吳婷閆新亞蔡祥譚紹早楊維東

(暨南大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，廣州510632)

季銨鹽插層蒙脫土及其去除海洋卡盾藻的研究

吳婷閆新亞蔡祥譚紹早楊維東＊

(暨南大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，廣州510632)

利用插層法制備了5種季銨鹽改性的蒙脫土，通過(guò)FTIR、XRD和DTG等表征表明5種季銨鹽已成功插入蒙脫土中；隨后以中國(guó)典型赤潮藻海洋卡盾藻(Chattonella marina)為研究對(duì)象，考察了5種季銨鹽改性蒙脫土的除藻效果。發(fā)現(xiàn)以雙溴化十四烷基二甲基乙基溴化銨改性的蒙脫土在用量為8 mg·L-1時(shí)，24 h內(nèi)對(duì)海洋卡盾藻的去除率最高，可達(dá)100%，而未改性蒙脫土在相同條件下除藻率僅為5.64%；除藻效果與除藻劑的結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系，在官能團(tuán)相同時(shí)，鏈長(zhǎng)數(shù)為14的脂肪族季銨鹽除藻率最高，24 h可達(dá)67.03%；在鏈長(zhǎng)數(shù)相同時(shí)，含吡啶官能團(tuán)的季銨鹽比脂肪族季銨鹽除藻率高，24 h為33.62%，且隨時(shí)間延長(zhǎng)明顯提高。滲溢性評(píng)估實(shí)驗(yàn)顯示，改性蒙脫土經(jīng)72 h浸泡后表觀插層率從71.9%降低到69.6%，表明除藻劑在水體中基本不釋放。

有機(jī)改性蒙脫土;季銨鹽;插層反應(yīng);海洋卡盾藻

“赤潮”是海洋中某一種或幾種浮游生物在一定環(huán)境條件下爆發(fā)性繁殖或高度聚集而引起海水變色，影響和危害其他海洋生物正常生存的海洋生態(tài)異?，F(xiàn)象[1]。

來(lái)自國(guó)家海洋局2009年8月12日“關(guān)于海洋污染事故和赤潮災(zāi)害”的數(shù)據(jù)表明，我國(guó)是一個(gè)赤潮災(zāi)害頻發(fā)的國(guó)家，僅2008年我國(guó)沿海就發(fā)生赤潮68次，累計(jì)發(fā)生面積13738 km2[2]，赤潮已成為影響和限制我國(guó)海洋產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。因此，有害赤潮的防治已成當(dāng)務(wù)之急，并引起人們的廣泛關(guān)注。赤潮治理的方法主要有化學(xué)法、生物法和物理法等[3-4]，其中利用粘土去除赤潮生物被認(rèn)為是赤潮治理中最有前景的方法[5-8]。由于單純利用粘土治理赤潮需要粘土量太大[9]，聚合氯化鋁與粘土的復(fù)合使用雖可顯著降低粘土用量，但其對(duì)海洋環(huán)境的長(zhǎng)遠(yuǎn)影響難以忽略[3]。因此，高效、低毒改性粘土的研發(fā)成為赤潮治理研究新的方向。

本研究通過(guò)插層法，制備了十二烷基二甲基苯基溴化銨(DDBA)、十四烷基二甲基苯基溴化銨(TDMBA)、十六烷基三甲基溴化銨(HDTMA)、十六烷基溴化吡啶(HDP)及雙溴化十四烷基二甲基乙基溴化銨(GTDBEA)等5種季銨鹽改性的蒙脫土，對(duì)改性蒙脫土(O-MMT)的結(jié)構(gòu)及性能進(jìn)行了表征，并以我國(guó)沿海常見(jiàn)的海洋卡盾藻(Chattonella marina)為研究對(duì)象，研究了改性蒙脫土的結(jié)構(gòu)(季銨鹽的鏈長(zhǎng)和官能團(tuán))對(duì)除藻效果的影響，并就改性蒙脫土對(duì)水體的安全性進(jìn)行了評(píng)估，為利用改性黏土治理赤潮提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料

