羧甲基改性的實驗

1、絮凝法占地少，成本低，管理方便。殼聚糖的價格，其他絮凝劑的價格？羧甲基殼聚糖是一種無毒的新型高分子絮凝劑，同無機絮凝劑相比，具有投加量少、沉降 速度快、處理效果好及污泥的脫水性能好等優(yōu)點，在水處理應(yīng)用中越來越受到人們的重視 采用正交實驗，優(yōu)化了制備羧甲基殼聚糖絮凝劑的工藝條件8將59殼聚糖加30mL無水乙醇浸 泡1小時。再加入一定量45%的氫氧化鈉溶液浸泡1小時，轉(zhuǎn)入三口燒瓶中，攪拌，將稱取的 氯乙酸分數(shù)次加入，控制溫度，反應(yīng)一定時間制得粗品。把粗產(chǎn)品用75%的乙醇溶液洗滌數(shù) 次，抽濾，產(chǎn)物于60C下干燥4小時得產(chǎn)品。絮凝實驗取已去除樹枝、石塊等雜質(zhì)的粘土， 研磨后加入水中，充分攪拌使其混合均

2、勻，靜止24小時，取上部穩(wěn)定的含濁溶液200mL，加 人一定量的羧甲基殼聚糖溶液，先快速攪拌2分鐘，再慢速攪拌5分鐘，然后靜置30分鐘，取 上清液測其濁度，計算去除率。去除率E（%） = （ToT） /ToX 100%式中：T0和T分別為絮凝前后上清液的為什么用取代度做制備好壞的指標(biāo)？。反應(yīng)體系中發(fā)揮絮凝作用的主要成分是生成WCMC中的羧酸和還沒完全反應(yīng)的氨基。隨反 應(yīng)時間的增加，產(chǎn)物中CMC的含量逐漸增多，從實驗結(jié)果看，不是反應(yīng)時間越長，CMC的產(chǎn)率 越高越好，而是當(dāng)生成物CMC與殘余氨基為某一比例時，其絮凝效果最佳。從各水平效應(yīng)值 的大小可知，當(dāng)殼聚糖59時，控制45%的氫氧化鈉為32mL

3、，氯乙酸129，反應(yīng)溫度60 C，反 應(yīng)時間3. 0小時，制得羧甲基殼聚糖的絮凝性能最佳。殼聚糖和羧甲基殼聚糖的對比實驗羧甲基殼聚糖處理亞甲基藍模擬廢水的適宜條件為：常溫下，pH值為6，CMC投加量200mg /到脫色效率和處理成本，沉降時間宜為2小時。L，沉降時間2小時。在此條件下，月脫色率 可達89 3%。該絮凝劑用藥量較少，沉降時間較短，對分在以上最佳條件下，改變反應(yīng)溫 度進行脫色實子量較小的染料仍有較好的脫色效果。N，（）一羧甲基殼聚糖（N，OCMC）:通過不同的反應(yīng)時問、溫度、投料比和堿的濃度（表1） 來控制取代度。稱取粉末狀殼聚糖（脫乙酰度為87. 29%）于錐形瓶中，加入一定濃度

4、NaOH 溶液，攪拌均勻，常溫下堿化2h。將氯乙酸溶于異丙醇中，分數(shù)次，間隔5 min加人，再水 浴加熱反應(yīng)一定時間。反應(yīng)畢冷卻，傾去上層清液，下層粘狀物中加入適量水，充分攪拌溶 解。用10%鹽酸調(diào)至中性。濾去不溶物，濾液中加入適量）5%乙醇充分沉淀，撾濾，無水乙 醇反復(fù)沖洗，固體置真空烘箱中60 C烘干備用。電位滴定：準(zhǔn)確稱取產(chǎn)品0. 2 g試樣，溶于一定量的0，3mol/1。HCl標(biāo)準(zhǔn)溶液中，再加 水配成50ml的溶液，精確量取20ml于錐形瓶中，用0，lmol/ 1，NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，用PHS 3C型pH計測定，記錄NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液體積（m1）與pH值對應(yīng)關(guān)系.可得電位滴定曲線，用二

