螯合作用

螯合作用（精选七篇）

螯合作用 篇1

1.1 重晶石溶解装置

重晶石溶解装置长期应用于石油工业, 以防止井下管柱结垢。此外, 重晶石溶解装置还可用于处理钻井液侵入造成的地层伤害, 因为钻井液的首选加重剂就是重晶石。重晶石几乎不溶于大多数酸, 一般需要用专门的螯合剂才能清除。EDTA和DTPA是最常用的螯合剂。同时也在开发类似的化合物、变异化合物、混合物, 以及新型可溶性化合物。

本文研究了螯合剂的不同用途, 目的并非是清除地层中的垢或重晶石, 而是清除结合在滤饼上的重晶石。由于重晶石通常是常规滤饼的重要成分, 因此清除重晶石加重剂的任何方法都会对滤饼性能产生极大影响。

1.2 压差卡钻

压差卡钻 (DPS) 是一种常见的世界性钻井难题, 会导致非生产时间和钻井总成本大大增加。此外, 压差卡钻事故还可能会导致废弃现有井眼, 被迫侧钻。为减少压差卡钻, 作业人员经常要尽可能地减少过平衡 (降低钻井液密度) 、缩短静态时间、减少穿过低压地层的井段长度、增加钻铤和钻柱稳定器、优化钻井液性能, 以减少卡钻的风险。不过, 无论作业人员如何努力, 仍有可能发生压差卡钻。

解除压差卡钻的常规方法是泵入一种化学“解卡”液, 其目的是溶解或分解滤饼, 以使钻杆解卡。大多数服务公司均可提供多种解卡液供选择。对于水基钻井液已形成多种解卡液, 成功地用于现场。这些解卡液一般由非水钻井液组成, 通过减少接触面积发挥作用, 渗透滤饼, 减少压差。

如果发生压差卡钻的风险较大, 作业人员可能选用非水钻井液钻进。这种钻井液可以降低滤饼的渗透率, 使得卡点之上的压差增加比较缓慢, 此外还可使滤饼更光滑、更薄、更易于剪切——所有因素均可减少发生压差卡钻的风险。尽管使用非水钻井液经常可以有效地避免发生压差卡钻, 但仍会发生卡钻事故, 尤其是在钻井液中混入钻头产生的粗颗粒固相的情况下, 这会导致无支撑的钻铤段容易产生“渗漏”和厚滤饼。不过, 目前工业上将压差卡钻减少到最低程度的选择还是用非水钻井液钻进。

与人们所了解的压差卡钻机理无关, 可以认为, 通过清除重晶石 (滤饼的主要成分) 能够降低黏附力。这是因为清除重晶石能够降低滤饼的剪切强度 (通过降低压差并在滤饼内形成砂眼) , 释放部分或全部压差的缘故。本文介绍了一种方法, 通过清除滤饼中的重晶石, 提高滤饼渗透率, 从而解决非水钻井液中的压差卡钻。此外, 该方法还可应用于水基钻井液。

1.3 漏失失返

漏失失返时会发生钻井液漏失、钻时损耗, 面临井涌和诱发井壁失稳的风险, 从而造成巨大的经济损失。钻穿扩展裂缝时发生的漏失是工业上漏失失返的主要因素 (与之相反的是孔洞漏失和渗透漏失) 。作业人员利用岩石力学方法, 开发出裂缝闭合应力 (FCS) 技术来对付漏失。简言之, 通过增加裂缝的宽度, 可以重建地层完整性。可通过多种方法达到这一目的, 如使用传统的堵漏材料、水泥浆、聚合物、吸附固相等。重建地层完整性有如下要求:①裂缝末端与井眼隔离, 以便能够施加压力加宽裂缝, 从而增加裂缝的闭合应力;②重建的裂缝宽度其应力应大于继续钻进所需井眼压力。如果漏失足够多的携带液, 使堵漏材料和重晶石就地沉积不能运移时, 就会发生裂缝末端与井眼压力隔离的情况。

这种应力重建作业的一个可能问题就是要求滤失量很大, 以便在裂缝面中形成不能运移的段塞, 尤其在非水钻井液中。如果滤失量不够大, 固相颗粒就仍然会移动, 压力会继续传送使裂缝末端增大, 不可能在裂缝间建立压力以增加闭合应力。由于大多数非水钻井液滤饼所对应的滤失量很低, 不能使固相脱水, 因此非水钻井液中的漏失失返经常难以处理。即使地层原始渗透率允许FCS流体迅速渗漏, 裂缝面上致密的非水钻井液滤饼也会阻止发生这种情况。本文介绍的方法可以在FCS处理之前提高滤饼渗透率, 通过提高裂缝面上的滤饼渗透率即可产生大量渗漏, 并有大量不可移动的固相发生沉积。

2 试验程序

2.1 钻井液

用一种普通的非水钻井液完成所有滤失和滚动试验。钻井液密度为1.56 g/cm3 (重晶石加重) , 塑性黏度18 mPa·s, 动切力7.5 Pa, HTHP滤失量 (121 ℃, 30 min) 5 mL, OWR (油水比) 为75/25。

从供应商处得到3种螯合剂, 主要用于清除重晶石垢。在本文的试验中, 这些螯合剂分别标为螯合剂A、螯合剂B、螯合剂C。

从供应商处获得2种预冲洗液, 用于某些试验。在本文的试验中, 这些预冲洗液分别标为预冲洗液X和预冲洗液Y。预冲洗液X是用于钻井液的常规溶剂, 预冲洗液Y是一种互溶剂。

测定了钻井液在不同温度下的黏度。由于大气压力与最大试验压力2 MPa间的压差不大, 因此未考虑压力对黏度的影响。把黏度测量值外推至121 ℃, 以估算高温条件下的黏度, 因为在大气压力下, 达到这一温度时螯合剂会沸腾。将黏度结果用于计算渗透率。

2.2 HTHP滤失量

用一种两端均开口的高温高压滤失仪进行滤失试验, 将滤失试验结果用于计算不同处理阶段的滤饼渗透率。首先用陶瓷滤网进行几次高温高压滤失试验, 以建立钻井液滤失量基线。用典型试验修正试验程序, 以确保形成厚滤饼。在82 ℃、2 MPa压差下进行2h的滤失试验。在形成滤饼的整个过程中, 记录滤失量随时间的变化。完成滤失试验后, 将试验罐冷却至室温后打开, 用卡尺测量不同位置的滤饼厚度。

试验的下一阶段是在不同温度、溶剂、螯合剂条件下进行试验。按上述方法形成初始滤饼后, 小心地从试验罐中倒出钻井液, 加入溶剂。将试验罐在2 MPa压差下压滤至少1 h, 直至滤失速率稳定。由于溶剂具有可燃性, 因此未升温。然后小心地从试验罐中倒出溶剂, 再加入螯合剂, 在21 ℃和121 ℃、2 MPa的试验条件下测定滤失量与时间的函数关系。试验变量见表1。

完成滤失试验后, 将试验罐完全拆开, 目测滤网上的滤饼。此外, 还需进行不加溶剂、用基础油代替螯合剂的校核试验以作对比。

2.3 滚动试验

还进行了一些滚动试验。向已加有80 mL螯合剂的250 mL老化罐中加入10 g重晶石, 将老化罐在21 ℃或66 ℃下滚动24 h, 然后将钻井液离心处理, 轻轻倒出上层液体。随后将离心分离出的流体倒入标准API滤失罐中, 在0.7 MPa下经滤纸过滤, 除去离心未分离的细颗粒重晶石。将离心和过滤处理后分离出的固相粒子用水冲洗, 烘干, 然后称量干粉质量。

此外, 对离心分离并过滤的液体进行化学分析, 以确定溶液中钡元素的含量。并进行了螯合剂的元素分析校核试验, 以确定螯合剂中钡元素的初始含量。

2.4 压差黏附试验

用一种独特的压差黏附仪进行了小型压差黏附试验。试验仪器包括一个放置圆柱型岩心 (直径10 cm、带有5 cm孔眼的砂岩岩心或陶瓷岩心) 的容器, 岩心的渗透率已知。钻井液经该系统循环, 向“井眼”与“地层”之间的岩心上施加3.45 MPa的压差, 然后在岩心壁上就沉积形成一层动态滤饼。岩心内插有一根铝棒, 由此形成环空, 钻井液可以通过环空流动。沉积形成滤饼后, 可以将铝棒压入滤饼中。铝棒内有压力传感器, 可以测量滤饼内的压力。保持一段时间后, 轴向用力取出铝棒, 并记录取出时所用的力。