鈉基蒙脫土(Na-MMT)，浙江宇宏粘土有限公司，陽(yáng)離子交換容量(CEC)為1 mmol·g-1；十二烷基二甲基苯基溴化銨、十四烷基二甲基苯基溴化銨、十六烷基三甲基溴化銨、十六烷基溴化吡啶和雙溴化十四烷基二甲基乙基溴化銨，氰特化工(上海)有限公司；海洋卡盾藻由暨南大學(xué)赤潮與水環(huán)境研究中心藻種室提供。實(shí)驗(yàn)前將保存藻種轉(zhuǎn)移到三角燒瓶中進(jìn)行擴(kuò)大和馴化，溫度控制在(21±1)℃，光照強(qiáng)度為3 000 lx，光暗比為12 h∶12 h的GXZ型人工氣候培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。所用培養(yǎng)液為人工海水加營(yíng)養(yǎng)鹽配成的f/2培養(yǎng)液經(jīng)0.20 μm纖維濾膜除菌所得；其他藥品均為分析純。

1.2 有機(jī)改性蒙脫土的制備

將Na-MMT配制成5wt%的懸浮液，于65℃下攪拌1 h，然后分別加入1.0 CEC當(dāng)量(Na-MMT)的季銨鹽DDBA、TDMBA、HDTMA、HDP或GTDBEA，在65℃下繼續(xù)攪拌6 h后離心，所得沉淀用50wt%乙醇水溶液洗滌至無(wú)Br-(用0.1 mol·L-1AgNO3溶液檢驗(yàn))；將所得產(chǎn)物65℃真空干燥48 h后研磨，過(guò)48 μm(300目)篩，即得季銨鹽改性蒙脫土，分別記作D-MMT、T-MMT、H-MMT、HDP-MMT和G-MMT。

1.3 樣品的表征

使用Nicolet 6700型紅外光譜儀進(jìn)行樣品紅外光譜測(cè)試，樣品質(zhì)量為1 mg，KBr壓片，掃描范圍為400~4000 cm-1；使用日本理學(xué)D/max-1200型X射線衍射儀進(jìn)行樣品XRD測(cè)試，電壓40 kV，電流30 mA，樣品為粉末狀，Cu靶Kα射線，石墨單晶濾波器，λ=0.154 18 nm，狹縫DS=SS=1°，Rs=0.3 mm，步長(zhǎng)：0.02°，掃描速度為1°·min-1，掃描范圍2θ為2°~ 40°；使用美國(guó)TA公司的SDT-Q600型熱重分析儀進(jìn)行熱重測(cè)試，樣品質(zhì)量為20 mg，差熱量程100 μV，升溫速率10℃·min-1，在N2氣氛中進(jìn)行。

1.4 海洋卡盾藻的去除實(shí)驗(yàn)

取處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期且生長(zhǎng)良好的50 mL海洋卡盾藻(密度大于5×106cells·L-1)于100 mL三角燒瓶中，根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，添加1 mL改性粘土母液，使得藻液中改性蒙脫土的終濃度達(dá)到8 mg·L-1。輕輕搖勻，置于培養(yǎng)箱中繼續(xù)培養(yǎng)。分別在24、48、72 h取樣于倒置顯微鏡下觀察并記取藻細(xì)胞數(shù)目。以未加改性粘土的藻液為對(duì)照計(jì)算除藻率(RE)。每個(gè)樣平行3組。

式中：Dcg為對(duì)照組卡盾藻的密度，Deg為實(shí)驗(yàn)組卡盾藻的密度。

1.5 滲溢性評(píng)估

取10 mL O-MMTs母液倒入500 mL海水中，每隔12 h均勻搖動(dòng)溶液1次，72 h后對(duì)溶液進(jìn)行過(guò)濾、洗滌和干燥，并進(jìn)行XRD測(cè)試，與未進(jìn)行浸泡的改性粘土進(jìn)行比較，得到表觀出插層率的變化。樣品表觀插層率(I.R.)的計(jì)算如下式[10]：式中：Iintercalate為浸泡72 h后插層粘土的XRD(001)峰強(qiáng)度；Iclay為未經(jīng)浸泡的改性粘土的XRD(0 01)峰強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 紅外光譜分析

