二氯化N_N-二(十二烷基二甲基)-3-氧杂-1，5-戊二铵的缓蚀及生物膜下杀菌机理

第十三届全国缓蚀剂学术讨论会论文集284二氯化N,N-二(十二烷基二甲基)-3-氧杂-1，5-戊二铵的缓蚀及生物膜下杀菌机理黄金营1郑家　付朝阳（华中科技大学化学系，武汉，430074）摘要：双季铵盐化合物是一种具有广阔应用前景的表面活性剂。本文以二氯乙醚为联接剂，利用脂肪叔胺合成了一种长链的双季铵盐类化合物（简称BQA），用交流阻抗、扫描电子显微镜（SEM）等方法研究了BQA在Q235钢表面的吸附、缓蚀及对生物膜下硫酸盐还原菌的杀灭机理。研究结果表明：在模拟油田水介质中BQA对碳钢具有较为显著的缓蚀作用，与传统杀菌剂相比具有更好的渗透杀菌性能。关键词：双季铵盐，交流阻抗，生物膜，机理硫酸盐还原菌引起的金属腐蚀普遍存在于众多工业领域，往往造成严重的后果。杀菌剂被认为是控制微生物腐蚀的重要手段，但许多杀菌剂对浮游微生物的抑制效果好，而对附着微生物则无明显杀灭效果，这是因为杀菌剂透过生物膜较为困难，而附着微生物恰是造成腐蚀及形成沉积的主凶[1]。双季铵盐是一种具有广阔应用前景的化合物[2]。在过去十几年内，人们在双季铵盐类化合物的合成方面做了许多工作。但远没有象单季铵盐化合物那样系统，在这方面还有许多工作可以进行，随着新型表面活性剂的发展，这一领域将更为活跃。文中以二氯乙醚为联接剂，合成了一种长链的双季铵盐类化合物二氯化N,N-二(十二烷基二甲基)-3-氧杂-1，5-戊二铵（简称BQA），利用交流阻抗、扫描电子显微镜（SEM）等方法研究了BQA在金属表面的吸附、缓蚀及对生物膜下SRB的杀灭性能，同时对其缓蚀、杀菌机理进行了分析探讨。1实验方法1.1二氯化N,N-二(十二烷基二甲基)-3-氧杂-1，5-戊二铵的合成将一定摩尔量的二氯乙醚、十二烷基叔胺与乙腈在四口烧瓶中混合，在不断搅拌下升温至乙腈回流，再连续反应8小时，溶液逐渐浅黄色，停止搅拌。蒸出乙腈，真空干燥并进一步用丙酮洗涤提纯得到目标产物二氯化N,N-二(十二烷基二甲基)-3-氧杂-1，5-戊二铵(简1作者:黄金营（1972.12－），男，华中科技大学材料科学与工程学院材料学专业博士生。联系人：郑家　教授、博导Tel：027-87543432E-mail:[e-mail]二氯化N,N-二(十二烷基二甲基)-3-氧杂-1，5-戊二铵的缓蚀及生物膜下杀菌机理285称BQA)，结构如下：NC12H25CH3CH3Cl2NCH3CH3H25C12CH2CH2OCH2CH21.2缓蚀性能实验1.2.1实验介质及材料实验介质由分析纯化学试剂和二次蒸馏水配制而成，其组成见下表：Table1Compositionofthesimulatedoilfieldwater表1模拟油田水的组成离子类别Ca2+Cl-SO42-Mg2+HCO3-Na+总矿化度含量（mg/L）270068588174044062442704116796为了防止在配制过程中产生大量碳酸钙沉淀，分别将各离子成分配成溶液，并在搅拌下混合。实验介质配制好后，首先通高纯N2除氧12小时以上，然后通CO21小时，最后溶液澄清，密闭备用。无特殊说明，所有实验测试均在恒温水浴槽中进行，温度控制在40±1℃。1.2.2交流阻抗测试实验交流阻抗测试仪器由Solartron1250FRA频率响应分析仪和Solartron1286ECI电化学接口组成，阻抗测试与数据采集交换由SI1091测试软件完成。阻抗测量频率0.005～105Hz,交流激励信号幅值10mV。交流阻抗谱的解析采用Zview软件。1.2.3缓蚀吸附膜微观分析实验试片为15×15×2mm的Q235钢片。