[发明专利]一种水溶性磺化-季铵化壳聚糖及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及磺化-季铵化壳聚糖的制备，具体地说是壳聚糖与磺酸盐通过接枝反应合成磺化壳聚糖，接着与季铵盐反应生成一种水溶性磺化-季铵化壳聚糖。

技术背景

水是人类生产生活赖以生存的资源，在工业用水和废水处理中，尤其是工业循环冷却水系统和油田、石油化工等行业，经常会使用到絮凝剂、缓蚀剂、阻垢剂、杀菌剂等水处理药剂。近年来，包括发达国家在内，无磷、易生物降解和环境友好是水处理化学品发展的共同趋势。

壳聚糖是甲壳素脱乙酰基得到的产物，是天然的阳离子碱性多糖，具有很好的生物相容性，其分子量巨大，不溶于水，只溶于少数酸，因此对其进行降解或改性是很有必要的。

壳聚糖及其衍生物具有一定的抗菌活性、成膜性等性质，能够作为食品中较好的抗菌剂、果蔬保鲜剂、食品添加剂和澄清剂等；根据壳聚糖及其衍生物的生物相容性和可降解性，在医药领域同样有着相当广泛的应用。题为“Synthetic methods and applications of chitosan containing pyridylmethyl moiety and its quaternized derivatives:A review”（Warayuth Sajomsang,Carbohydrate Polymers,2010,80(3):631-647）文献中，详细介绍了壳聚糖季铵盐的一些制备方法及其在生物医药方面的杀菌性能。但是，壳聚糖及其衍生物在水处理方面杀菌性能的研究鲜有报道。

壳聚糖及其衍生物具有一定的螯合能力，它能吸附并螯合工业污水处理中的金属离子，维持生态平衡。题为“羧甲基壳聚糖的微波合成与阻垢性能研究”（张惠欣等，工业水处理，2008，28(12):39～42）的文献中，对壳聚糖进行羧甲基化，利用羧基、羟基、氨基的螯合吸附性能，将其应用到工业水处理中，研究表明，羧甲基壳聚糖具有良好的阻垢性能，对钙离子有一定的容忍度，是很有发展前景的绿色阻垢剂。由于其性能比较单一，必须和其他药剂同时使用才能达到使用目的，无形中使得工艺复杂化，能耗也随之增加。

总之，壳聚糖及其衍生物几乎没有毒性，可生物降解，作用效果接近传统水处理剂，具有很高的研究和应用价值，如能将其螯合能力和杀菌性能得以充分利用与发挥，可以有效解决并控制工业用水中的结垢和微生物滋生带来的危害，对解决水资源危机很有意义。

发明内容

本发明的主要目的是制备一种既含有磺酸基同时又包含季铵基团的两性壳聚糖衍生物，使得改性产物在工业水处理中起到阻垢杀菌的作用，视为多功能水处理剂，充分发挥一体多能的作用。通过对壳聚糖的磺化季铵化改性，使壳聚糖在工业用水及废水处理方面的应用性能得到很大的提升。

本发明的技术方案为：

一种水溶性磺化-季铵化壳聚糖，其结构式为：

其中，n为平均聚合度，且10≤n≤200。

所述的水溶性磺化-季铵化壳聚糖的制备方法，包括以下步骤：

第一步，将壳聚糖加入到反应器中，然后用质量浓度为1%的乙酸溶液搅拌下溶解；

第二步，在氮气保护下再加入过硫酸铵，搅拌使其溶解；其物料配比为每0.40g壳聚糖加0.02g~0.05g过硫酸铵；

第三步，再将2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）在水中溶解，移入恒压滴液漏斗中，氮气保护下，逐滴加入到上步的反应液中，保持40℃~80℃；其配比为每0.40g壳聚糖加AMPS1.02g~2.56g；

第四步，全部滴完后继续搅拌3h~6h；

第五步，反应物冷却至室温，用5%氢氧化钠调节溶液至中性，使用混合溶剂沉淀，真空干燥，得到磺化壳聚糖；

第六步，将上面得到的磺化壳聚糖溶于水，然后水浴加热至60℃~85℃；

第七步，再将环氧丙基三甲基氯化铵加入其中，反应6h~12h；其配比为每0.40g磺化壳聚糖加0.38g~1.14g环氧丙基三甲基氯化铵；

第八步，反应完后产物用丙酮沉淀，洗涤，真空干燥，最后得到所述的磺化-季铵化壳聚糖。

所述的第一步的乙酸溶液加入量为每0.40g壳聚糖加20mL乙酸溶液；

所述的第五步的混合溶剂为体积比丙酮：乙醇=1：1的混合溶液。

所述的磺化-季铵化壳聚糖的应用，用于工业用水及废水的阻垢、絮凝、缓蚀或杀菌处理。

本发明制备了既含有阻垢作用的磺酸基又含有杀菌作用的季铵盐基团的磺化-季铵化壳聚糖，使壳聚糖有强两性电学特征并且在水处理中有较好的应用性能。