Na-MMT和O-MMTs的FTIR譜圖如圖1所示，3620 cm-1處的寬吸收峰對(duì)應(yīng)于Na-MMT層間吸附水上-OH的伸縮振動(dòng)，1 660 cm-1處吸收峰對(duì)應(yīng)于Na-MMT層間吸附水上-OH的彎曲振動(dòng)；1 030和460 cm-1附近的寬吸收峰分別對(duì)應(yīng)于Na-MMT中Si-O的伸縮振動(dòng)和彎曲振動(dòng)。在O-MMTs的FTIR譜圖中出現(xiàn)了2個(gè)新的吸收峰：2925和2845 cm-1，這是季銨鹽改性蒙脫土中所含季銨鹽上甲基與亞甲基的反對(duì)稱和對(duì)稱伸縮振動(dòng)引起的吸收峰。

圖1 Na-MMT、T-MMT、G-MMT、D-MMT、H-MMT和HDP-MMT的FTIR圖Fig.1 FTIR spectra of Na-MMT,T-MMT,G-MMT,D-MMT,H-MMT and HDP-MMT

2.2 X射線衍射分析

圖2 Na-MMT、T-MMT、G-MMT、D-MMT、H-MMT和HDP-MMT的XRD圖Fig.2 XRD patterns of Na-MMT,T-MMT,G-MMT, D-MMT,H-MMT and HDP-MMT

表1 Na-MMT、T-MM T、D-MMT、H-MMT、HDP-MMT和G-MMT的結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)Table 1 Structure and property parameters for Na-MMT,D-MMT,T-MMT, H-MMT,HDP-MMT and G-MMT

綜合紅外和X射線衍射的檢測(cè)結(jié)果，可以確知5種季銨鹽均已插入蒙脫土層間。

XRD是研究改性粘土最有效的定性定量方法之一[11]。圖2為Na-MMT和O-MMTs的X射線衍射圖，由圖可知，改性后蒙脫土的2θ角向低角度偏移，說(shuō)明由于季銨鹽的插入，改性蒙脫土的層間距已經(jīng)增大。根據(jù)Bragg方程計(jì)算出蒙脫土的層間距d001如表1所示。早期關(guān)于季銨鹽改性蒙脫土的研究顯示，季銨鹽的甲基鏈會(huì)在蒙脫土的層間形成單層(1.37 nm)，雙層(1.77 nm)、偽三分子層(2.17 nm)或石蠟層(2.20 nm)排列[12]。由表1可知，改性蒙脫土的層間距都大于2.20 nm，所以可以推知季銨鹽在蒙脫土中的排列為石蠟層。

2.3 熱重分析

圖3為Na-MMT和O-MMTs的熱失重曲線圖，由此得出的結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)如表1所示。按照TG曲線中的熱失重?cái)?shù)據(jù)和DTG曲線中的主要的吸熱峰，800℃以下Na-MMT的熱分解主要分為2個(gè)階段[13]：(1)50~200℃之間是鋁硅酸鹽表面的自由(吸附)水和片層間水的揮發(fā)；(2)500~700℃之間是鋁硅酸鹽的結(jié)構(gòu)水的揮發(fā)。比較而言，800℃以下O-MMTs的熱分解主要分為3個(gè)階段：(1)吸附水和氣體在200℃以下?lián)]發(fā)；(2)負(fù)載的有機(jī)物在200~ 500℃之間分解；(3)鋁硅酸鹽的結(jié)構(gòu)水在500~ 700℃之間分解。

與Na-MMT相比，O-MMTs中所含的水在(1) (50~200℃)之間比Na-MMT少，這是由于部分水被季銨陽(yáng)離子取代所致。另外，O-MMTs中季銨鹽的含量可以根據(jù)O-MMTs在(2)(200~500℃)之間的失重進(jìn)行計(jì)算，得到D-MMT、T-MMT、H-MMT、HDP-MMT和G-MMT中季銨鹽的含量分別為31.6，31.9，31.3，29.5和28.1%(質(zhì)量比)，如表1所示。

