海水循環冷卻是一種以海水 替代淡水作為冷卻介質的冷卻技術，其要解決的關鍵技術問題之一是控制海水中微生物的大量繁殖，以防止其黏附在冷卻系統內壁，影響冷卻效果，甚至阻塞管道，損壞冷卻系統〔1〕。向循環水系統中投加菌藻抑制劑是目前控制微生物用的最多也最有效的方法〔2〕 。海水的高鹽度、高pH等復雜條件對殺菌劑的性能及使用影響較大，然而目前關于殺菌劑在海水系統的殺菌性能及應用研究的報道卻很少。
目前，工業循環冷卻水中常用的季銨鹽殺菌劑為單頭基單烷烴鏈季銨鹽，如潔爾滅、新潔爾滅等〔3〕。這類殺菌劑雖具有高效、低毒、不易受pH變化影響等特點，但存在易起泡沫，礦化度較高時殺菌效力降低，容易吸附損失，長期單獨使用易產生抗藥性等缺點。雙季銨鹽是通過連接基團將2個單季銨鹽分子在其親水頭基或接近親水頭基處連接起來的一類季銨鹽，具有殺菌效果好、毒性低、水溶性好等特點，受到人們的廣泛關注〔4, 5〕。雙季銨鹽殺菌劑的結構可調節性較大，烷烴鏈長度、連接基團長度以及反離子種類等都會對殺菌效果產生一定影響〔6, 7〕。例如毛學強等〔6〕研究合成了系列雙季銨鹽殺菌劑n-2-n(n=8，10，12，14)，并研究了其殺菌性能，發現隨著疏水鏈長n的增大，其殺菌能力增強。孫玉梅等〔7〕的研究結果表明，對于對稱和不對稱的雙季銨鹽殺菌劑來說，當烷烴碳鏈長度接近12時具有最好的殺菌效果，碳鏈長度高于或低于12時殺菌效果變差，而與分子結構對稱度關系不大。目前，關于雙季銨鹽分子結構與殺菌性能之間的關系尚不十分明確，還需做更深入細致的研究。
本實驗室合成了一系列結構不同的m-s-m型雙季銨鹽殺菌劑，通過實驗研究了該雙季銨鹽殺菌劑對海水中異養菌的殺菌性能，并選擇2種單季銨鹽殺菌劑進行對照;同時，對烷烴鏈長及連接基團對雙季銨鹽殺菌劑殺菌性能的影響從殺菌機理角度進行了分析，以期為開發和篩選新型海水系統用菌藻抑制劑提供參考。
1 實驗部分
1.1 試劑及儀器
殺菌劑：十二烷基三甲基溴化銨(TCI，純度>97%)，十二烷基二甲基芐基氯化銨(sigma，純度>99%)，雙季銨鹽殺菌劑(實驗室合成，純度>95%)〔8〕。
儀器：恒溫水浴鍋，天津中環科技開發公司;恒溫培養箱，德國Binder公司;生物安全柜，力康發展有限公司;蒸汽壓力滅菌器，日本ALP公司。
實驗所用海水取自浙江國華寧海電廠所在海域，水質主要參數如下：pH 8.07，鹽度2.3%，總堿度(以CaCO3計)159 mg/L，Ca2+ 305.76 mg/L，Mg2+ 1 002.62 mg/L，Cl- 6.06 g/L。
1.2 殺菌劑性能評價方法
按照ASTM E645菌藻抑制劑性能評定標準方法，稀釋用海水在實驗前均作滅菌處理，然后接入相同量的菌懸液，使實驗起始菌量(以CFU計)達到105～106 mL-1，然后加入殺菌劑進行處理。空白對照接菌后不投加殺菌劑。殺菌劑作用1 h后，采用平皿計數法，在(29±1) ℃下培養72 h，然后對被測試樣中的細菌數進行計數，并對照空白樣計算殺菌率。
