绿色水处理剂
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绿色水处理剂——天冬氨酸
摘要：本文简单介绍了绿色高分子材料的发展状况，重点综述了可生物降解性聚天冬氨酸的性能、合成、改性以及其应用等。
关键词：绿色高分子 聚天冬氨酸 污水处理
随着新技术的发展和应用，各种各样的新的高分子材料异军突起，在各生产部门和人们的生活领域得到广泛的应用。尽管它们有诸多优点，但是随着应用时间的增加，越来越多的环境问题也显现出来，因此社会和科技都在呼吁高分子材料要绿色化，于是高分子领域掀起了一片绿色浪潮。
在污水处理方面，研究开发了新型淀粉及羧甲基淀粉基高分子系列絮凝剂，以天然高分子壳聚糖为原料合成的壳聚糖季铵盐是一种无害的絮凝剂木素及其衍生物，聚合硅硫酸铁无机高分子絮凝剂等高分子材料在不同类型的污水处理上效果甚好。在生活方面，绿色汽车增光护理剂、绿色教具的问世不仅外观美而且减少了环境污染，而聚乳酸制品的生产应用大大减少了传统塑料制品所造成的白色污染问题，聚天冬氨酸以其优异的阻垢和分散性以及良好的可生物降解性也倍受青睐。在阻燃材料上，有机硅阻燃剂、纳米级阻燃剂以其良好的性能显示了巨大的生命力。在合成纤维方面，胶原蛋白与壳聚糖共混纤维的合成，不仅提高了废旧皮的利用率，也减少了环境污染，同时又具有很好的性能。在无污染的新材料方面，出现了很多新的环保和医用新材料：在溶剂的选用上，超临界二氧化碳作为高分子聚合和高分子化学的反应介质，以其特有的性质受到了广泛的关注，成为挥发性溶剂和助剂的理想替代品。在农业方面，可生物降解的塑料薄膜和高分子包覆肥料等材料的应用有很好的前景。在催化剂方面，仿酶催化成了研究的热点之一，它是实现绿色高分子目标直接而有效的途径。
聚天冬氨酸（PASP）属于聚氨基酸中的一类。聚天冬氨酸因其结构主链上的肽键容易受微生物、真菌等作用而断裂，最终降解产物是对环境无害的氨、二氧化碳和水。因此，聚天冬氨酸是生物降解性好、环境友好型化学品。
聚天冬氨酸的用途广泛。它广泛应用于肥料增效、工业水处理、金属切削液、日用化学品、油田二次采油的注水助剂等领域。此外，聚天冬氨酸在洗涤剂、高吸水树脂、水煤浆添加剂、光化学品等方面也具有广阔的应用前景。所以，聚天冬氨酸的应用研究是具有极大的意义。 1 聚天冬氨酸的特性
1.1分子性质
分子式：C4H6NO3(C4H5NO3)C4H6NO4 ；相对分子质量：1000-5000
它是一种带有羧基侧链的聚氨基酸，具有螯合和分散作用。由于聚天冬氨酸分子中含 有大量的-COOH、-NHCO-等极性基团，具有很好的亲水性和水溶性，此外，侧链上的-COOH 在水溶液中很容易电离，形成羧基负离子(-COO-)，能与多种离子发生络合反应，使聚天 冬氨酸在水溶液中具有很好的化学活性。
1.2生物降解性
聚天冬氨酸是一种带有羧酸侧链的聚合氨基酸，是天冬氨酸单体的氨基和羧基缩水而成的聚合物，有α，β2种构型。天然的聚氨基酸中聚天冬氨酸片段都是以α型形式存在的，而合成的聚天冬氨酸中大部分是α，β2种构型的混合物。热缩聚得到的聚天冬氨酸，因其结构主链上的肽键易受微生物、真菌等作用而断裂，最终降解产物是对环境无害的水和二氧化碳。聚天冬氨酸水凝胶在活性污泥中的生物降解速度为28d达到76％。
1.3毒性
利用昆明种小鼠急性毒性实验、Ames实验、小鼠骨髓嗜多染红细胞微核实验研究聚天冬氨酸的一般毒性与致突变性，结果显示：聚天冬氨酸既无毒性也无致突变作用。这为安全使用聚天冬氨酸提供了依据。
2 聚天冬氨酸的合成
目前，聚天冬氨酸的合成主要有两条路线：一条是以L-天冬氨酸为原料；另一条是以马来酸酐和氨水、铵盐或胺类物质为原料。
2.1由L-天冬氨酸直接合成聚天冬氨酸
天冬氨酸单体在有、无催化剂存在下，直接加热生成PSI（聚琥珀酰亚胺）。在其它条件相同的情况下，使用催化剂可使反应时间缩短达10倍以上，并可提高产品质量，降低产品色度。反应中，可选用的催化剂范围很广，一般选用酸性物质作为催化剂，如磷酸、亚磷酸、硫酸、经NH3部分中和的硫酸、硫酸氢钠、硼酸、P2O5、MgO、其它酸或酸式盐等。方法上可通过溶液聚合或固相聚合来合成聚天冬氨酸。
2.2以马来酸酐和氨水、铵盐或胺类物质等原料制备聚天冬氨酸