实验前用金相砂纸逐级打磨抛光至境面，再用金刚石研磨膏逐级抛光至0.3mµ，二次蒸馏水和丙酮清洗后浸入加有100mg/LBQA的模拟油田水介质中，40℃下密闭浸泡5天后取出试片，用二次蒸馏水冲洗试样表面，然后采用JEOLJSM-35C扫描电子显微镜对试片表面的腐蚀沉积产物进行微观分析测试。1.3杀菌性能实验利用中原油田某采油厂污水中分离提纯获得的硫酸盐还原菌（SRB）作为菌种，经鉴定为普通脱硫孤菌[3](Desulfovibrio)。含SRB的生物膜的制备：将Q235钢试片（或Q235钢电极），用金相砂纸打磨至镜面，无水乙醇脱脂，干燥后置于干燥器中，放于紫外线下消毒备用。在500ml广口瓶中注满接种有SRB的培养基，通氮赶氧后，放入试片(或电极)，用石蜡将瓶口封严。置于恒温箱中，培养3～4天，即可通过SPA400扫描探针显微镜观察到试片（或电极）表面生成了一层菌膜与腐蚀产物膜的混合物（生物膜）。用经紫外消毒的刷子将生物膜刷到已灭菌的生理盐水中，用绝迹稀释法测盐水的含菌量，然后再按照APIRP-38所推荐的杀菌方法进行杀菌性能实验。第十三届全国缓蚀剂学术讨论会论文集2862结果及讨论2.1交流阻抗分析交流阻抗技术是利用小幅度正弦波电压或电流对电极体系进行扰动，同时记录相应的相应信号，再结合等效电路模型来评价缓蚀体系的电化学分析方法。02505007501000-750-500-2500250Z'/Ohm.cm2Z''/Ohm.cm2blank100mg/LBQA10-310-210-1100101102103104105100101102103104Frequency(Hz)|Z|blank100mg/LBQA10-310-210-1100101102103104105-75-50-25025Frequency(Hz)thetaFig.1Nyquistdiagramsforcarbonsteelinoilfieldproductionwatercontainingdifferentbisquatscompounds图1碳钢在空白和含100mg/lBQA的模拟油田水介质中的Nyquist图从图1中可以看出，双季铵盐化合物BQA在模拟油田水介质中的阻抗谱具有双容抗弧，这也是缓蚀吸附体系的阻抗谱通常具有的特征[4-5]，与图2所示的等效电路对应：Fig.2ThesimplifiedequivalentcircuitforcarbonsteelinsimulatedoilfieldwatercontainingBQA图2碳钢在含BQA的模拟油田水介质中的交流阻抗的等效电路图其中Cdl是电极/溶液界面电容，Rs为溶液电阻，Rt为Q235钢腐蚀反应传递电阻，Rf和Cf是由吸附过程所引起的吸附电阻和吸附电容，用来表征由于吸附引起的电极表面状态变化而产生的第二个容抗弧。当反映缓蚀剂吸附过程的弛豫时间常数（RfCf）与双电层电容Cdl和Rt组成的充放电过程的弛豫时间常数CdlRt相差很大时，低频区的容抗弧接近半圆。如果上述条件不能得到满足，则最后的阻抗谱成为一个变形的容抗弧，而在Bode图上，阻抗谱只有一个时间常数特征。图1中的阻抗谱就是属于这种情况。二氯化N,N-二(十二烷基二甲基)-3-氧杂-1，5-戊二铵的缓蚀及生物膜下杀菌机理287Table2Parametricestimationinequivalentcircuit表2等效电路拟合参数Rs(Ω.cm2)Cdl-T(µF.cm-2)Cdl-PRt(Ω.cm2)Cf-T(µF.cm-2)Cf-PRf(Ω.cm2)blank1.177433.290.860.0204603.40.18510.9BQA1.311586.060.8378.943951.60.502336由表2结果可以看出，相对于空白溶液，其Rt增加，Cdl-T下降，表明BQA能够在电极表面吸附且对Q235钢有明显的缓蚀作用。