在完成的上述试验中, 使用了一种普通的水基钻井液 (WBM) 而非以前试验所用的非水钻井液。使用水基钻井液可以确保形成厚滤饼, 这是从传感器获得最重要的压力数据所需要的。使用水基钻井液对试验效果无影响。事实上, 使用水基钻井液时或许可以省略溶剂 (预冲洗) 步骤。为与滤失试验相吻合, 在这些试验中未省略这一步骤。

形成滤饼后, 压入铝棒, 并记录压力随时间的变化。然后向容器中倒入溶剂 (预冲洗液X) , 对容器中的滤饼过滤约10 min。最后, 将螯合剂 (螯合剂A) 倒入容器。传感器记录全过程中的压力变化。所有试验均在约24 ℃下进行。仅用预冲洗液X进行校核试验, 以确定溶剂是否对压力响应和黏附力有显著影响。

3 结果与讨论

3.1 HTHP滤失量

完成了多组试验以建立滤饼渗透率和滤饼厚度基线。图1为基线试验中典型的滤失量与时间的关系曲线。 (达到稳态滤失速率后) 后期的数据点呈直线, 由此确定了斜率。利用滤失量和滤饼厚度数据, 即可根据达西方程计算出滤饼渗透率。由于滤饼厚度与滤失量数据相一致 (在初始试验中斜率变化非常小) , 计算出的平均渗透率可作为初始点, 用于今后的所有对比试验。

测得高温高压条件下的基线滤饼厚度为1.98 mm, 初始滤饼渗透率为9.78×10-8μm2, 这与以前研究所得滤饼渗透率在同一数量级。

正如试验程序中所叙述的, 下一阶段是倒出钻井液, 加入预冲洗溶剂。所用溶剂为预冲洗液X, 仅几分钟后滤失速率迅速达到稳态。完成这一试验步骤之后, 重新计算滤饼渗透率, 结果表明, 溶剂冲洗阶段的滤饼渗透率无变化。正如所期望的, 溶剂仅改变滤饼的润湿性而不清除任何固相颗粒。

图2为溶剂处理后 (本次试验所用溶剂为预冲洗液X) , 在高温高压罐中加入不同螯合剂测得的典型结果。从图中可以看出, 最初通过滤饼的滤失速率可能很低, 不过, 后来滤失速率迅速增加, 然后达到稳态。X轴上滤失曲线稳态部分的截距定义为“活化时间”。这些数据都是在恒定的压差、滤饼厚度和流通面积下测得的。稳态部分的斜率限定了用于渗透率计算的滤失速率。

从图2中还可看出使用基础油而非螯合剂的作用效果。800 min后, 滤失速率保持较低而且相当稳定。从最初沉积开始, 渗透率保持不变, 这是希望的结果。可以确信, 螯合剂起到了实际作用, 试验方法是有效的。

使用预冲洗溶剂的影响见图3。省略溶剂冲洗步骤, 使用螯合剂时, 一般在作用200 min后滤失速率保持恒定超过700 min。可以推断, 如果滤饼最初没有经过某些溶剂的处理, 螯合剂便不能渗透滤饼。组成非水钻井液的螯合剂与基础油不能混溶。

滤失试验结果见表2。应当指出, 活化时间和渗透率仅在室内试验条件下增加。预计在井下的高温高压条件下, 活化时间实质上降低, 渗透率可能会进一步增大。从表中可以看出, 在121 ℃下, 经预冲洗液Y处理后螯合剂A可使滤饼渗透率提高850倍以上。滤饼的最终渗透率为8.56×10-5μm2, 而初始渗透率为9.78×10-5μm2。整个试验过程中活化时间变化很大, 每次试验结果都不易重复。主要是渗透率增加而非活化时间增加。

处理完毕后目测滤饼, 检查滤饼有无裂缝或孔眼, 这会使钻井液容易泄漏。如果没有发现试验中提到的孔缝, 则试验结果无效。可以推断, 试验中是均匀地溶解重晶石而非迅速产生孔缝通道。

3.2 滚动试验

滚动试验结果表明, 温度对所清除重晶石数量影响显著, 这与高温高压滤失试验结果相一致。此外, 经66 ℃ 24 h热滚处理后, 螯合剂A可将重晶石含量减少39%, 螯合剂B可将重晶石含量减少27%。应当指出, 动态滚动试验要比静态井眼条件下更利于清除重晶石。因此, 静态的高温高压滤失试验能够更准确地模拟井下实际情况, 选择滚动试验是为了进一步说明用常规工业流程溶解重晶石的效果。

滤液中元素钡的化学分析结果表明, 正如高温高压滤失试验所预料的, 螯合剂A处理后的滤液中含有大量的钡。此外, 钡含量随温度而增加。螯合剂B处理后的滤液中含有相当多的钡, 而螯合剂C处理后的滤液中钡含量不很多。螯合剂C的黏度高于其他螯合剂, 可能会对滚动试验结果产生不利影响。校验试验发现, 在与重晶石反应之前, 螯合剂中含有大量的钡。

3.3 压差黏附试验

压差黏附试验结果显示, 用预冲洗液X和螯合剂A解卡处理后, 仪器测得的黏附力大大降低。对于黏附2 h的试验, 经解卡处理后其黏附力比未解卡处理时降低约80%。所完成的一组压力传感试验结果表明, 在卡钻情况下, 被卡管柱之下的压力开始降低, 由此产生压差。不过, (经预冲洗液X处理后) 向黏附罐中加入螯合剂A之后, 压力开始增加, 最终达到与黏附罐中同样的压力。因此, 由于滤饼的渗透率增加, 压差能够完全释放。

未加螯合剂A仅用预冲洗液X处理的校验试验结果显示, 经过4 h处理后钻柱卡点之下的压力增加, 而且测得的黏附力未减小。可以推断, 压力感应和黏附力降低仅仅是因为螯合剂A对重晶石的螯合作用, 预冲洗液X仅能使螯合剂与滤饼之间相兼容。

4 结论

改进技术可以提高非水钻井液滤饼的渗透率。该技术是利用综合处理方法局部浸泡滤饼, 即先处理滤饼, 然后清除掉大量的加重材料。室内试验结果显示, 该技术可使滤饼渗透率提高850倍以上。

提高滤饼渗透率方法可对压差卡钻起到解卡作用。通过释放压差, 滤饼的剪切强度得以降低, 滤饼通常会恰好发生破裂。这些作用都有利于黏附解卡。此外, 提高滤饼渗透率还可增加堵漏段塞的渗漏, 使静止固相颗粒增加, 从而成功地完成裂缝闭合应力处理, 重建滤饼完整性。

螯合酸在线酸化配套及优化 篇2

注水井酸化解堵技术是解除注水过程中造成的储层伤害,降低注水压力或提高注入量的重要技术手段,然而采用常规酸化模式存在酸化设备占地面积大、酸化作业时间长、作业程序复杂、作业环境要求高和协调难度大等问题,且注水井多井次频繁酸化作业给油田生产带来严重影响。

为了解决这些问题,油气工艺研究院提出了螯合酸在线酸化技术,该技术具有不动管柱进行酸化、施工工序简单、不影响水井正常生产等优点。

1 螯合酸在线酸化施工装备配套

螯合酸在线酸化施工在长庆油田应用尚属于实验阶段,在长庆井下与油气工艺研究院合作前满足施工作业设备仅有冀东油田采用液压双隔膜计量泵的井口酸化在线装置。长庆井下压裂工艺研究所对螯合酸在线酸化作业的现场进行调研后,借助压裂工艺研究所水力学实验室的试验平台,对现有采用柱塞泵的小型注水撬进行改进升级,使其满足现场作业需要。

经过5口井20小时的现场实验,验证了柱塞泵完全满足螯合酸在线酸化作业需要,但由于注水撬泵体和柱塞抗酸蚀能力较差,且柱塞盘根更换难度较大,压裂工艺研究所委托第四石油机械厂加工定制了具耐酸性的小型注酸撬。