2 實驗結果與討論
2.1 雙季銨鹽殺菌劑
本研究所用雙季銨鹽殺菌劑(純度>95%)均為實驗室合成，表示為m-s-m，m為烷烴鏈碳原子數，s為連接基團碳原子數。其結構如圖 1所示。
?圖 1 雙季銨鹽殺菌劑結構示意
2.2 殺菌劑對海水中異養菌的殺菌性能及構效關系
2.2.1 雙季銨鹽與單季銨鹽殺菌性能比較
表 1給出了5種具有相同烷烴鏈長的季銨鹽殺菌劑在海水中的殺菌性能，其中雙季銨鹽殺菌劑的連接基團稍有不同，2種對照單季銨鹽分別為十二烷基三甲基溴化銨和十二烷基二甲基芐基氯化銨，前者與雙季銨鹽的單體結構相同，后者則是常用水處理殺菌劑1227的有效成分。
由表 1可見，與對照的2種單季銨鹽相比，雙季銨鹽的殺菌性能明顯優于單季銨鹽。當殺菌劑質量濃度為5 mg/L時，所有雙季銨鹽殺菌劑的殺菌率均達99%以上，對照單季銨鹽十二烷基三甲基溴化銨未起效，十二烷基二甲基芐基氯化銨的殺菌率僅為21.75%。達到相同的殺菌效果，雙季銨鹽的投加量僅為單季銨鹽的1/10～1/20。
季銨鹽殺菌劑的殺菌特性是通過陽離子頭基吸附在帶負電荷的細菌表面，改變了細菌細胞壁的通透性，同時烷烴鏈可與細胞的類質層發生疏水作用而插入其中，導致細胞內酶失活和蛋白質變性〔9〕。因此，頭基的離子強度和烷烴尾鏈的疏水作用兩方面因素決定了季銨鹽殺菌劑的殺菌性能。雙季銨鹽殺菌劑通過連接基團將2個單季銨鹽連接起來，限制了離子頭基的距離，增加了離子基團的電荷強度，同時帶來高烷烴鏈密度，使得雙季銨鹽吸附細菌的能力提高，與細胞膜的疏水作用增強，因而殺菌性能優于單季銨鹽。
海水是高鹽度復雜水溶液，殺菌劑在海水中的殺菌效果會受到一定影響。文獻〔10〕報道，十二烷基二甲基芐基氯化銨對淡水中異養菌的殺菌率在其質量濃度為5 mg/L時可達98.4%，優于本研究中十二烷基二甲基芐基氯化銨在海水中的殺菌效果。原因在于季銨鹽殺菌劑殺滅細菌的第1步是通過靜電作用與細菌結合，然而海水中大量鹽的存在會屏蔽二者所帶電荷，從而削弱靜電作用，抑制殺菌劑與細菌的結合，因而相比于淡水，相同濃度殺菌劑在海水中的殺菌效果較差。雙季銨鹽殺菌劑與單季銨鹽有著相似的殺菌機理，因此殺菌效果也將受到海水鹽度的影響。
2.2.2 連接基團對雙季銨鹽殺菌劑殺菌性能的影響
A. Laatiris等的研究認為〔4〕，雙季銨鹽殺菌劑的殺菌性能僅與烷烴鏈長有關，而與連接基團無關。然而本研究的結果顯示，雙季銨鹽殺菌劑的殺菌性能與連接基團具有一定的相關性。圖 2為12-s-12(s=4，6，8)系列雙季銨鹽殺菌劑的殺菌率隨濃度的變化情況。
?圖 2 雙季銨鹽12-s-12的殺菌率隨濃度的變化情況
由圖 2可知，烷烴尾鏈相同時，隨著連接基團碳原子數的增加，雙季銨鹽殺菌劑的殺菌效果更好。