马来酸酐与铵盐通过氨化反应生成马来酰亚胺，再加热发生聚合反应，生成中间体聚琥珀酰亚胺（PSI），PSI在碱性条件下水解制得聚天冬氨酸钠盐。操作步骤如下：在烧杯中加入一定量马来酸酐并加入适量水溶解，倒入装有搅拌装置和冷凝装置的三口烧瓶中，加入一定体积的浓磷酸。待温度升至80℃时，在搅拌状态下，缓慢加入铵离子与马来酸酐摩尔比为1.2：1的铵盐溶液，反应2h，用石蜡浴加热反应一定时间后得到中间产物PSI，待烧瓶冷却后，放入50～60℃的水浴中加热，同时加入2mol/L的氢氧化钠溶液，使pH值大于10，溶液冷却后过滤，滤液用稀盐酸调至中性，加热蒸发浓缩后，加入无水乙醇析出产物，过滤烘干，制得聚天冬氨酸（PASP）。
3 聚天冬氨酸的改性
目前聚天冬氨酸主要应用于循环水、锅炉水、冷却水等水处理领域，但它本身的缓蚀性能与市售水处理剂仍有一定差距，所以对聚天冬氨酸进行改性研究以提高其缓蚀阻垢能力具有十分现实和积极的意义。
一般聚合物的改性方法分为2种，即物理改性和化学改性。PASP的物理改性主要是在使用PASP的过程中，加入其他的药剂（复配），使之发生协同作用，以增强PASP的阻垢缓蚀效果。化学改性的途径有3条，即共聚改性、开环改性和交联改性。共聚改性和开环改性主要用在水处理剂的改性上，交联改性主要是用于制药方面。
3.1共聚改性
通过共聚引入第二组分是高分子化学中常用的聚合物改性手段之一。通过控制共聚物分子量、共聚单体种类及配比等控制聚合物材料的降解速度和周期。不同结构的共聚物不不同材料的优点结合起来，能赋予新材料特殊的性质，如可以改善原聚合物的极性和结晶性，使原来主链无活性基团的聚合物功能化等。
3.2开环改性
开环改性是在PASP合成过程中的中间体上进行的。PSI（未开环的PASP）是一种活性很强的线性聚酰亚胺，可以很容易地被氨基开环生成含有侧链的PASP。利用这一特殊的开环性质，可以制备许多含有特殊侧链基团的衍生物。
3.3交联改性
交联改性即为低聚体交联聚合。交联聚合是无规则结构的水溶性聚合物，可用于污泥凝结剂、分散剂和浮选剂等。天冬氨酸通过交联聚合。分子量一般可提高数倍，为扩大聚天冬氨酸分子量开辟了新的研究方向，是目前国外研究的热门课题之一。
4 聚天冬氨酸的应用
4.1水处理方面
聚天冬氨酸具有聚阴离子表面活性剂的特征．并具有类似葡萄糖的生物降解性能，水解后的聚天冬氨酸能螯合钴、镁、铜、铁等多价金属离子，具有优良的阻垢缓蚀和分散作用，作为阻垢缓蚀剂广泛用于工业循环水、锅炉水、反渗透水、油田回收水、海水淡化等水处理领域，特别是用于高硬度、高碱度 高pH值、高浓缩倍数的水处理系统。
4.2农业方面
聚天冬氨酸作为肥料的添加剂，能帮助作物更健康地生长，产量更高，并能改善土壤，故又 称其为肥料增效剂。在生长中加入聚天冬氨酸的稻秧生长效果比不处理和用聚天冬氨酸浸种的好，而且用聚天冬氨酸浸泡过的种子，其他条件都一样时其生长优势也相当明显，这说明 聚天冬氨酸是一种良好的肥料增效剂，即聚天冬氨酸具有减少肥料用量，提高肥料利用率，减少污染的效果。使用聚天冬氨酸的农田，增产在15%以上，有的高达70%，作物品质明显提高。
4.3其它方面
聚天冬氨酸不仅仅在水处理、农业领域起到良好的效果，而且在其他也占有一定的重要地位。在工业上，聚天冬氨酸作为阻垢剂、分散剂、缓蚀剂、吸水剂、钻井液降粘剂等广泛用于处理工业用水。合成具有不同侧链的聚天冬氨酸或其衍生物，然后将带有不同侧链的聚天冬氨酸 或其衍生物、壳聚糖、含钙溶液在一定温度和pH值下进行混合、反应、沉淀。所得产物具有仿细胞壁膜的性质，是一种环境友好型仿生材料。该材料具有吸附重金属和某些有机物的功能，可用于脱除重金属、氯代烃、有机颜料、染料等,广泛应用于医药工业、食品工程、印染工业、污水处理等领域。
由于绿色环保的特性，聚天冬氨酸可作为新型的日化助剂和各种无毒、无污染的专用精细化 学品。聚天冬氨酸在餐具洗涤剂方面也有类似洗衣剂的作用，会吸附在碗碟表面，抑制表面 腐蚀发毛，产生更好的保洁效果，是清洗硬质表面餐具洗涤剂的组分之一。聚天冬氨酸具有 阴离子表面活性剂的特征，在洗涤、日用化工等领域的应用效果表明，其具有较好的耐电解质、耐碱和低泡性以及良好的螯合、分散作用，在洗涤中的作用是使水软化、分散和抗垢，并可防止洗落的油垢重新玷污在餐具和衣物上。
5 结语
PASP具有无毒、科生物降解性、一剂多效等特点，是绿色环保型水处理剂之一，对PASP进行改性研究以提高其缓蚀阻垢能力具有十分现实和积极的意义。改性PASP的研究具有广阔的发展前景，随着改性PASP综合性能的提高，必将促进绿色水处理剂的推广与应用，为工业节水和水资源的可持续利用做出贡献。
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