1.1 注水撬现场施工实验

通过对螯合酸在线酸化作业的现场调研,完成了注水撬的性能测试,压力、排量标校,注水撬改进,酸罐撬加工制作,管线工具配套等工作,使设备具备了现场施工的条件。采用改进完成后注水撬先后进行了6口井的螯合酸酸化作业施工。经过充分调研和计算,设计加工一套专用于螯合酸在线酸化作业的注入设备,将柱塞泵与酸罐一体化撬装,选择耐酸能力较强的哈氏合金三缸泵并加装盘根润滑装置,加装动力系统和数据采集系统,使其充分满足螯合酸在线酸化施工需要。

1.2 小型注酸撬现场施工

小型注酸撬优点:(1)设备布局合理、操作简便,现场施工安全性高;(2)设备设计有两级减速装置,保证低排量长期供液的稳定性;(3)所有高、低压管线均采用由壬联接,提高作业安全性;(4)采用联轴器进行动力传动,相比于外雇设备的皮带传动方式,柱塞泵工作更为平稳,安全性高,使用寿命更长;(5)具备完善的数据采集系统,便于现场施工的数据采集;(6)设备设计有夜间照明系统,可满足夜间施工的需求。

2 螯合酸在线酸化施工优化

以往螯合酸在线酸化施工流程主要为:首先将套放闸门连接至水罐,并打开套放闸门,采用注酸泵和注水泵将酸液和清水按1∶1.5的比例替至井筒内,当井筒内酸液达到井筒容积的80%左右时,关闭套放闸门,通过调整排量保证酸液和清水按1∶1.5的比例继续注入,当酸液进入地层,施工压力出现明显下降后,尽可能提高酸液注入排量将酸液完全注完,再用清水顶替到位后结束施工。通常在关闭套管闸门后,压力快速上升,酸液仍在油管内未到达地层,只有降低酸液和清水排量采用小排量注入,致使施工时间都在12小时以上。

为了降低施工用时,我们结合酸化压裂施工经验,将打开套放闸门时,替酸液提高井筒容积的100%,保证关闭套管闸门后酸液迅速进入地层,正常情况下酸液进入地层后施工压力会逐步下降,在酸液全部注入井筒后,倒换注水流程采用注水泵先进行套管反注1~2m3后,再倒回油管正注。如出现酸液进入地层后仍无法正常注入的情况,则采用注水流程进行套管反替将酸液替出。

酸液完全注入井筒后是采用注水泵进行顶替,注酸泵和高压管线会留有残酸,为了解决这个问题,在注酸完成后,通过关闭井口中心阀,倒换注水流程将注水泵来水通过套放管线接入酸罐内,注满后倒换流程关闭注水泵来水闸门,采用注酸泵正注将酸罐内残酸完全注入井内,实现了螯合酸酸液不落地。

3 结论及建议

植物中螯合肽物质的研究方法综述 篇3

通过与植物中一些对重金属具有高亲和力的大分子结合形成络合物, 可以使土壤中自由重金属离子浓度下降, 使得重金属毒性降低。Grill等人在1985年分离纯化得到镉结合肽, 正式命名为植物螯合肽[1] (Phytochelatin, 即PC) 。植物螯合肽是高等植物中分离得到最多的一种重金属结合肽, 是一种富含-SH的多肽, 只能在植物体内形成。植物体内诱导形成植物螯合肽后, 通过-SH络合过量的重金属, 避免了重金属以自由离子的形式在细胞内循环, 从而减少了重金属对细胞的伤害。

多种金属物质比如Ni、Zn、Pb、Cu、Hg、Au、Ag、Sn、Te、Bi的硝酸盐和硫酸盐或Se、As的阴离子都可以诱导植物螯合肽的产生。植物螯合肽在高等植物中普遍存在, 但存在形式与植物种类有关。

2 植物螯合肽的结构

植物螯合肽是由谷氨酸 (Glu) 、半胱氨酸 (Cys) 、甘氨酸 (Gly) 3种氨基酸组成, 一般化学式为 (γ-Glu-Cys) n-Gly (n=2-11)

Grill等人研究发现, 某些植物与重金属接触, 可以产生一系列与植物螯合肽结构相似又不相同的化合物, 称为同源植物螯合肽。植物螯合肽与同源植物螯合肽有三个共同的特征: (1) 谷氨酸 (Glu) 位于氨基酸的末端; (2) 谷氨酸 (Glu) 相邻的碱基为半胱氨酸 (Cys) , 与谷氨酸 (Glu) 以-羟基相连; (3) γ-Glu-Cys被重复两次或更多次。所以, 可以根据以上三个共同特征来识别γ-Glu-Cys肽, 又根据羧基末端氨基酸的不同分为五类如图1。

3植物螯合肽的研究方法

3.1 植物螯合素的生物合成

Grill等人发现, 在许多植物种中存在着植物螯合肽酶促合成过程, 而谷胱甘肽 (GSH) 是植物螯合肽合成的前体, 酶促反应受谷胱甘肽 (GSH) 、PCs-金属螯合物、反应产物及植物螯合肽的调节。例如, 加入与金属螯合足够量的PC2[ (γ-Glu-Cys) 2-Gly]或PC7[ (γ-Glu-Cys) 7-Gly], 可以终止植物螯合肽合成反应。另外添加其它螯合剂, 例如乙二胺四乙酸 (EDTA, Ethylenedi2aminetetraacetic acid) 也能终止植物螯合肽合成反应。

植物螯合肽合成酶 (Mr95000) 可能由四个亚基组成, 其等电点为p H 4.8, 最适p H 7.0, 最适反应温度35℃。

根据Zenk的研究[2], 金属-植物螯合肽螯合物的生物合成过程为:重金属离子经细胞壁和细胞膜, 进入细胞质并激活植物螯合肽合成酶, 在胞质内以谷胱甘肽 (GSH) 为底物酶促合成植物螯合肽, 使重金属离子失去活性, 从而避免一些酶受到损害。金属-植物螯合肽螯合物在ATP的作用下可通过液泡膜转运至液泡, 液泡中金属离子在酸性条件下, 与有机酸结合并在该处累积, 同时释放出植物螯合肽, 后者进一步降解为各种氨基酸, 可以再转移至细胞质参与新的植物螯合肽的合成。

3.2 植物螯合肽的检测

对于PCs的分析, 通常是运用DTNB的方法, 该方法是Grill等[3]人发明的。

镉螯合肽1999年, Ten-Yang Yen等运用nano-ESI-MS/MS和LC/ESI-MS/MS同时检测到PC和PC-Cd的存在, 并且第一次研究报道了植物组织中PC-Cd的大小和特性。Stefan Dring等, 1999年运用m Br B和HPLC在镉处理的黄瓜幼苗中检测到PC, 并且通过比较得出运用m Br B和HPLC从植物中检测植物PCs是一种快速、可靠、灵敏的方法。

铜螯合肽黄玉山[4]等人利用一次Sephadex G250凝胶过滤和2次QAE Sephadex A225离子交换层析的方法, 用Cu Cl2处理 (ρ=20 mg/L) 、在20天龄的紫羊茅 (Festucarubra cv.Merlin) 根中分离纯化了一个铜结合肽。

4 结语

目前关于超积累植物的重金属耐受机理研究已经取得很大进展, 主要有三方面:细胞区间隔离;重金属结合肽的解毒作用;细胞活性氧防御酶系的诱导。植物螯合肽的发现为重金属的解毒机理研究产生了一个新的突破, 尽管植物螯合肽对重金属的解毒作用已经得到了许多方面的证实, 但植物螯合肽与植物抗性的关系, 不同学者的研究结果有不一致的地方, 更加确切的机理需进一步研究。

摘要：有关植物螯合肽 (PCs) 对重金属受耐性的作用, 国内外都进行了不同程度的研究。而对于植物螯合肽 (PCs) 的提取、纯化及合成, 要根据具体重金属的种类不同而有所不同。本文对植物螯合肽 (PCs) 的研究方法进行简要的综述。

关键词：重金属,植物螯合肽,研究方法

参考文献

[1]Grill E, Winnacker EL and Zenk MH.1985.Phytochelatins:the principal heavy-metal complexing peptides of higher plants[J].Science, 230:674-676.

[2]Zenk MH.1996.Heavy metal detoxification in higher plants[J].Gene, 179:21-30.