5、階微 商法確定突躍點。不同取代羧甲基殼聚糖（b。c，d）的紅外光游中，1 722 cm 1處為羧基上的羰基振動峰（N， O一羧甲基殼聚糖），1610 cm。1為c0:的反對稱伸縮振動，1420 cm_1為CO。的對稱伸縮振 動。由于基團問相互作用的變化（新出現(xiàn)羧基，羥基減少）.特別是氫鍵的變化，原殼聚糖（a） 的1 655和 1 596 CInl譜帶合并到1610 cm_。原殼聚糖酰胺III譜帶1 317 cn。1也發(fā)生了位 移。1078cm_ 1和】030 cml為原殼聚糖中c（）的伸縮振動，11 54 cm 1為不對稱氧橋伸縮 振動。與殼聚糖（a）相比，羧甲基殼聚糖（1），c，d）在】07

6、8、1030和11 54cm “處明顯減弱， 而1610和1420 cm_ 1譜帶明顯增強，說明殼聚糖在N位和（或）O位不同程度引入了羧甲基。殼聚糖核磁共振譜，由低場至高場依次為：1HNMR a （ppm）: 4. 87（1H，CH） ； 3。87（6H， CH）； 3. 83（4H，一（： H）； 3. 78（3H， CH）； 3. 74 （5H， CH） ； 3. 18（RCH：，CH2）； 2. 09（COCH，CH。）。圖3為N，。羧甲基殼聚糖5號樣品的核磁共振譜，除上述7組氫外， 還有4. 32(-OCH 2c()()H, CH2) ； 4. 13(NCH。C()()H, CH： )

7、2殼聚糖羧甲基化影響最大的因素是NaOH用量，其次是氯乙酸用量.溫度和時間的影響相對 較小。堿化是制得羧甲基殼聚糖的關(guān)鍵。實驗發(fā)現(xiàn)，NaOH溶液濃度太低，用量太少或在中 性、酸性環(huán)境下反應(yīng)，產(chǎn)物性狀均與殼聚糖十分相似。這是由于殼聚糖是一種較高的晶區(qū)聚 合物，如果不提前解聚或堿化，反應(yīng)試劑進入結(jié)晶區(qū)比較困難。而堿化后的殼聚糖容易與滲 入的氯乙酸反應(yīng)，較容易發(fā)生羧甲基化反應(yīng)。但NaOH質(zhì)量分數(shù)大，反應(yīng)時間太長.以及溫度 較高時，產(chǎn)品粘度及平均分子量均明顯降低，說明在強堿性或高溫條件下，伴隨有分子鏈的 斷裂，不利于制備高粘度、高分子量的衍生物。氯乙酸用量對產(chǎn)品的品質(zhì)，尤其對溶解性影 響較大。氯乙酸用

8、量太低時，殼聚糖羧甲基化不徹底，產(chǎn)品不能全部溶解于水；氯乙酸用量 過大，反應(yīng)體系pH值降低，不利于取代反應(yīng)的進行，因此控制在堿性的條件下適當(dāng)增加氯乙 酸的量。氯乙酸宜采用分多次添加的方法，因為氯乙酸鈉與堿化殼聚糖反應(yīng)的同時還存在氯 乙酸與堿的中和反應(yīng)，若氯乙酸一次性加人.則反應(yīng)十分劇烈，放出大量的熱，反應(yīng)溫度很 難控制，且氯乙酸利用率降低，產(chǎn)品性狀較差。反應(yīng)溫度對產(chǎn)品的影響.如表、2所示，70 C和50 C下得到的產(chǎn)物在c。位N上的取代均比在c。位O上的取代高。溫度低于45 C時，很難 得到高取代的N，OCMC。但溫度太高(75C)時，產(chǎn)品色澤變深，因此反應(yīng)控制在5065 C 為宜。OCMC的

