姜 磊，陳鈺雪，焦傳杰，孫海風，張立新，于文洋

(中國石油大學(華東)重質油國家重點實驗室及生物工程與技術中心，化學工程學院，山東 青島 266580)

近年來，在教育部“新工科”建設的驅動下，很多理工類高校紛紛推動包括實驗教學改革在內的教育改革。傳統(tǒng)的化學工程與工藝本科專業(yè)的實驗課程的教學大綱或教學設計中，除了原有的基本、綜合性實驗外，還增加了很多設計性實驗環(huán)節(jié)。這些設計類實驗項目一般都是針對與本專業(yè)相關的未知問題或未解決的技術難題，引導和鼓勵學生在自身基礎知識儲備的基礎上，自行設計實驗方案，以解決或部分解決問題。通過開放式的教學實驗，可以培養(yǎng)學生的主動思考、批判思維的能力的同時，提高其動手操作能力和綜合素質。如何選擇合適的實驗項目或題目是一個設計類實驗成功與否的關鍵，也是授課教師必須克服的實際困難。

本論文針對化學工程與工藝、環(huán)境等本科專業(yè)學生的培養(yǎng)要求，圍繞石油油田中常見的、富含聚丙烯酰胺等高聚物的工業(yè)廢水的處理問題，設計和提出了一個利用透明質酸等綠色生物高分子合成助凝劑，與殼聚糖絮凝劑一起來有效分離廢水中的高聚物、并通過對工藝和流程的優(yōu)化設計實現(xiàn)絮凝產物的再利用的實驗。本教學實驗以清潔、高效和無二次污染為目標，實驗中使用的原料大部分綠色無毒，且反應條件溫和，產物對環(huán)境友好。通過合成制備新型生物高分子的助凝劑，在有效清除含聚污水中的聚丙烯酰胺的同時實現(xiàn)廢物利用和效益最大化，盡量減少污染。

1 實 驗

1.1 背景知識

隨著越來越多的油田開發(fā)，油田污水日益增多。若油田污水未經(jīng)處理直接排放，不但造成水資源的極大浪費，同時也造成嚴重的環(huán)境污染[1]。聚丙烯酰胺(HPAM)是目前使用最廣泛的驅油劑及改性原料，由部分水解的丙烯酰胺單體合成的直鏈聚合物[2]。高聚物HPAM的存在，使得污水的流動性變差，粘附性增強，因此亟需有效的除聚方法。傳統(tǒng)污水處理過程中采用普通的化學無機絮凝劑(如氯化鋁鐵、硫酸鐵、硫酸鋁鉀等)，使膠體小顆粒凝聚成大的懸浮顆粒來凈化水質，但其絮凝高聚物的效果并不理想，也可以采用聚合金屬化合物與常見綠色生物質材料如殼聚糖進行復合，但殘留的金屬離子容易造成二次污染。殼聚糖分子鏈上分布著大量的游離氨基，在稀酸溶液中質子化，從而使其帶有大量的正電荷，是典型的陽離子絮凝劑[13]。然而殼聚糖對含聚污水的HPAM去除效果并不理想，所以我們探索合成一種新型的助凝劑，其含有高分子量的透明質酸，以及具有生物粘性的聚多巴胺，希望利用透明質酸的高分子量和多巴胺的生物粘性，來提升殼聚糖絮凝沉淀HPAM的效果。此外，由于HPAM本身也能絮凝其他雜物，所以可以進一步優(yōu)化實驗工藝，將含聚污水處理后的絮凝沉淀進行廢物利用，用于常見工業(yè)污水中抗生素[17]和染料等污染物的治理。

1.2 試 劑

殼聚糖(Chi，脫乙酰度：85.2%)、透明質酸(HA，106kDa)、1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳化二亞胺鹽酸鹽(EDC)、1-羥基吡咯烷-2,5-二酮(NHS)、陰離子聚丙烯酰胺(HPAM，107kDa)購自國藥；多巴胺(DA)購自Sigma-Aldrich；氧氟沙星(Lf)購自大連美倫生物科技有限公司；亞甲基藍(MB)購自上海邁坤化工有限公司；其他試劑包括乙醇、氫氧化鈉和鹽酸均購自上海生物工程有限公司。實驗中使用了去離子水。

1.3 助凝劑的制備和表征

生物高分子改性助凝劑(HA-g-DA)的制備：將1 g HA溶于100 mL pH 5的PBS緩沖液中，用0.1 mol/L鹽酸溶液調pH值為5.5，冷藏4 h，磁力攪拌至完全溶解。接著通氮氣約30 min，加入1.5 g EDC和2 g NHS，室溫下攪拌至澄清透明。再加入0.7 g DA，高速攪拌24 h。再用14000 kDa透析袋進行透析72 h，每12 h換一次水，冷凍干燥72 h后得到HA-g-DA。

圖1 HA-g-DA的合成途徑

表征：在Nicolet 6700型傅里葉轉換紅外光譜儀(FTIR)上記錄4000～400 cm-1的紅外光譜。用日立S-4800型掃描電鏡(SEM)在10 kV加速電壓下觀察了表面形貌。使用Malvern Zetasizer Nano ZS在25 ℃下通過動態(tài)光散射(DLS)測量溶液的zeta電勢。利用上海元析的UV8000紫外-可見分光光度計上記錄吸收光譜。