[3]Grill E, Winnacker EL, Zenk MH (1991) .Methods Enzymol[C].205:333-341.

鲢鱼骨胶原多肽螯合钙的制备研究 篇4

鱼骨自身含有大量的胶原蛋白和钙 ( Ca) 、磷 ( P) 、锌 ( Zn) 、铁 ( Fe) 等矿物质元素［2］, 是开发鱼类蛋白多肽及补钙产品的良好资源。鱼骨作为一种优良的天然钙源, Ca与P近似2∶ 1, 满足人体对钙磷吸收比例的需要［2 － 3］。GILDBERG等［4］、甄润英等［5］和杨露等［6］分别利用蛋白酶处理在鳕 ( Gadus morhua) 、鲶鱼 ( Silurus asotus) 和马面鲀 ( Navodon septentionalis) 鱼骨中提取骨胶原蛋白或制备具有较高生物活性的骨胶原多肽。鱼骨中钙的提取主要通过高温煅烧法、有机酸提取法、螯合法等方法［7 － 10］, 制备出主成分为碳酸钙、乳酸钙及螯合钙等多种补钙制剂。梁春辉等［11］通过比较碳酸钙、葡萄糖酸钙和胶原多肽螯合钙3 种补钙制剂对生长期小鼠的壮骨作用发现, 胶原多肽螯合钙补钙效果显著优于其他补钙制剂。然而, 目前胶原多肽螯合钙制备过程中的钙源多为无机钙源[氯化钙 ( Ca Cl2) 等]［9，12］, 因此需要更多地开展从鱼骨自身提取的有机钙源用于制备胶原多肽螯合钙的工艺研究。

在中国, 鲢 ( Hypophthalmichthys molitrix) 属大宗淡水养殖鱼类, 肉薄、刺多, 泥土与鱼腥味不易去除, 因此销售价格较低。鲢作为一种高产低值淡水鱼, 具有较高的应用和开发价值。笔者试验以新鲜鲢鱼骨为原料, 经破碎、高温蒸煮等前处理, 采用风味蛋白酶对其进行酶解制备鱼骨蛋白多肽, 后沉淀经乳酸活化制备钙液, 将二者进行螯合制备鲢鱼骨胶原多肽螯合钙, 通过优化鲢鱼骨胶原多肽螯合钙制备过程工艺参数, 制备出既补充氨基酸又补充钙的综合补充制剂。

1 材料与方法

1. 1 试验材料

新鲜鲢购于北京小月河水产市场, 活运至实验室。

1. 2 主要仪器及试剂

微量移液器 ( 德国Eppendorf公司出品) ; DS-1 高速组织捣碎机 ( 上海标准模型厂出品) ; FE20梅特勒-托利多实验室p H计[梅特勒-托利多仪器 ( 上海) 有限公司出品]; TGL-16A台式高速冷冻离心机 ( 上海安亭科技仪器厂出品) ; UNICO-2007 分光光度计 ( 美国Unic公司出品) ; FD-1 PF冷冻干燥机 ( 北京德天佑科技发展有限公司出品) ; 三硝基苯磺酸 ( TNBS) , 美国Sigma公司出品; 风味蛋白酶, 广西南宁庞博生物工程有限公司出品; 乙二胺四乙酸二钠 ( EDTA) 、柠檬酸钠、乳酸等均为分析纯。

1. 3 试验方法

1.3.1鲢鱼骨蛋白酶解产物的制备工艺

鲢→击毙→去鳞去内脏去头→冲洗→去两侧肉→鱼排→剁块→加水、高温蒸煮 (121℃、15 min) →纱布过滤、冲洗→鱼骨样→粉碎、匀浆→与去离子水混合[质量体积比1∶1 (g·mL-1) ]→调温度、于自然pH加入风味蛋白酶 (50℃, 加酶量按鱼排质量0.09%计) →灭酶 (95℃, 10 min) →离心 (8 000 r·min-1, 5 min) →去上层脂肪→取上清液→骨胶原多肽液→冷冻干燥→鲢鱼鱼骨蛋白酶解产物。

1.3.2鲢鱼骨和螯合钙基本组成成分测定

粗脂肪质量分数测定采用索氏抽提法 (GB/T5009.6-2003) ;水分质量分数测定采用直接干燥法 (GB 5009.3-2010) ;灰分质量分数测定采用550℃灼烧法 (GB 5009.4-2010) ;蛋白质质量分数测定采用凯氏定氮法 (GB 5009.5-2010) ;钙质量分数测定采用EDTA滴定法 (GB/T 5009.92-2003) 。

1.3.3水解度的测定

采用三硝基苯磺酸法 (trinitribenzenesulfonic, TNBS) [13,14]。取0.01 g冻干酶解产物样品, 用质量分数为1%的十二烷基硫酸钠 (SDS) 溶液稀释至一定浓度 (使样品溶液含有的氨基基团浓度为0.25×10-3~2.5×10-3mol·L-1) 。取0.25 mL的样品溶液混2.00 mL pH8.2磷酸缓冲溶液和2.00 mL 0.1%TNBS溶液, 于50℃暗室中反应60 min后立即加入4.00 mL0.1 mol·L-1HCl终止反应, 室温下放置30 min后在420 nm下测其吸光值。采用0~2.5×10-3mol·L-1L-亮氨酸作标准曲线。水解度的计算公式:

式中AN1和AN2分别表示未水解样品和水解样品中每克蛋白含有的氨基当量 ( mmol·g－ 1) ; F1和F2分别表示未水解样品和水解样品的稀释倍数;htot表示每克原料蛋白质的总的肽键毫摩尔数, 此研究采用鱼骨为原料htot= 8. 6。

1.3.4功能特性

溶解性和热稳定性均参照李雪等[15]的方法测定并作部分修改。称取0.01g酶解产物, 用去离子水配置成10 mL溶液, 用浓度为1 mol·L-1HCl或NaOH将溶液pH调节到4、7或8后于10 000 r·min-1下离心15 min, 上清液中的蛋白质质量分数采用双缩脲法进行测定。将样品溶于0.50 mol·L-1NaOH溶液测定样品的总蛋白质量分数。热稳定性则在样品调pH后于水浴锅中93℃热处理10 min, 立即放入0℃冰水混合物中冷却10 min, 10 000 r·min-1下离心15 min, 蛋白质热稳定性以热处理后上清液蛋白质质量分数与溶液总蛋白质质量分数的百分比表示。溶解性的计算公式:

1.3.5酶解产物感官评价

由7名实验室成员组成评定小组, 对各酶解产物的色泽和风味进行感官评价。采用等级评分, 分别对色泽 (白、微黄、较黄、黄) 和苦味 (无、轻、较轻、稍苦、苦) 进行评价。

1.3.6酶解产物氨基酸组成分析

按照GB/T5009.124-2003中的方法进行测定。

1.3.7钙的溶出及螯合

酶解后将剩余沉淀烘干, 用体积分数为5%的乳酸按质量体积比1∶10 (g·mL-1) 酸化处理一定时间制备骨粉酸解液 (钙液) ;将鲢鱼骨胶原多肽液与钙液在一定条件下进行螯合制备鲢鱼骨胶原多肽螯合钙。

1.3.8钙溶出率

钙质量分数的测定采用GB/T5009.92-2003中EDTA滴定法;钙溶出率的测定参考赵瑞香等[16]的计算方法。

1.3.9钙螯合率

钙螯合率的测定参考陆剑锋等[9]的计算方法。

式中mb和ma分别表示反应前后体系中钙的质量 (mg) 。

1.3.10数据统计分析

采用Excel 2013进行数据处理, 并用Origin 8.6作图;采用最小显著差异法 (LSD) , 用SPSS 20.0进行显著性分析, 显著性水平P<0.05。

2 结果与分析

2. 1 基本成分组成

鲢鱼骨的基本成分见表1。

2. 2 蛋白水解度

鲢鱼骨蛋白经风味蛋白酶酶解之后, 水解度随时间的变化情况见图1。在酶解过程最初1. 5 h内蛋白的水解度上升较快, 而后随着酶解时间的延长水解度变化逐渐减小, 此变化趋势与其他学者关于采用蛋白酶酶解鱼骨的研究报道［17 － 18］相类似。但随着酶解过程的进行, 水解度变化逐渐减小。这可能是由于蛋白酶的酶解位点逐渐减少, 同时酶解体系中游离氨基酸含量逐渐增大, 影响了酶解过程的进一步进行。