9、制備本實驗利用甲殼素c。位上的乙酰基保護N上的H不被氯乙酸中的羧甲基 所取代，采用先取代再脫乙酰的方法，制取了單純的C。位O上取代的羧甲基殼聚糖。實驗發(fā) 現(xiàn)，強堿條件下，提高氯乙酸的量有利于取代的進行。甲殼素在50%NaOH和110C油浴條件下 反應(yīng)12仲兌乙酰度能達80% .而O羧甲基甲殼素在該條件下則難以進行，由此推測取代基 團可能會影響乙?；拿撊?。提高堿的濃度(60%)和溫度(120 C)，2h后O羧甲基甲殼素脫 乙酰度達70%。為r防止分子主鏈發(fā)生斷裂，加入少量NaBH。以保護。不加入NaBH。進行脫 乙酰，產(chǎn)品雖然有良好的水溶性，但粘均分子量下降50%，這是由于高溫下，濃堿液在促使

10、 甲殼素脫乙?；耐瑫r.易使主鏈發(fā)生斷裂，分子量因此降低。實驗還發(fā)現(xiàn)，在一定溫度下， 延長反應(yīng)時間。也會使殼聚糖的主鏈發(fā)生部分降解，牯度也稍微變小，但粘度下降不如溫度 升高那樣明顯。因此采用加人NaBH。的方法.防止了提高堿的濃度和溫度而造成殼聚糖分子 的降解，但加入NaBH。不能過多.否則不利于脫乙酰反應(yīng)的進行。羧甲基殼聚糖是兩性聚電 解質(zhì)，其取代度(羧基含量)主要的測定方法是電位滴定法、灰分分析法、元素分析或核磁共 振(NMR)。前兩種方法操作繁瑣，費時費力.而且并不是每一種衍生物都有合適的反應(yīng)可以 采用。元素分析是靠。、H、o、N之組成來推斷結(jié)構(gòu)式的，而殼聚糖衍生物常含有結(jié)晶水甚至 吸附

11、水以及后處理殘留的溶劑，且殼聚糖的脫乙酰度也常不完全，這些復(fù)雜的因素給計算帶 來很大困難。NMR顯然是一個較準(zhǔn)確的方法，但由于一些殼聚糖衍生物難以找到合適的溶劑， 而且測定費用也高，使其應(yīng)用受到限制。用紅外光譜分析法以定量分析，操作繁瑣，與其它 儀器方法一樣較昂貴，并且難以對羧甲基在不同位置的取代進行定量分析。膠體滴定是以聚 陰離子與聚陽離子之間迅速的化學(xué)計量反應(yīng)為基礎(chǔ)的微善容量分析方法。本實驗用直接法在 pH2條件下用標(biāo)準(zhǔn)聚陰離子PVSK方便地定量測定產(chǎn)物中氨基的含量；產(chǎn)物中羧基的含量則 用間接法在pH=i0條件下，先加入過量的標(biāo)準(zhǔn)聚陽離子PDMDAAC與聚一 C00 一反應(yīng)，再用PVSK

12、反滴定過量的PDMDAAC。與電位滴定法相比，膠體滴定法受無機離子干擾小，試樣無需特殊 純化精制，簡單，準(zhǔn)確，重現(xiàn)性好且不需任何復(fù)雜殼聚糖是甲殼素脫乙酰基的產(chǎn)物，在醫(yī)藥、食品、化妝品行業(yè)及化工、環(huán)保和農(nóng)業(yè)各領(lǐng)域有 著廣泛的用途。其化學(xué)名稱為(1，4)聚一2一氨基一2一脫氧一 口一D一葡萄糖，其結(jié)構(gòu)式為： 它僅溶于稀酸，在水和堿液中都不溶解“oJ。由于殼聚糖分子鏈中有活性的一NH2和一0H， 能形成o和N的衍生物L(fēng)4、51因此對殼聚糖進行改性，提高其溶解能力，開發(fā)更加高級的 新用途，成為研究的熱點。本文對殼聚糖進行羧甲基化修飾，制備直接溶解于水的羧甲基殼 聚糖（carh0】羧甲基亮聚糖的合成【6

