本实验分别取未经过任何修 饰的原料尼龙6 载体、第一步反应后的中间体以及实验的最终杀生荆成品，用甲醇对它们进 行充分洗涤，风干后在1 0 0 c 下干燥3 0 m i n 。用傅立叶红外光谱仪对其进行分析表征。 2 3 4 固定化高分子杀生剂中间体中氯的固载量的确定 本实验采用氯的固载量作为标准，通过测量中问体上固载的氯的含量来评价杀生剂中间 体的性能 杀生剂中间体中氯的固载量( ) 是指尼龙6 树脂上固载四溴丁酰氯后氯质量增加的百分 含量。即： a = ( b - c ) a 3 】l o o 一一a ：杀生剂中 珂体中氯的固载量( ) ； 一- - b ：固载四溴丁酰氯后尼龙的质量 一- - c ：固载四溴丁酰氯前尼龙的质量 1 8 2 0 0 7 届贵州大学硕士学位论文 2 3 5 尼龙6 树脂载体固定化高分子抗菌杀生剂结合稳定性考察 从合成反应式l 可以看出4 一溴丁酰氯参与尼龙6 树脂载体的接枝反应，设计以下实验： 编号1 。经4 溴丁酰氯活化后进行接枝反应，编号2 4 未经4 一溴丁酰氯活化后进行接枝反应。 合成后产品经甲醇，洗涤剂( i s d s ) 分别搅拌洗脱1 2 小时。风干，检测他们的杀菌性能， 考察杀生基团的引入方式及结合稳定性 2 3 6 杀生剂的微生物学检测方法 工业循环冷却水中微生物的数量大，生长快，种类多，对生产设备造成极大的危害，所 以本文选用最具有代表性的大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌、黑曲霉、藻类等作 为杀菌活性的评定对象 2 3 6 1 细菌的测定方法 1 ) 萄悬液的配制：取冷冻保藏的大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌菌种用接 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 r a l 吸管吸取3 0 m l 5 0 m l 稀释液( 附录a 一3 ) 加入斜面试管内，反复吹 洗，洗下菌苔。随后，用5 0 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) “振荡烧瓶实验”1 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 ( 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 1 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 c 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 * , t o 始菌数 2 3 6 2 黑曲霉测定方法 菌悬液的配制：将保藏菌接种在马铃薯一葡萄塘琼脂培养基( p d a ) 斜面试管中。2 8 c 3 0 1 2 条件下培养7 1 4 天，使其生成大量孢子未制各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 一3 ) 4 0 r a l 。往锥形瓶中加入直径 5 r a m 的玻璃珠1 0 1 5 啦与孢子混合，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 r a l ，重复离心操作3 次。用稀释液( 附录a 1 ) 稀释孢子悬液， 用血球计数板计数。制成浓度为( 1 0 x 1 0 6 4 - 2 x 1 0 5 ) s p o r e s j m l 的霉菌孢子悬液最后将盛有 1 9 2 0 0 7 届贵州大学硕士学位论文 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 c 7 保存，4 天内使 用有效。 抗菌测定方法：根据消毒技术规范( 2 0 0 2