2. 3 酶解时间对产品感官品质和功能特性的影响

蛋白酶解过程中随着时间的延长, 酶解产物色泽发生改变, 同时随着疏水性氨基酸逐渐暴露以及苦味肽的产生, 会使产品具有一定的苦味［18］。酶解产物的苦味很大程度地限制了其在食品工业中的应用。选取不同水解程度的样品, 对其色泽、风味进行感官评价后, 结果见表2。随着酶解时间的延长, 酶解产物黄色变深、苦味加重。根据酶解产物的色泽和苦味程度, 选定酶解时间15 ~ 60 min产物进行其溶解性和热稳定性的评价。

根据感官评价结果, 选取酶解时间在15 ~ 60min的酶解产物, 测定其溶解性和热稳定性, 鲢鱼骨蛋白酶解产物的溶解性和热稳定性见图2。经酶解之后, 除了酶解产物 ( 15 min) 在p H 4 条件下溶解性略差, 其他酶解产物在p H 4、7 和8 的溶解性均大于74. 82% ; 且随着酶解时间的延长, 酶解产物的溶解性逐渐增大, 有学者报道这可能是由于随着酶解过程的进行, 蛋白质相对分子质量减小, 暴露出更多的离子化的氨基和羧基基团, 增强了蛋白质的亲水能力, 使得其相应酶解产物溶解性得到改善［19］。酶解产物分别在p H为4、7 和8 时溶解性依次增大, 原因是p H通过影响酶解产物肽段的静电荷数量从而引起其溶解性的变化［20］。酶解产物经热处理 ( 93 ℃、10 min) 之后溶解性略有下降, 但各酶解产物溶解性仍然良好, 尤其30 min、45min和60 min酶解产物其溶解性均大于73. 15% 。这可能是由于经酶解后, 蛋白质分子肽链展开, 利于与水分子之间形成氢键, 使得蛋白质的亲水-疏水平衡得到改善。因此经热处理后蛋白质分子间不容易聚集, 可保持较高的溶解性［21］。

综合考虑酶解产物感官品质和功能特性, 选择酶解30 min为风味蛋白酶酶解鲢鱼骨蛋白适宜酶解时间。

2. 4 酶解产物氨基酸组成分析

对酶解产物进行氨基酸组成成分分析, 各氨基酸质量分数见表3。该酶解产物甘氨酸质量分数最高, 谷氨酸、脯氨酸、丙氨酸、天门冬氨酸及精氨酸等质量分数也相对较高, 而胱氨酸、色氨酸、组氨酸、酪氨酸及蛋氨酸等质量分数相对较少。因此, 其符合典型的胶原蛋白氨基酸组成特征［22］, 可以确定该酶解产物主要成分是胶原多肽。

2. 5 钙溶出率

乳酸钙具有溶解性好、酸味温和适中、易于被人体吸收等特点, 被广泛应用于食品工业。中国已有不少关于采用乳酸提取鱼骨中钙成分制备活性钙粉的研究报道。高浓度的乳酸容易使鱼骨粉糊化, 不利于钙的提取［10，23 － 24］, 同时, 乳酸浓度过高还会导致产品酸度过大, 因此经预试验, 笔者选用体积分数为5% 的乳酸用于鲢鱼鱼骨中钙的提取[骨粉与乳酸质量体积比1∶ 10 ( g·m L－ 1) ]。乳酸提取时间和温度对鲢鱼骨钙溶出率的影响见图3。不同提取温度对鲢鱼骨钙溶出率没有显著影响 ( P >0. 05) , 鲢鱼骨钙溶出率在15 min内迅速上升, 随后趋于平稳, 60 min后基本不变。这可能是由于鱼骨经酶解后, 破坏了羟磷灰石与胶原纤维的有机结合, 从而使鱼骨中钙在短时间内快速溶出。结合产品实际生产成本, 选用提取温度25 ℃, 时间60min为适宜提取条件, 此时鲢鱼骨钙溶出率为27. 31% 。该法与赫美等［25］采用食醋对黄花鱼鱼骨中钙进行提取时钙的提取率相当 ( 27. 79% ) , 而明显大于白艳等［26］采用盐酸提取鳗鱼骨中钙时钙的提取率 ( 22. 29% ) 。

2. 6 螯合条件对鲢鱼骨胶原多肽螯合钙的影响

2.6.1螯合pH对螯合反应的影响

当多肽液与钙液体积比为1∶1, 在40℃条件下反应20 min, 测定pH对多肽螯合钙螯合率的影响。螯合率随pH的变化见图4。pH对螯合率的影响较大, pH<8时螯合率随pH的增大而增大;pH>8螯合率出现轻微下降。这表明过酸或过碱条件都不利于螯合物的生成。酸性条件下, H+与金属离子争夺供电子基团, 不利于螯合物的生成[27];随着pH的升高, 胶原多肽的-NH2和-COOH的配位能力逐渐增大, 但超过一定pH后-OH争夺体系中钙离子而优先生成氢氧化钙沉淀[12]。因此, 选定pH 8为该螯合反应的最佳pH, 此时螯合率为84.87%。

2.6.2螯合时间对螯合反应的影响

在多肽液与钙液体积比为1∶1、pH 8、螯合温度40℃反应条件下, 测定螯合率随反应时间的变化, 结果见图5。螯合率随反应时间的延长不断增加, 20 min后基本趋于平稳, 表明螯合过程主要发生在反应前20 min。陆剑锋等[9]、洪惠等[10]分别在利用斑点叉尾 (Ictalurus punctatus) 和鲽鱼 (Pleuronectidae) 骨制备螯合钙时也曾有类似报道。中国也曾有学者研究发现螯合时间过长可能会导致生成的螯合物重新分解[12,28], 但在笔者试验中并没有出现此现象。因此, 选定螯合时间为30 min为宜。

2.6.3螯合温度对螯合反应的影响

当多肽液与钙液体积比为1∶1, 在pH 8条件下反应30 min, 测定温度对钙螯合率的影响 (图6) 。随着温度的升高, 在25~35℃钙螯合率略有增加, 超过35℃螯合率呈下降趋势。其他学者也有过类似的报道[9,12,28], 说明可能温度过高不利于螯合物的形成。这可能是因为螯合反应自身即为放热反应, 温度过高不利于该反应的进行。所以选35℃为适宜反应温度。

2. 6. 4 多肽液/ 钙液体积比对螯合反应的影响

在螯合温度35 ℃、p H 8 条件下反应30 min, 测定多肽液与钙液体积比对钙螯合率的影响。体积比对钙螯合率的影响见图7。随着多肽液与钙液体积比的增大, 螯合率逐渐增加, 当体积比为1∶ 1 后钙螯合率基本保持不变。张晓霞等［12］采用黑鱼 ( Ophiocephalus argus) 鱼鳞和陆剑锋等［9］采用斑点叉尾鮰鱼骨制备多肽螯合钙有类似报道。因为配体 ( 多肽) 和金属离子 ( 钙离子) 的比例是影响螯合反应的重要条件, 其比例过高或过低会导致多肽或钙的利用率有所下降。多肽液与钙液体积比过小, 反应体系中过多的游离钙导致螯合率的下降; 体积比过大, 螯合率基本保持稳定, 但会导致多肽利用率的下降。综合考虑选用多肽液与钙液体积比1∶ 1。

2.6.5螯合正交试验结果与分析

螯合反应正交试验设计与结果见表3。通过各因素极差大小可以看出, 4个试验因素对钙螯合率的影响程度大小依次为A>D>B>C;其最佳条件为A2B3C3D1, 即pH 8、螯合时间40 min、螯合温度25℃、多肽液与钙液体积比1∶1, 此条件下鲢鱼骨胶原多肽螯合钙的螯合率为85.24%。

注: * . 多肽液与钙液体积比; 括号内为实际值Note: * . volume ratio of CPH to CE; value in brackets are the actual value of each factor.