13、1殼聚糖10 g粉末，異丙醇15 mL,浸泡l 一2 h,加 入30%NqOH溶液25 mL，水浴加熱，將6 g氯乙酸溶解于20 mL異丙醇中，攪拌下滴加入反應(yīng) 器，反應(yīng)一定時間。反應(yīng)完畢后，冷卻，分出水層粘狀物，加人50 mL蒸餾水，充分攪拌， 用10%Hc l調(diào)節(jié)pH=7，過濾出不溶物，濾液用甲醇充分沉淀，過濾，無水乙醇洗滌沉淀。烘 干得產(chǎn)品。3. 2絮凝劑配制稱取一定量的羧甲基殼聚糖3份，分別配制成質(zhì)量濃度為o. 1、0. 3、0. 5%的羧甲基殼 聚糖水溶液。再加入固體氯乙酸24. og（分成5份，每5min加入1份）。加熱到60 C反應(yīng)3 h，然后，向反 應(yīng)混合物中加蒸餾水17 mL

14、，用冰醋酸調(diào)pH為7. o,過濾，固體產(chǎn)品用70%的甲醇水溶液300 mL沖洗（可用乙醇溶液代替），再用無水甲醇沖洗，樣品在60 C下烘干即得產(chǎn)品“J。將o. 5 &的產(chǎn)品溶于50 mL。o. 10 mol/L的標(biāo)準(zhǔn)鹽酸（含o. 1 moI/I.的NacI）中邊充氮 邊攪拌下用0. 10mol / I，的標(biāo)準(zhǔn)NaOH（含有o, 1 mol / L的NaCl）滴定III，記錄其pH及Na（）H 溶液體積礦。Na0H溶液體積每o. 51. omL記錄一次pH。將數(shù)據(jù)作圖（如圖2），并按下列公 式計算Ds： I）S一A=0. 203A10. 058一式中n為樣品中羧甲基的物質(zhì)的量，g，們一“，n為標(biāo)

15、準(zhǔn)Na（）H的摩爾濃度，V，為滴定過量 鹽酸的終點體積，V。為N H： cH： c0（）一等電點時的終點體積（即未被羧甲基取代的氫的體 積）V.、y。由圖1的pH變化值讀數(shù)確定；W為樣品重。從曲線發(fā)現(xiàn)，滴定林aoH到達20. o mL左右時，pH近似于一平臺，只有在23. omL以后才發(fā)生較大的突躍。作圖得pH一2. 1. y。 一24. o，為滴定使N（）cc完全質(zhì)子化的鹽酸體積。pH5. 3、礦：=44. 5為滴定未被羧甲基 替代的氫，第三突躍為滴定Nocc中羧基氫。計算替代度得Ds=1. 09。pH對絮凝的影響廈最佳 用量確定固定羧甲基殼聚糖的用量為50mg/L，不同酸性條件下對生活污水

16、進行絮凝，測上 清液透光率，結(jié)果見圖3。從圖3可以發(fā)現(xiàn)pH在3. o左右時，溶液透光率最好，為最佳絮凝環(huán) 境。果汁中含有大量帶負電荷的果膠、纖維素、鞣質(zhì)和多聚戊糖等物質(zhì)，在存放期間會使 果汁渾濁。當(dāng)殼聚糖的正電荷和上述負電荷物質(zhì)吸附絮凝后，經(jīng)處理后的澄清果汁是 一個穩(wěn)定的熱力學(xué)體系，所以能長期存放，不產(chǎn)生渾濁。研究表明，殼聚糖對葡萄柚 果汁也是一種好的凈化劑，不論葡萄柚果汁有沒有用果膠酶處理，殼聚糖的澄清效果 都非常顯著。Spagna等報道，由于殼聚糖對聚苯酚類化合物如兒茶酸、肉桂酸等具有較好的親合性。當(dāng)在純葡萄酒中加入殼聚糖時，由于殼聚糖與聚酚類化合物的親合作 用，使葡萄酒由最初的淡黃色變?yōu)?/p>

