新型三元季铵盐-荧光模板共聚物的合成与评价：集絮凝、杀菌和监测功能于一体

引言

水是人类生存和社会发展的基础,水处理工艺的优化和管理对确保水质安全和推动经济发展至关重要。在常规的水处理过程中,絮凝作为关键一环,显著提高了水处理的效率和出水安全性。同时,细菌的去除也是水处理过程中面临的最大挑战之一。目前,将杀菌功能引入絮凝剂是一种有效的解决方案,但季铵盐类杀菌剂在反应过程中会产生大量消毒副产物,给环境和人体健康带来潜在威胁。因此,需要开发集絮凝、杀菌和监测功能于一体的新型水处理剂,以降低副产物生成,提高处理效率。

研究设计

本研究团队通过共聚乙烯荧光素(EtFl)、丙烯酰胺(AM)和甲基丙烯酰氧基丙基三甲基氯化铵(MAPTAC),在线性阴离子模板链的指导下成功合成了一种具有絮凝、杀菌和监测功能的多功能模板共聚物TP(AM-MAP-EtFl)。研究采用多种表征手段系统地探讨了共聚物的阳离子性、化学组成和表面形貌。通过絮凝实验考察了絮凝剂浓度、溶液pH和离子强度等因素对TP(AM-MAP-EtFl)絮凝、杀菌和荧光稳定性的影响。同时,采用SEM和3D-EEM等手段阐明了TP(AM-MAP-EtFl)絮凝大肠杆菌的机理,确认其具有良好的杀菌功能。

一、共聚物性能表征

1.1化学组成和形态学表征

采用红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)和扫描电子显微镜(SEM)对TP(AM-MAP-EtFl)进行了表征。FTIR光谱显示,EtFl成功引入共聚物链,体现在1728 cm^-1处的C=O伸缩振动峰。XPS结果进一步确认了EtFl单元的存在,N1s峰中含有季铵盐特征峰。SEM形貌表明,TP(AM-MAP-EtFl)呈现出不规则的块状结构,表面较为粗糙,这有利于吸附和捕获目标物质。

1.2理化性能分析

测定共聚物的阳离子度、固有粘度和分子量,结果显示随着荧光单体含量的增加,共聚物的分子量和固有粘度均有所提高,而阳离子度基本保持不变。这主要是由于EtFl单体的引入增加了共聚物的疏水性和空间位阻,从而影响了聚合物的链构象和溶剂亲和力,进而提高了其分子量和溶液粘度。这些理化性能的变化有助于改善共聚物在水处理中的絮凝性能。

1.3荧光性能表征

通过测定EtFl单体的摩尔消光系数,结果显示其在450 nm处的摩尔消光系数高达16607 mol^-1cm^-1,表明其具有较强的光吸收能力,适合于后续的定量分析。此外,荧光发射光谱表明,EtFl单体最大发射峰位于518 nm,而TP(AM-MAP-EtFl)共聚物的最大发射峰红移至514 nm,这是由于EtFl在聚合物链中的化学环境发生改变所致。即使EtFl单体含量仅为0.5 wt%,共聚物的荧光强度也达到1000 a.u.,足以满足后续的在线监测需求。

二、絮凝性能评估

2.1絮凝性能

在模拟含大肠杆菌废水的絮凝实验中,TP(AM-MAP-EtFl)表现出良好的絮凝效果。当絮凝剂投加量为6-12 mg/L时,处理后清液的OD600值在0.03-0.05之间,说明絮凝过程中大部分大肠杆菌被有效去除。值得注意的是,引入荧光单体并未对大肠杆菌的絮凝性能产生不利影响,这归因于EtFl单体的引入并未改变共聚物的阳离子性和分子量,保持了其良好的絮凝性能。

2.2杀菌性能

进一步优化絮凝条件后,TP(AM-MAP-EtFl#0.5)和TP(AM-MAP-EtFl#5)处理后清液的OD600值分别为0.0297和0.0457,表明它们具有优异的杀菌效果。SEM和3D-EEM结果证实,TP(AM-MAP-EtFl)可以通过破坏大肠杆菌细胞膜,导致其细胞凋亡,从而发挥杀菌作用。值得注意的是,荧光单体的引入并未影响季铵盐的杀菌能力,这为后续开发集絮凝、杀菌和监测于一体的水处理剂奠定了基础。

三、监测功能

由于EtFl单体与聚丙烯酰胺链共价连接,TP(AM-MAP-EtFl)的荧光强度与其在水溶液中的浓度呈正比关系,不受分子量、疏水性等结构变化的影响。这种方法可以快速准确地检测水处理剂的浓度,为水处理系统的在线监测和自动控制提供可能,显示了良好的应用前景。与传统的添加方式相比,TP(AM-MAP-EtFl)能够实现絮凝、杀菌和在线监测的一体化,有利于降低投资成本,提高处理效率。

结论与展望

本研究成功合成了一种具有絮凝、杀菌和监测功能的新型季铵盐-荧光模板共聚物TP(AM-MAP-EtFl)。通过系统表征发现,引入EtFl单体不仅赋予了共聚物稳定的荧光性能,还能有效提高其分子量和溶液粘度,从而改善絮凝性能。同时,TP(AM-MAP-EtFl)表现出优异的杀菌效果,且荧光单体的引入并未影响季铵盐的杀菌能力。由于EtFl单体与聚合物链共价结合,TP(AM-MAP-EtFl)的浓度可通过检测溶液荧光强度进行准确监测,为水处理系统的在线检测和自动控制提供了潜在应用前景。

未来可进一步探讨TP(AM-MAP-EtFl)在实际工程应用中的性能,优化其絮凝、杀菌和荧光监测的协同效应,以期在提高水处理效率的同时降低副产物生成,为环境保护和公众健康做出贡献。此外,该研究思路也为开发集多功能于一体的新型水处理材料提供了参考。

参考文献

Junyi Jiang, Xiaobo Tan, Manli Sun, Yaoyao Huang, Xincheng Jiang, Wei Ding, Hong Li, Huaili Zheng, Synthesis and evaluation of a novel ternary quaternary ammonium salts-fluorescent template copolymer: Integrating flocculation, sterilization, and monitoring functions, Chemical Engineering Journal, Volume 498, 2024, 155281. https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.155281