2. 7 鲢鱼骨胶原多肽螯合钙粉基本成分组成

鲢鱼骨胶多肽螯合钙粉基本组成见表5。

3 结论

1) 采用风味蛋白酶, 在温度50 ℃ , 按原料鱼排质量0. 09% 加入风味蛋白酶酶解鲢鱼骨蛋白30min, 可以制备出具有良好的产品品质和功能特性 ( 溶解性和热稳定性) 的鲢鱼骨胶原蛋白酶解产物。

制备氨基酸螯合钙的研究进展 篇5

学者们一致认为一个良好的钙营养强化剂应具备如下特点:一是要求钙含量高;二是钙的吸收率和生物利用率高;三是安全无毒副作用,不含超标重金属,其水溶液应呈中性。目前国内市场上钙类添加剂从钙源组成来看主要有以下三类:(1)以无机盐为主的产品,如矿产碳酸钙、化学合成碳酸钙、磷酸氢钙、氯化钙等;(2)以普通有机盐为主的产品,如乳酸钙、醋酸钙、葡萄糖钙、柠檬酸钙以及马来酸钙等;(3)具有生物活性的氨基酸钙。前两类钙添加剂存在吸收及生化功能差、具有一定的毒副作用、生物体内元素之间的拮抗作用明显等缺陷,不能满足生物体生长的需要。第三类钙添加剂是钙与氨基酸的螯合物,它具有稳定的化学性能、高的生物效价、无毒、无刺激作用、适口性好等优点,尤其是作为饲料添加剂可起到补充钙元素及氨基酸的双重作用,可降低饲料消耗,提高饲料转化利用率,同时提高钙的生物利用率,减少生物体内各元素之间的竞争性拮抗作用,是较为理想的人和动物钙补充剂。

氨基酸钙是一类金属螯合物,要制备氨基酸钙,就要使金属钙离子与氨基酸分子所形成的配位键稳定。由于不同的氨基酸有不同的分子量和理化性质,其结合钙离子的能力也是各不相同,所以采用各种不同方法以制备不同的氨基酸钙。目前国内外主要有以下几种氨基酸螯合钙的制备方法。

1 水体系法合成氨基酸钙

1.1 酶法制备氨基酸络合物

利用蛋白酶水解液作为氨基酸来源,即用蛋白质水解液中的氨基酸、二肽或其它小肽作为螯合物的配位体[2]。在选择钙源方面也要经过慎重的实验研究,不同的钙源与复合氨基酸反应的程度不同,分别选取Ca(OH)2、CaO、CaCO3、CaCl2为钙源与复合氨基酸进行反应,可观察到其产生的沉淀情况不同。Ca(OH)2、CaO、CaCO3均不易溶于水,且与复合氨基酸不能直接生成沉淀,而CaCl2不仅易溶于水,又可与复合氨基酸直接形成沉淀,故选取CaCl2作为合成复合氨基酸钙的理想钙源。要使螯合物的产率较高,应选取最适宜的配位体摩尔比和pH值、温度等条件,所以应用酶法制备氨基酸螯合钙可经实验研究进一步确定反应的最佳条件。

1.2 高压流体纳米磨技术

高压流体纳米磨为纳米新技术设备,其利用气穴(微米级)在外加高压(达200MPa)下压缩坍塌(微区爆裂)时所产生的高温、高压和超频声波,使液体物流中的固体微粒或液压微滴(<35mm)破碎或分散到纳米量级(<<100nm)的专用设备中去。该设备以水作为介质、载波体和动能载体,利用气穴坍塌原理,在机器内形成超声应力场,为化学反应创造了一个独特的环境[3]。

氨基酸的水溶液在光、热或超声波等外界条件影响下,其共价键发生均裂形成不成对电子的原子团(如氨自由基等),这些自由基多数不稳定,很难单独存在,倾向于自行结合成稳定的分子,或与其他物质的离子、自由基反应形成新的更稳定的分子。1个氨基酸分子的一侧含有1个氨基或氮基,在另一侧含有1个有机酸根或羧基,当形成介质是碱性,没有H+干扰时两侧的羧基和氨基就能在不同位置与金属离子联结形成螯合物。

高压流体纳米磨利用超声波频率达到或接近分子的振动频率时,可使氨基酸分子自由基与钙离子迅速螯合成氨基酸螯合钙。这一专用设备再结合现代化工设备工艺,如原料→预分散→高压流体纳米磨(一步螯合)→喷雾干燥→成品包装,可使工艺全程在密封管道中进行,无三废,无污染,适合于大生产[4],但同时因成本较高而限制其在工业上的大规模推广。

2 微波固相合成氨基酸螯合物

固相配位化学是近年才开展的研究领域,已取得一些成果。但固相配位化学反应理论还很不完善,有待进一步研究。微波加热比传统加热方法具有许多优越性,微波能可直接穿透样品,里外同时加热,不需传热过程,瞬时可达一定温度。微波加热的热能利用率高(能达50%),可大大节约能量,而且调节微波的输出功率,可使样品的加热情况立即无惰性地改变,便于进行自动控制和连续操作。但微波在低热条件下固相合成配位化合物的应用研究还较少。

目前国内学者在利用微波固相合成甘氨酸金属螯合物已取得一定进展。学者们利用乙酸铜、乙酸钴、乙酸镍、乙酸锌与甘氨酸在微波条件下进行固相合成,发现甘氨酸钴、甘氨酸锌的微波辐射固相合成过程中很易熔化,甚至发生炭化现象。在室温及传统加热条件下固相合成中,失重率与产率的大小非常接近,而微波固相合成中,失重率要比产率小[5]。另外国内科研工作者也利用微波技术固相合成了蛋氨酸铜[6]和蛋氨酸锌,通过调节氨基酸与金属盐的配位比、微波的工作功率、微波的辐射时间,并添加以一定量的引发剂,可达到较高的产率。

在实验研究过程中发现微波固相合成具有反应时间短和产率高等优点,但对微波固相合成的研究还不够深入,随着科技的发展,利用该法制备氨基酸螯合物将有进一步的发展。

3 电解法制备氨基酸钙

电解法制备氨基酸钙是利用一种可选择阳离子而不渗透阴离子的特殊膜,将电解池分成阳极室和阴极室,金属阳离子在阳极室可按下列方式进行:

M→M++2e-…………(1)

MCl→M+++Cl2↑+2e-…(2)

(1)式中,阳极是由纯金属构成,溶解形成M++,在阳极室与氨基酸形成螯合物:

M+++2RCH(NH2)COOH→2M+2H+…(3)

此时在阳极室形成的H+透过膜到阴极室,在阴极室形成H2逸出:

2H++2e-→H2↑………(4)

(2)式中,金属氯化物被加到阳极室,按(2)式形成M++,金属阳离子穿透膜进入含氨基酸溶液的阴极室,在阴极室形成H2和氨基酸金属螯合物:

M+++2RCH(NH2)COOH+2e-→2M+2H2↑…(5)

最后由电解液所得溶液喷雾干燥而得产品ML2。该法能耗太高,产率未见报道。

4 离子交换法制备氨基酸钙

近年来本课题组提出一种新型氨基酸螯合钙的制备方法-离子交换法。本方法首先用无机钙离子将阳离子交换树脂转换成钙型,然后按一定摩尔比配制氨基酸与氢氧化钠混合溶液在常温下上柱,收集流出液后真空浓缩、结晶得氨基酸螯合钙制品。该方法具有生产成本低,转化率高,产品纯度高的优点,其工艺条件的控制相对简单,无需严格控制操作条件,在常温常压下即可完成,能在工业上大批量生产氨基酸螯合钙。目前已成功研制出亮氨酸钙制品,如图1和图2所示。

从图可见,L-亮氨酸与钙离子形成螯合物后,它的一些主要吸收峰与L-亮氨酸相比发生了明显的位移。L-亮氨酸在2130 cm-1的-NH3+特征峰在螯合物中完全消失,这与日本特许公报中介绍的α-氨基酸在2100 cm-1处有一特征峰,络合之后该峰就消失的报道一致[3]。所以可断定该产品是L-亮氨酸钙的螯合物。3350 cm-1、3290 cm-1出现了N-H键的反对称伸缩振动Vas(N-H)和对称伸缩振动Vs(N-H)特征吸收峰,它们的频率之间符合公式Vs=345.5+0.876Vas;在1580 cm-1和1420 cm-1出现的吸收峰分别是羧酸根离子的反对称伸缩振动Vas(COO-)和对称伸缩振动Vs(COO-);在557 cm-1和461 cm-1分别存在Ca-N的伸缩振动峰和Ca-O的伸缩振动峰,进一步说明二亮氨酸钙螯合物的形成[4]。该氨基酸螯合钙具有水溶性好,吸收率高,不刺激胃肠等特点,能同时满足人体对补钙补氨基酸的需要。

该成果已在申请发明专利,利用离子交换法制备氨基酸钙的提出改进了国内现有技术的不足,提供了一种新型可生产出具有稳定结构,人体易于吸收的氨基酸螯合钙的制备方法。

参考文献

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[5]陈睿妍,黄雨荪.氨基酸螯合钙的研制.中国药业,2004,13(10):51.