17、深金黃色，大大提高了葡萄酒的質(zhì)量。Rwan等在葡萄果汁中加入0.1-0.15g/mL的殼聚糖，則葡萄果汁中檸檬酸、酒石酸、L-蘋果酸、草 酸和抗壞血酸的含量分別減少56.6%、41.2%、38.8%、36.8%和6.5%，從而使果汁中酸 的總含量減少52.6%，果汁得到較好地凈化由于殼聚糖上既存在氨基，又存在羥基，因此在制備羧甲基殼聚糖時，羧甲基化既可發(fā)生在 氨基上，又可發(fā)生在羥基上.由于羧甲基化達到一定程度后，羧甲基殼聚糖呈水溶性，電位 滴定法23對所制備的羧甲基殼聚糖進行測定，結(jié)果顯示其羧甲基的總?cè)〈葹?.7,氨基的 保留率為87%左右,20 Chen，X.-G.; Park，H. Ca

18、rbohydr. Polym. 2003, 53, 355 電位滴定法每個 實驗平行3次，取平均值反應(yīng)2 h。反應(yīng)畢，用稀鹽酸調(diào)至中性，用95%乙醇 充分沉淀，過濾，無水乙醇及丙酮反復(fù)沖洗.干燥得到白色粉末狀固體“。同的反應(yīng)時問、溫度、投料比和堿的濃度（表1）來控制取代度。 稱取粉末狀殼聚糖(脫乙酰度為87. 29%)于錐形瓶中，加入一定濃度NaOH溶液，攪拌均勻， 常溫下堿化2 h。將氯乙酸溶于異丙醇中，分數(shù)次，間隔5 min加人，再水浴加熱反應(yīng)一定 時間。反應(yīng)畢冷卻，傾去上層清液，下層粘狀物中加入適量水，充分攪拌溶解。用0%鹽酸 調(diào)至中性。濾去不溶物，濾液中加入適量95 %乙醇充分沉淀，撾

19、濾，無水乙醇反復(fù)沖洗，固 體置真空烘箱中60 C烘干備用”】。O一羧甲基殼聚糖(OCMC):稱取甲殼素5#，置于250ml 錐形瓶中，加入50 % NaOH溶液適量，少量相轉(zhuǎn)移催化劑十二烷基苯磺酸鈉，在一18C冰箱中 堿化12 d，濾去NaOH，加入氯乙酸22 g，異丙醇80ml，少量NaBH。室溫攪拌3 h，再60C Muzzarelli R A A. Carboxymethylated chitins and chi+ toucans. Carbohydr Polym , 1 988， 8： 11. 4. 1電位滴定”“：準(zhǔn)確稱取產(chǎn)品0. 2 g試樣，溶于一定量的0，3 mol/1。HCl

20、標(biāo)準(zhǔn)溶 液中，再加水配成50ml的溶液，精確量取20ml于錐形瓶中，用0，l mol / l，NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液 滴定，用PHS 3C型pH計測定，記錄NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液體積(m1)與pH值對應(yīng)關(guān)系.可得電位滴定曲 線，用二階微商法確定突躍點。殼聚糖羧甲基化影響最大的因素是NaOH用量，其次是氯乙酸用量.溫度和時間的影響相對較 小。堿化是制得羧甲基殼聚糖的關(guān)鍵。實驗發(fā)現(xiàn)，NaOH溶液濃度太低，用量太少或在中性、 酸性環(huán)境下反應(yīng)，產(chǎn)物性狀均與殼聚糖十分相似。這是由于殼聚糖是一種較高的晶區(qū)聚合物， 如果不提前解聚或堿化，反應(yīng)試劑進入結(jié)晶區(qū)比較困難。而堿化后的殼聚糖容易與滲入的氯 乙酸反應(yīng)，較容易發(fā)生羧