本實(shí)驗(yàn)中，用O-MMTs中季銨鹽損失5%的有機(jī)物重量表示O-MMT的熱穩(wěn)定性。按照TG曲線，D-MMT、T-MMT、H-MMT、HDP-MMT和G-MMT的5%的有機(jī)物熱失重溫度分別為236、221、238、239和241℃，表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性能。

圖3 Na-MMT、T-MMT、G-MMT、D-MMT、H-MMT和HDP-MMT的TGA曲線Fig.3 TGA curves of Na-MMT,D-MMT,T-MMT, H-MMT,HDP-MMT and G-MMT

2.4 改性蒙脫土對(duì)海洋卡盾藻的去除作用

從圖4可以看出，所有測(cè)試樣品中，Na-MMT的除藻率最低，24 h僅為5.64%。其次是H-MMT，而G-MMT在相同條件下的除藻率可達(dá)100%，除藻效果最好。

Fig.4 Na-MMT和O-MMTs對(duì)海洋卡盾藻的除藻率Fig.4 Removal rates of Chattonella marina by Na-MMTand O-MMTs

一般認(rèn)為，季銨鹽的殺菌特性是通過(guò)銨正離子吸附在帶負(fù)電荷的細(xì)菌表面，改變了細(xì)菌細(xì)胞壁的通透性，使菌體內(nèi)組分泄露而死亡；同時(shí)烷烴鏈可與細(xì)胞的類脂層發(fā)生疏水相互作用而插入其中，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)的酶失活和蛋白質(zhì)變性[14]。GTDBEA是一類含有雙鏈結(jié)構(gòu)的新型兩親分子，具有2個(gè)長(zhǎng)鏈親油基團(tuán)及2個(gè)帶正電荷的季銨鹽親水基團(tuán)，其中2個(gè)親水基團(tuán)通過(guò)亞甲基連接構(gòu)成GTDBEA分子，其分子內(nèi)銨正離子間距離很近，較小的銨正離子間距離帶來(lái)了高烷烴鏈密度，從而大大促進(jìn)了分子的吸附與聚集[15-16]。因此，具有更大銨基正電荷密度和烷烴鏈密度的季銨鹽GTDBEA更加有利于吸附在帶負(fù)電荷的藻細(xì)胞表面，并最終改變?cè)寮?xì)胞壁的通透性，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)的酶失活和蛋白質(zhì)變性，從而表現(xiàn)出更好的除藻活性。

表2 G-MMT浸泡前后表觀插層率的變化Table 2 Changes in I.R.of G-MMT w ith soaking

進(jìn)一步對(duì)季銨鹽的結(jié)構(gòu)分析后發(fā)現(xiàn)，在官能團(tuán)相同時(shí)，鏈長(zhǎng)為十四烷基的季銨鹽的除藻效率最好，24 h為67.03%；當(dāng)鏈長(zhǎng)相同而官能團(tuán)不同時(shí)，含吡啶基團(tuán)的季銨鹽24 h的除藻率(33.62%)明顯高于脂肪族季銨鹽(10.85%)。這與Kamaya等[17]的研究有些類似。他們發(fā)現(xiàn)，飽和脂肪酸對(duì)羊角月牙藻(Selenastrum capricornutum)的毒性隨鏈長(zhǎng)的增加而減弱，十四烷酸、十六烷酸、十八烷酸中，十四烷酸的毒性最強(qiáng)。另外，季銨鹽抗菌實(shí)驗(yàn)表明，烷基鏈的長(zhǎng)短對(duì)抗菌力影響大，當(dāng)烷基鏈中碳原子數(shù)少于10或大于16時(shí)，抗菌劑對(duì)細(xì)菌的殺傷力不大，而當(dāng)碳原子數(shù)為14時(shí)，抗菌劑的抗菌力最大；另一烷基鏈為芐基及其衍生物時(shí)抗菌力要比甲基時(shí)高得多[18]。這些結(jié)果表明，改性黏土對(duì)微藻的毒性作用可能主要與長(zhǎng)鏈脂肪酸有關(guān)，季銨鹽中的取代基除藻活性也有一定影響，但具體機(jī)制目前尚不明確。