螯合作用 篇6

随着社会快速发展,环境污染治理普遍为人们所关注。针对含重金属废水的污染问题常用的处理方法有化学沉淀法、絮凝法、溶剂萃取法、吸附法以及膜过滤法等。其中,吸附法因吸附材料使用后可以再生,能重复使用,成为人们研究的热点。重金属离子吸附材料既有无机材料(如沸石[1])、天然高聚物(如壳聚糖类[2]),也有人工合成的高聚物,如聚苯乙烯基树脂、聚乙烯亚胺树脂[3]等。

高分子螯合树脂作为一种功能高分子材料,具有合成简便、吸附容量大、易洗脱、不产生二次污染和稳定性好等优点,在有机化工废水、含重金属离子的废水治理等领域受到广泛的关注[4,5,6]。与离子交换树脂相比,螯合树脂与金属离子的结合能力更强,选择性更高[7],被广泛用于富集、分离、分析、回收金属离子等方面。研制新型高分子螯合树脂并用于金属回收和环境保护等方面一直是近年来研究的热点。

氮原子具有孤对电子,与这些金属离子有很强的亲和能力,含氮的螯合树脂对二价的过渡金属离子具有优异的吸附性能,含氮的螯合基团有多胺(如乙二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺等)、胍基和氨基吡啶[8,9,10,11]等。对于多胺型螯合树脂,不仅对重金属离子吸附性能良好,而且具有良好的亲水性,便于在水溶液中使用。

本实验采用悬浮聚合方法,以苯乙烯和丙烯酸为共聚单体、二乙烯苯为交联剂、甲苯和环己烷为混合致孔剂、多乙烯多胺为胺化试剂,合成了多胺型螯合树脂,研究了其对Ni2+的吸附性能,希望获得高吸附容量的Ni2+离子螯合树脂,用于低浓度含镍电镀废水的处理。

1 实验

1.1 主要试剂及规格

丙烯酸(AA),AR,上海凌峰化学试剂有限公司;苯乙烯(St),AR,江苏强盛化工有限公司;二乙烯苯(DVB),工业级,55%;过氧化苯甲酰(BPO),工业级;甲苯,AR,国药集团化学试剂有限公司;环己烷,AR,上海凌峰化学试剂有限公司;二乙烯三胺(DETA),CP,江苏永丰化学试剂厂;聚乙烯吡咯烷酮PVP K30,进口,分装;三乙烯四胺(TETA)、四乙烯五胺(TEPA),CP,上海凌峰化学试剂有限公司;Ni(NO3)2·6H2O,AR,上海恒信化学试剂有限公司。

1.2 AA-St-DVB树脂的合成

在装有搅拌器、温度计、冷凝管的三口烧瓶中,依次加入100g去离子水、1.0g明胶、0.2gPVP K30,升温至40～45℃,搅拌溶解后,加入30g氯化钠,继续搅拌,待溶液透明后,分别加入25g由丙烯酸、苯乙烯、二乙烯基苯按一定比例组成的共聚单位,0.25g引发剂BPO以及一定量的甲苯和环乙烷(质量比1∶1)组成的混合致孔剂,加热搅拌升温至60℃,保温2h后,再升温至70℃,保温6h,继续升温到80℃,保温熟化2h,降温至室温,过滤得产物,外观为白色不透明颗粒。将产物水洗至中性,用石油醚抽提,再水洗3次,干燥至恒重,待用。

改变共聚单体三组分的比例、混合致孔剂用量,重复以上步骤,将得到的树脂备用。

1.3 树脂的胺化

在三口烧瓶中,取10g上述树脂,加入60g甲苯,浸泡过夜,加入物质的量为丙烯酸1.1倍的多乙烯多胺,加热搅拌,回流,脱水反应10h。产物冷却后,过滤,水洗至中性,乙醇抽提,干燥至恒重。重复以上步骤,分别用DETA、TETA、TEPA为胺化试剂,得到不同多胺改性的树脂。

1.4 树脂的吸附性能测试

取6个容量为100mL的具塞锥形瓶,分别加入上一步得到的多胺改性树脂0.5g及50mL 0.01mol/L的Ni2+溶液,在25℃分别振荡0.5h、1h、2h、4h、6h、12h,静置,取上层清液,分别用Vista-Ax全谱直读等离子体原子发射光谱仪(ICP-AES)测定上层清液中Ni2+的浓度。

2 结果与讨论

2.1 交联剂用量对树脂吸附Ni2+性能的影响

以DVB为交联剂AA、St为共聚单体,在n(AA)∶n(St)=1.45、混合致孔剂用量为共聚单位质量的50%、TETA为胺化试剂的条件下,通过改变DVB的用量(占共聚单位的质量分数),合成了一系列多胺型吸附树脂,其吸附结果见表1。

从表1中可以看出,交联剂用量在15%时,树脂的吸附性能最佳。交联剂用量低于20%时,树脂的吸附性能变化不大;但随着交联剂用量的增加,吸附容量有所减小。这可能是因为随共聚体系中DVB用量的增加,交联密度过大,使后续的胺化反应难以进行,功能基团含量减少,所以树脂的吸附容量也相应减少。

2.2 共聚单体比例对树脂吸附Ni2+性能的影响

在选择交联剂用量为共聚单体质量的10%、致孔剂用量为共聚单位质量的50%的条件下,改变共聚单体中AA和St物质的量比,研究了AA和St不同比例聚合后对树脂吸附性能的影响,其吸附结果见表2。

从表2中可以看出,当n(AA)∶n(St) 从1.45增加到2.17时,树脂吸附容量增大非常明显。当交联剂用量为10%(质量分数)时,随着AA含量的增加,树脂的形状越来越不规则。当n(AA)∶n(St)为1.45和2.17时,产物为粒径较均一的小颗粒状,形状比较规整。

在含羧基的微球中,羧基的主要存在方式有:(1)结合在颗粒表面上,为“表面结合酸”;(2)“埋没”在颗粒内部,为“包埋酸”。随着AA含量的增加,所得树脂颗粒表面结合羧酸和包埋酸的量都有所增加。由于颗粒的表面积有限,树脂表面羧基量的增加不如包埋酸增加得显著。因此,随着AA含量进一步增加,树脂中表面羧基基团含量的增加并没有AA含量增加得显著。因包埋的羧基很难胺化,使得胺化反应接入的多胺基团增加不明显,而包埋的羧基很难胺化,这些都使AA含量在增加到一定量后,胺化后树脂吸附金属离子的效果并没有很明显的提高[13]。

2.3 致孔剂用量对树脂吸附Ni2+性能的影响

致孔剂用量对树脂的吸附性能有很大影响。在交联剂用量为共聚单体质量的10%、n(AA)∶n(St)=2.17条件下,改变致孔剂占共聚单体的质量分数,研究其对吸附Ni2+的影响,结果见表3。

从表3中可以看出,随着致孔剂用量的增加,树脂吸附Ni2+的能力增强。这可能是因为当致孔剂数量很少时,仅仅在聚合物结构中生成体积大小与致孔剂分子相当的孔穴或微孔[13],多胺分子难以进入聚合物内部,使得胺化程度低;而当致孔剂用量增加时,则在聚合物结构中生成体积大于聚合物体积有断续的微孔,胺化程度提高,同时有利于吸附离子的运动,树脂吸附性能也有所提高。

2.4 功能基团结构对树脂吸附Ni2+性能的影响

为了考察树脂中多乙烯多胺结构对树脂吸附性能的影响,在交联剂用量为共聚单位质量的15%、n(AA) ∶n(St)=2.17、致孔剂用量为共聚单位质量的50%的树脂上引入不同结构的多胺,在相同的条件下测定了树脂的吸附性能,其结果如表4。