2.2BQA在碳钢试片表面吸附膜的研究为了更深刻地表征缓蚀剂的吸附缓蚀行为，利用扫描电子显微镜研究了BQA在碳钢表面所形成的缓蚀吸附膜的物理化学性质。图3是Q235钢片在空白和添加有100mg/LBQA的模拟油田水中、40℃条件下密闭浸泡120小时后的扫描电子显微镜（SEM）照片。从SEM图上可看出，Q235钢片在空白腐蚀介质中呈现典型的均匀腐蚀特征，而浸在加有BQA缓蚀剂的腐蚀介质中的碳钢试片表面则明显可以发现有缓蚀剂吸附膜的存在，这与交流阻抗的解析结果一致。(a)(b)Fig.3SEMphotographsofthesurfaceforQ235steelafter120himmersionperiodinsimulatedoilfieldwaterwithandwithout100mg/LBQA:(a)blank(b)BQA图3碳钢试片在空白和含100100mg/LBQA模拟油田水介质中的SEM腐蚀形貌图2.3对生物膜内SRB的杀灭效果对比及杀菌机理探讨杀菌实验选用十二烷基二甲基氯化苄（俗称1227）与BQA作为对比，结果如表3：第十三届全国缓蚀剂学术讨论会论文集288Table3Thecontrastexperimentsof1227andBQAagainstSRBinthebiofilm表3对生物膜下SRB的杀菌效果对比实验Concentration,mg.L-1501002003004001227+++++++++++++++-----BQA++++++--------------Note:theoriginalbacterianumberis～106cells.mL-1生长于生物膜内的微生物比溶液里的微生物更难杀死，两种杀菌剂对钢片生物膜内的SRB杀菌浓度都较杀灭介质中SRB的浓度高；这可能是由于杀菌剂较难渗透到生物膜里面与微生物接触，而且吸附在钢片表面的SRB被一层气膜所包裹，使药剂与菌体的接触受到阻碍，不易SRB杀死[6-7]。在该杀菌实验中，BQA的渗透杀菌性优于“1227”，这可能是由于“1227”在油田系统中的长期普遍使用，使油田污水中的硫酸盐还原菌对其产生了一定程度的抗药性，从而使其杀菌活性降低。同时，因为含醚链基团的双季铵盐BQA中氧的电负性较强，有较强的吸电子性，由于氧的强吸电子能力，两个季氮原子上的正电性增强，使其在菌体表面有较好的吸附。3结论本文所合成的含醚链基团的双长链季铵盐化合物BQA在模拟油田水介质中对碳钢电极具有较为显著的缓蚀吸附效果；因为BQA中氧的电负性较强，有较强的吸电子性，由于氧的强吸电子能力，两个季氮原子上的正电性增强，使其在菌体表面有较好的吸附，且对生物膜下的硫酸盐还原菌具有比传统杀菌剂“1227”更好的杀灭效果。参考文献[1]刘宏芳,董泽华,范汉香等.杀灭表面粘附菌膜中硫酸盐还原菌的研究[J].油田化学,1997，14(2)：152～155[2]包永照.季铵盐的研究进展[J].精细化工，2002，19（8）:14[3]R.E.布坎南等著.伯杰氏细菌鉴定手册.北京：科学出版社（第八版），1984：579～585[4]曹楚南.腐蚀电化学[M].北京:北京工业出版社，1994:131[5]宋诗哲.腐蚀电化学的研究方法[M].北京:化学工业出版社，1986:154[6]J.W.Costerton.InfluenceOfBiofilmOnEfficacyOfBiocidesOnCorrosion-CausingBacteria[J].MaterialsPerformance,1984,23(2):13～17[7]陈六平.生物膜与生物污损[J].腐蚀与防护，1996，6：1～8