2.5 滲溢性研究

選取G-MMT樣品進(jìn)行了滲溢性評(píng)估，將檢測(cè)結(jié)果代入式(1)計(jì)算出G-MMT樣品的表觀插層率(I.R.)，如表2所示。發(fā)現(xiàn)G-MMT樣品在浸泡前后的表觀插層率分別是71.9%和69.6%，經(jīng)過(guò)72 h的浸泡后，G-MMT樣品的表觀插層率僅降低2.3%，表明季銨鹽改性粘土浸泡在水體中基本不會(huì)釋放，不會(huì)造成水體和環(huán)境的污染。

3 結(jié)論

(1)以蒙脫土為載體，5種季銨鹽為改性劑，通過(guò)插層反應(yīng)制備了季銨鹽改性蒙脫土。FTIR、XRD和TGA測(cè)試結(jié)果表明季銨鹽已成功插入蒙脫土的層間。

(2)蒙脫土改性后，去除海洋卡盾藻的能力顯著增強(qiáng)，其中以雙溴化十四烷基二甲基乙基溴化銨改性蒙脫土除藻效果最好。改性蒙脫土的用量為8 mg·L-1時(shí)，24 h內(nèi)除藻可達(dá)100%，相同條件下未改性蒙脫土的除藻率僅為5.64%。

(3)除藻效果與除藻劑的結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系。在官能團(tuán)相同時(shí)，鏈長(zhǎng)數(shù)為14的脂肪族季銨鹽改性蒙脫土的除藻率最高，24 h可達(dá)67.03%；在鏈長(zhǎng)數(shù)相同時(shí)，含吡啶官能團(tuán)的季銨鹽比脂肪族季銨鹽的除藻率高，24 h為33.62%，且隨時(shí)間的增加明顯提高。

(4)滲溢實(shí)驗(yàn)顯示，經(jīng)72 h浸泡，改性蒙脫土表觀插層率僅降低2.3%，表明改性劑在水體中基本不會(huì)釋放，不會(huì)造成水體和環(huán)境的污染。

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Quaternary Ammonium Salts Intercalated M ontmorillonite for Removal of Chattonella Marina

WU Ting YAN Xin-Ya CAI Xiang TAN Sao-Zao YANG Wei-Dong＊
(College of Life Science and Technology,Jinan University,Guangzhou 510632)

Five quaternary ammonium salts were intercalated into montmorillonite(MMT)and the structures of organo-montmorillonite(O-MMT)were characterized.And then the performance of O-MMT was studied for the removal of Chinese typical HABs alga Chattonella marina.The results of FTIR,XRD and TGA show that the five ammonium salts have successfully intercalated into MMT.The removal rate of Gemini tetradecyl dimethylammonium ethyl bromide intercalated MMT(8 mg·L-1)was 100%in 24 h while that of unmodified MMT was 5.64%under the same condition,suggesting that the capacity of modified MMT for the removal of Chattonella marina is greatly enhanced.Furthermore,the removal effect is closely related to the molecular structure of the ammonium salts.With the same functional group,the removal efficiency of MMT modified by aliphatic quaternary ammonium salt with chain length of 14 is the highest(67.03%in 24 h);however,when the chain length is equal,the efficiency of MMT modified by quaternary ammonium salt with pyridine group is 33.62%in 24 h and increases with the extension of the time,which is higher than that of aliphatic quaternary ammonium salt.After 72 h soaking,the apparent intercalation ratio of O-MMT decreases from 71.9%to 69.6%, indicating a very slow release rate of ammonium salts of O-MMT in water.These findings suggest that the O-MMT is a potential algaecide with high effectiveness and environment safety.

organo-montmorillonite;quaternary ammonium salts;intercalation;Chattonella marina

O647.33；O613.72；O625.63+3

A

1001-4861(2010)08-1399-05

2010-03-22。收修改稿日期：2010-05-24。

國(guó)家自然科學(xué)基金(No.20676049，20871058，20971028)，廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(No.2009B030803042),廣州市環(huán)保局項(xiàng)目(2008-07)資助。

＊通訊聯(lián)系人。E-mail：tywd@jnu.edu.cn

吳婷，女，27歲，博士后；研究方向：水環(huán)境治理研究。