1.4 絮凝實驗操作

絮凝含聚污水：將HA-g-DA與Chi復配，然后在室溫下向20 mL含聚污水模型溶液(含500 mg/L HPAM)中加入10 mL不同濃度的復合絮凝劑溶液(0.05，0.125，0.25，0.5 g/L)，200 rpm下攪拌5 min后再50 rpm攪拌15 min，沉降40 min后在10000 rpm下離心10 min，最后分別收集離心沉淀物和上清液，將上清液用于測定絮凝后污水溶液的粘度。

二次絮凝：二次絮凝是使用上述離心沉淀物，即絮凝劑、助凝劑與聚丙烯酰胺的混合物，用于去除工業(yè)污水中的抗生素或染料?？股匚鬯Ｐ蜑?0-4mol/L的Lf；染料污水模型為10-5mol/L的MB。二次絮凝之后，收集上清液，進行紫外-可見光譜檢測，根據(jù)Lf和MB在各自特征吸收峰(290和665 nm)處的吸光度，分析和計算二次絮凝劑對這些污染物的清除效果。

2 結果與討論

在實驗材料準備的過程中，學生會對于如何制備綠色環(huán)保的絮凝劑有比較深入的認識。學生在學習操作不同儀器對材料的表征的過程中，可以了解設備的測試原理和實施細節(jié)，對后續(xù)數(shù)據(jù)的分析，能夠提高其分析和歸納總結能力。

圖2 樣品SEM圖譜

圖2是加入助凝劑前后的絮凝劑SEM圖譜，由圖2A可以看出由HA和DA接枝制備的助凝劑的微觀形貌是不規(guī)則片層結構。圖2B中的Chi整體為不規(guī)則狀，類似大塊鹽晶結構。圖2C則呈現(xiàn)出在加入助凝劑后，Chi的晶體結構變成了連續(xù)相的層狀結構，其邊緣不再粗糙，更加圓滑，有可能是高吸水性的助凝劑包裹在殼聚糖表面，或與其纏繞，增加表面積。

圖3A顯示的是HA、DA以及HA-g-DA的FTIR圖譜。如圖3A所示，HA在接枝了DA之后形成的改性化合物HA-g-DA，不但含有所有HA的特征峰，而且也有了DA在813、1550、1735 cm-1處的特征峰,說明DA已經(jīng)成功接枝到了HA上。圖3B所示的是0.5 g/L的HPAM，HA和HA-g-DA在不同pH下的電勢變化?？梢钥闯鋈N溶液的電勢均為負值，相同pH下，HA，HA-g-DA,HPAM所帶負電荷依次減少。

接著，學生將通過對一次絮凝實驗數(shù)據(jù)的處理和分析，理解pH對絮凝劑能力的影響，以及在相同pH下，絮凝劑添加量對污水處理能力的影響。圖4A所示在pH 9～12，20 mL含聚污水溶液中加入10 mL不同濃度(0.05，0.125，0.25，0.5 g/L)的復合絮凝劑HA-g-DA&Chi后溶液的粘度變化。由于HPAM具有高粘性，因此溶液粘度與HPAM的含量直接相關，絮凝出的HPAM越多，其粘度變化越大。從圖4A的結果可以看出，未加助凝劑時，單純殼聚糖降粘的效果不隨其添加的濃度變化而變化。但是在總絮凝劑質量濃度不變的條件下，加入助凝劑和殼聚糖復配物之后，尤其是在pH 9～11時降黏效果隨著助凝劑濃度的增加而提高，說明助凝劑能夠有效地提升殼聚糖絮凝劑沉淀分離HPAM的能力。例如，在pH 9、0.5 g/L添加量條件下，復合絮凝劑對污水粘度的降低值最高，降幅大于70%。同樣條件下的殼聚糖單一絮凝劑的粘度降低效果(28%)不到復合絮凝劑的一半。

接著收集含聚污水絮凝實驗的沉淀物，將其用于工業(yè)污水中抗生素Lf和染料MB的去除，即二次絮凝實驗。收集圖4A實驗中絮凝效果最佳條件下，即0.5 g/L HA-g-DA&Chi絮凝分離出的HA-g-DA&Chi+HPAM，作為二次絮凝實驗的絮凝劑。結果如圖4B所示，HA-g-DA&Chi+HPAM去除MB的比例為37.78%，是相同條件下傳統(tǒng)常見絮凝劑Chi去除率(1.55%)的25倍左右。處理抗生素Lf污水的效果也略優(yōu)于Chi。其絮凝分離原理可能是HPAM與復合型絮凝劑形成的絮狀物具有疏松多孔的結構，和相對較多的表面電荷，這使得它對小分子染料或抗生素具有強烈的吸附作用[25]。

3 結 論

本論文針對如何有效去除油田污水中的高聚物的問題，為化工類專業(yè)的本科生設計了一個本科教學實驗。在引導學生熟悉和了解油田含聚污水的性質后，指導學生利用生物高分子透明質酸等綠色生物高分子，與傳統(tǒng)的綠色絮凝劑殼聚糖復配，得到了效果更佳的絮凝劑組合物，將其用來處理油田污水并檢測相關指標來驗證其絮凝性能。復配后的絮凝劑不但可以將含聚污水中的高聚物HPAM絮凝沉淀，其沉淀物也可以進一步用于絮凝和去除工業(yè)污水中的抗生素和染料，其效果比單純的傳統(tǒng)殼聚糖絮凝劑更好。

通過實驗，學生可以樹立綠色環(huán)保和資源再利用的理念，并掌握化學合成、物理表征以及物化絮凝過程中的實驗原理，提高操作和分析FTIR光譜、SEM電鏡、紫外可見光譜等技能，培養(yǎng)學生獨立分析和解決問題的能力，提升學生的創(chuàng)新研究意識與實踐能力。