21、甲基化反應(yīng)。但NaOH質(zhì)量分數(shù)大，反應(yīng)時間太長.以及溫度較高時， 產(chǎn)品粘度及平均分子量均明顯降低，說明在強堿性或高溫條件下，伴隨有分子鏈的氯乙酸用 量對產(chǎn)品的品質(zhì)，尤其對溶解性影響較大。氯乙酸用量太低時，殼聚糖羧甲基化不徹底， 斷裂，不利于制備高粘度、高分子量的衍生物。產(chǎn)品不能全部溶解于水；氯乙酸用量過大， 反應(yīng)體系pH值降低，不利于取代反應(yīng)的進行，因此控制在堿性的條件下適當(dāng)增加氯乙酸的量。 氯乙酸宜采用分多次添加的方法，因為氯乙酸鈉與堿化殼聚糖反應(yīng)的同時還存在氯乙酸與堿 的中和反應(yīng)，若氯乙酸一次性加人.則反應(yīng)十分劇烈，放出大量的熱，反應(yīng)溫度很難控制， 且氯乙酸利用率降低，產(chǎn)品性狀較差。反應(yīng)溫

22、度對產(chǎn)品的影響.如表1、2所示，70 C 和50 C下得到的產(chǎn)物在c。位N上的取代均比在c。位O上的取代高。溫度低于45 C時，很難得 到高取代的N，OCMC。但溫度太高(75 C)時，產(chǎn)品色澤變深，因此反應(yīng)控制在5065 C 為宜。陳凌云，杜予民，肖玲等.羧甲基殼聚糖的取代度及保濕性應(yīng)用化學(xué)，2001，18(1)： 6 蔣挺大.殼聚糖.第2版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001. 15 二階微商法確計(Mp220)、平型烏式粘度計、殼聚糖(工業(yè)級)、氯乙酸(399. 5%)；其它試劑為市售分析 純。1. 2實驗原理在強堿性環(huán)境中，殼聚糖與氯乙酸反應(yīng)形成羧酸鹽結(jié)構(gòu)。其主反應(yīng)為：(:6Hl o()3

23、N(oH，。+ncIcH2co()H+2n NaoH 反應(yīng)：ClCH2C00H+Na0H一口 CH2C00Nn+H 20 (2)ClCH2coOH+N0H _ HoCH!COONa+NaCl+H2() (3) 1.3實驗方法 1.3.1制備方法溶脹：加入一定量的異丙醇于三角燒瓶中.攪拌，使其溶脹；堿化：在上述溶液中加入適量Na()H溶液，攪拌，讓殼聚糖在堿性條件下膨脹，形成堿化中心；（3）將適量固體氯乙酸分若干次加入溶液中，每次間隔數(shù)分鐘，加熱至一定溫度，控制反應(yīng)時間， 得羧甲基殼聚糖混合物；（4）抽濾、干燥：反應(yīng)結(jié)束后，向溶液中加人蒸 餾水，冰醋酸調(diào)pH至7. o。布氏漏斗抽濾，70%乙 醇

24、水溶液、無水乙醇洗滌。所得產(chǎn)品放人60 c烘箱 烘干，即得白色粉狀羧甲基殼聚糖。1. 3. 2分析測試方法（1）羧甲基殼聚糖取代度的測定精密稱取0, 5 g干燥至恒重的羧甲基殼聚糖于250 mL容量瓶中.精密移取50 mL o 1 mol I。1Hcl標(biāo)準(zhǔn)溶液（含o, 1 m01. I。1氯化鈉）于其中，振 搖，使完全溶解，用0. 1 m01 1，1氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶 液（含0. 1 mol. I.氯化鈉）滴定，同時用pH計測 量pH值。肼二采等n=盟才鯊一K sH zuo； NocH： （: ）oNajn+n NacI+2n H20 （1）式中：”為每g樣品中羧甲基的毫摩 爾數(shù)；由于固相外的溶液中仍滯留大量的o. 1 61為每個乙酰氨基葡萄糖殘基的毫摩爾數(shù) ClcH： C（）ONa和Na（）H。因此溶劑中還存在下歹0副。.058為每毫克當(dāng)量的羧甲基