季銨鹽殺菌劑是一種離子型表面活性劑，其在水中可通過烷烴鏈的疏水作用自組裝形成分子聚集體即膠束，形成膠束的最小濃度稱為臨界膠束濃度(CMC)。CMC越小，則表面活性劑自組裝能力越強。研究表明，陽離子季銨鹽表面活性劑與帶負電的大分子或微粒作用時，可通過靜電作用結合于大分子或微粒表面，而溶液中游離的季銨鹽分子可通過疏水作用在大分子或微粒表面形成分子聚集體，從而導致局部表面活性劑分子濃度較大〔11〕。當季銨鹽殺菌劑通過靜電作用結合在細菌表面時，殺菌劑分子本身的自組裝能力會使細菌表面局部殺菌劑濃度增大，導致細菌死亡。因此，季銨鹽殺菌劑的殺菌性能在一定程度上取決于其自組裝的能力，即CMC值。研究表明〔8〕，當4＜s＜10時，雙季銨鹽12-s-12的CMC隨s的增大而減小，即自組裝能力隨s增大而增強。對于烷烴鏈長相同的雙季銨鹽殺菌劑12-s-12（s=4，6，8），其殺菌性能則隨連接基團的增加而增大。
2.2.3 烷烴鏈長對雙季銨鹽殺菌劑殺菌性能的影響
毛學強等〔6〕在研究雙季銨鹽殺菌劑n-2-n(n=8，10，12，14)的殺菌性能時發現，隨著烷烴鏈長n的增大，其殺菌能力增強。然而本研究顯示，并非烷烴鏈越長殺菌性能越好。圖 3為m-6-m(m=12，14，16)系列雙季銨鹽殺菌劑的殺菌率隨濃度的變化情況。
?圖 3 雙季銨鹽m-6-m的殺菌率隨濃度的變化情況
由圖 3可知，對于m-6-m系列雙季銨鹽殺菌劑，烷烴鏈長為14時，殺菌效果最好，當其質量濃度為0.5 mg/L時，殺菌率可達97%以上;烷烴鏈長為12時，殺菌效果次之;烷烴鏈長為16時，殺菌效果最差。同時，對單季銨鹽殺菌劑的殺菌性能研究也表明，作為殺菌劑季銨鹽的烷烴鏈僅在一定范圍內表現出較好的殺菌性能，當烷烴碳原子數≤10或≥16時，殺菌劑的殺菌能力較小，當碳原子數為14時，殺菌能力最強〔12〕。
從殺菌機理角度看，季銨鹽殺菌劑進入細菌細胞內部與季銨鹽的親脂性(碳鏈長度)有關，當碳鏈長度為12~14時，其具有最適合的親脂性，因而最易進入細胞類脂層，破壞細胞通透性，使細胞內物質外滲，導致細胞死亡。因此，季銨鹽殺菌劑的烷烴鏈長在此范圍內方可表現出良好的殺菌性能。具體參見污水技術資料更多相關技術文檔。
3 結論
(1)季銨鹽殺菌劑在海水中的殺菌性能因海水的高鹽度受到一定程度抑制，與傳統單季銨鹽殺菌劑相比，雙季銨鹽殺菌劑在海水中表現出優異的殺菌性能，達到相同殺菌效果，雙季銨鹽殺菌劑用量僅為單季銨鹽的1/20～1/10。
(2)當烷烴鏈長相同時，雙季銨鹽殺菌劑的殺菌性能與連接基團具有一定的相關性，對于12-s-12(s=4，6，8)系列雙季銨鹽殺菌劑，其殺菌性能隨連接基團長度的增加而增強。
(3)單季銨鹽殺菌劑在烷烴鏈長為12、14時表現出優異的殺菌性能，這一規律對雙季銨鹽殺菌劑同樣適用。對于m-6-m(m=12，14，16)系列雙季銨鹽殺菌劑，當m=14時，殺菌性能最佳;m=12時，殺菌性能次之，m=16時，殺菌性能較差。
