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杨琥教授课题组在多功能天然高分子水处理剂研究的新进展

       水处理药剂在当前工业污水和生活废水的净化处理以及饮用水生产中必不可少,发挥着重要作用。然而传统水处理剂,如铝、铁盐混凝剂、聚丙烯酰胺类合成高分子絮凝剂、含磷减垢剂及含卤消毒剂等,在使用过程中,不可避免地会在水体中残留或易产生次级消毒副产品等,从而对人体健康及环境造成二次危害。此外,面对组成复杂的各类水体,人们还常常需要添加多种水处理剂来满足净化要求。但是,同时投加多种药剂不仅提高了操作难度,增加了生产成本,而且不同药剂之间还容易互相干扰,可能产生拮抗效应,影响处理效果。因此,研发具有绿色高效等特征的多功能型水处理剂无疑是未来新型水处理剂材料发展的重要方向之一。
       环境学院杨琥教授课题组以兼具有环境友好、可再生、来源广泛且完全脱离石油资源等重要特点的天然高分子材料为主要基材,如:淀粉、壳聚糖及纤维素等,采用适当的化学物理改性手段,研发了系列新型高效的绿色水处理剂材料。同时,借助高分子材料表征技术,从材料界面分子水平出发,深入研究其水处理净化机制,为新型绿色水处理剂的设计与应用提供必要的理论依据,力争实现水处理剂材料的四“化”:绿色化、高效化、多功能化及材料构效关系的可控化(Water Research, 2017, 118, 160-166; 2017, 119, 57-66; 2016, 95, 59-89; 2016, 96, 126-135; 2016, 98, 128-137.)。
       其中针对天然高分子水处理剂的多功能化,近日在Water Research (DOI: 10.1016/j.watres.2017.04.043)上发表了本课题组关于一种改性淀粉水处理剂的絮凝及抑灭菌双功能性的研究新进展。该工作首先通过简易方法合成了一种阳离子型醚化淀粉水处理剂(3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵改性淀粉,St-CTA),通过傅里叶红外光谱、核磁共振光谱和Zeta电位等方法对产物结构及其溶液性质进行了表征。然后,分别以高岭土(Kaolin)悬浊液、大肠杆菌(E. coli,革兰氏阴性菌)悬浊液、金黄色葡萄球菌(S. aureus,革兰氏阳性菌)悬浊液以及高岭土分别与上述两种细菌混合液为模拟水样,系统研究了不同结构因素(醚化度等)以及环境因素(投加量和pH等)对上述改性淀粉水处理剂的絮凝和抑灭菌性能影响。
图1 阳离子改性淀粉水处理剂(St-CTA)絮凝及抑灭菌双重作用示意图

       研究表明在不同pH条件下,淀粉改性水处理剂的最终絮凝性能均由其与高岭土颗粒及细菌细胞的表面电荷性质所决定。当水处理剂与污染物颗粒表面电性相反时,具有优良的絮凝效果,说明除了有机高分子絮凝剂粘结架桥作用外,电中和机制对其絮凝性能有着重要作用。并且在本论文研究范围内,随着阳离子取代度(即:醚化度)的升高,絮凝效率逐渐提高,进一步佐证了电中和作用在絮凝过程中的重要影响。此外,St-CTA还表现出一定的抑灭菌性能。通过扫描电子显微镜直接观察细菌表面形貌发现,受到絮凝作用影响,大肠杆菌细胞壁发生了明显的形变和破损;而金黄色葡萄球菌外形虽没有显著变化,但有一定量细胞碎片产生,St-CTA对上述两种细菌破坏程度的不同可能与两种细菌细胞壁组成差异有关。而在三维荧光谱图中,随着水处理剂投加量的增加,两种细菌体系中胞内芳香族蛋白质的荧光信号均逐渐增强,表明菌体细胞被破坏导致胞内物质流出。因此,上述淀粉改性水处理剂除了良好的絮凝性能外,还兼具有抑灭菌作用。这种双功能性主要归功于淀粉链上引入的阳离子基团。水处理剂分子不仅可以通过粘结架桥和电中和作用絮凝沉降高岭土颗粒和菌体细胞,还可以有效地破坏细菌细胞壁进而杀灭细菌。尽管上述双功能淀粉改性水处理剂的絮凝和抑灭菌性能还有待进一步真实水体的验证,但由于具有绿色化、高效化及多功能化等显著特点,其在未来的水处理中应有着广泛的应用前景。
       博士生刘洲洲是该工作第一作者,杨琥教授是通讯作者,硕士生黄牧和环境学院李爱民教授共同参与了课题的研究。研究得到了国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、江苏省“六大人才高峰”项目和污染控制与资源化国家重点实验室的支持,作者对此一并表示感谢。

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