从表4中可以看出,多乙烯多胺的结构对树脂吸附Ni2+的影响明显。DETA为胺化试剂时树脂的吸附效果最佳,TEPA为胺化试剂时树脂的吸附效果最差。这是因为多胺是吸附Ni2+的功能基团,而胺化树脂吸附Ni2+的性能与功能基团的含量密切相关。DETA的分子量较小,在树脂胺化过程中容易进入树脂颗粒内部,提高了树脂的胺化程度,引入的吸附Ni2+的功能基团多,吸附Ni2+的容量大;随着多胺分子量的增大,树脂胺化时大分子多胺难以进入树脂颗粒内部,引入的吸附Ni2+的功能基团少,所得吸附树脂吸附Ni2+的性能降低。

2.5 吸附条件对树脂吸附Ni2+性能的影响

对交联剂用量为共聚单位质量的15%、n(AA) ∶n(St)=2.17、致孔剂用量为共聚单位质量的50%、DETA为螯合功能基团的多胺型树脂进行了吸附条件的研究。

2.5.1 pH值对树脂吸附Ni2+性能的影响

在不同pH值的Ni2+水溶液中考察了树脂吸附容量的变化,其结果见表5。

从表5中可以看出,pH值对树脂吸附Ni2+的性能影响很大,当pH值约为5.0时,树脂的吸附容量最大,达到37.7mg/g。当pH值较小时,即酸性条件下,胺基上质子化作用和螯合作用是相互竞争的,pH值越小,质子化作用越明显,而发生螯合作用的胺基越少,从而影响了树脂对金属离子的配位,其吸附性能有所下降;随着pH值的增大,树脂的吸附性能也有所下降。

2.5.2 吸附时间对树脂吸附Ni2+性能的影响

从表6中可以看出,吸附容量随着时间的延长而增大,0.5h之前吸附速率最快,在4h后,吸附速率显著下降。

2.6 树脂的红外光谱分析

采用美国Nicolet 460型傅立叶变换红外光谱仪,分别对AA-St-DVB树脂、TEPA改性后的树脂、DETA改性后的树脂、TETA改性后的树脂作红外光谱吸收图,结果如图1所示。图1(a)为AA-St-DVB树脂,在1704.8cm-1处为C=O的强吸收峰;图1(b)为TEPA改性后的树脂,在1556.3cm-1处为酰胺C-N-H的特征吸收峰;图1(c)为DETA改性后的树脂,在1556.9cm-1处为酰胺C-N-H的特征吸收峰;图1(d)为 TETA 改性后的树脂,在1557.4cm-1附近处为酰胺C-N-H的特征吸收峰。从图谱对比说明,DETA、TETA、TEPA已经分别接入到AA-St-DVB树脂中。

3 结论

以丙烯酸和苯乙烯为共聚单体、二乙烯苯为交联剂、甲苯和环己烷为混合致孔剂、BPO为引发剂、明胶和PVP K30为分散剂,采用悬浮聚合法,可获得外观规整、粒径均一的合成树脂,利用树脂羧基和多胺反应,获得了多胺型螯合树脂。研究表明,以二乙烯三胺为螯合基团,当pH=5时,螯合树脂吸附Ni2+的性能最佳,吸附容量达37.7mg/g,优于目前的离子交换树脂。

摘要：采用悬浮聚合方法,以丙烯酸和苯乙烯为共聚单体、二乙烯苯为交联剂、甲苯和环己烷为混合致孔剂,引入多胺基团,合成了一系列多胺型螯合树脂。研究了共聚单体比例、致孔剂用量、交联剂用量、多胺基团结构以及吸附条件对树脂螯合金属镍离子性能的影响。研究表明,在n(AA):n(St)=2.17、交联剂用量(占共聚单位质量)15%、致孔剂用量(占共聚单位质量)50%的条件下合成的树脂外观规整。以二乙烯三胺为螯合基团,在pH=5时,树脂吸附Ni2+的性能最佳,吸附容量达37.7mg/g,优于目前的离子交换树脂。

铁皮石斛增施腐殖酸螯合肥试验研究 篇7

1 材料

1.1 供试石斛

普通栽培硬脚铁皮石斛一年生驯化苗。

1.2 供试肥料

1.2.1 常规基肥腐熟羊粪1 400kg/667m2, 油菜饼600kg/667m2 (腐熟后施用) 。

1.2.2 腐殖酸螯合肥10kg/667m2, 宁夏惠森隆农业科技有限公司生产 (有效成分:氮、磷、钾≥50%, 其中氮≥18%、腐钾≥24%、腐磷≥4%;腐殖酸、生物腐殖酸≥10%;有机质≥20%) 。

1.3 时间

2014年3月18日施常规基肥及腐殖酸螯合肥后, 移栽一年生铁皮石斛驯化苗。2015 年9 月22 日, 组织田间验收。

1.4 地点

贵州省习水县桃林乡沙溪村。试验点海拔680m;年降雨量1 150mm;年日照时数1 200h, 日照率28%;年均温度12.9℃。

2 方法

2.1 试验设计

采用对照试验:处理 (A) :在常规基肥的基础上, 加施腐殖酸螯合肥10kg/667m2。对照 (B) :常规基肥, 羊粪:1 400kg/667m2, 油菜饼:600kg/667m2。重复3 次, 每个小区面积5m2, 全部试验安排同一大棚中。实验密度:180株 (丛) /m2。即12.00万株/667m2。田间布置如图1所示。

2.2 田间管理

采用大棚常规管理, 适时浇水, 施追肥若干次 (生长季节叶面喷施牛、羊粪水泡的上清液作追肥, 每月2~3次) ;及时防治病虫害。

2.3 田间验收

2015年9月22日, 组织相关专家对该试验项目进行验收, 考虑该试验所涉及的铁皮石斛市场价值昂贵, 且该铁皮石斛未完全成熟, 故采用全苗床起苗, 抖净泥沙, 称鲜重 (含茎、根、叶) 。获得数据后, 再将该苗移栽至棚内。

3 结果

试验结果表明, 增施腐殖酸螯合肥可显著增加铁皮石斛茎的生长速度, 在6个月的生长时间内, A组较B组平均茎长增加7.79cm, 增加31.72%;显著增加铁皮石斛的根系数量, A组较B组平均每株增加1.4条, 增加16.28%;显著增加铁皮石斛根的生长速度, A组较B组根长平均增加3.14cm, 增加26.94%;显著提高铁皮石斛的鲜产量, 平均每区增加铁皮石斛鲜重0.97kg, 每667m2增加129.40kg, 增加11.51%, 按市场价400 元/kg计算, 每亩可增加产值51 760元, 去除增加成本150元/667m2, 每667m2可增加纯收入51 610元, 显著增加铁皮石斛种植户的经济效益。见表1、表2、表3、表4、表5。

(kg/区)

注:t=14.5000, P=0.0047。

(cm)

注:t=7.9661, P=0.0154。

(条/株)

注:t=9.8649, P=0.0101。

(cm)

注:t=10.8080, P=0.0085。

注:*P<0.05, **P<0.01。

4 结论

在目前积极倡导生态环保原则下, 化肥已渐渐退出铁皮石斛的栽培用肥。实验表明, 仅用羊粪、油菜饼作基肥, 并配合以叶面喷施牛、羊粪水泡的上清液作追肥, 不能完全满足铁皮石斛生长对各种养分的需求。若在使用羊粪、油菜饼肥作基肥基础上, 增施10kg/667m2 (即15g/m2) 腐殖酸螯合肥, 每667m2增加投入仅150元 (该肥市场价为15 000元/吨) 可使产量差异显著。同时, 从苗床可明显看出, 增施腐殖酸螯合肥的铁皮石斛叶色嫩绿, 生长势旺盛。结果表明, 增施腐殖酸螯合肥的铁皮石斛茎长、单株根数和根长均显著增加。因此, 在施用腐熟羊粪1 400kg/667m2和油菜饼600kg/667m2基础上, 增施10kg/667m2的腐殖酸螯合肥效果显著, 该肥料可在铁皮石斛大棚生产中大面积推广使用。

摘要：探讨在常规施基肥的基础上, 每亩增施10kg腐殖酸螯合肥对铁皮石斛产量的影响, 为腐殖酸螯合肥在铁皮石斛大棚生产的大面积推广提供理论依据。