納米銀殺菌劑的制備及應(yīng)用評(píng)價(jià)

張磊，姚光源，王寧，張迪彥

（中海油天津化工研究設(shè)計(jì)院，天津　300131）

納米銀殺菌劑的制備及應(yīng)用評(píng)價(jià)

張磊，姚光源，王寧，張迪彥

（中海油天津化工研究設(shè)計(jì)院，天津300131）

以過(guò)氧化氫還原硝酸銀制備穩(wěn)定的納米銀顆粒，用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)、掃描透射電鏡、激光粒度分析儀對(duì)該殺菌劑進(jìn)行表征，并測(cè)試了其殺菌性能和粘泥剝離性能。結(jié)果表明，納米銀殺菌劑顆粒大小分布均勻，性能穩(wěn)定，靜置90 d后，無(wú)團(tuán)聚發(fā)生；該納米銀殺菌劑對(duì)硫酸鹽還原菌、異氧菌、鐵細(xì)菌3種細(xì)菌的殺菌率都達(dá)到99.99%，對(duì)粘泥的剝離率為80.36%；將納米銀殺菌劑應(yīng)用于天津市某大型化工廠，能有效地去除堵塞水冷器的微生物粘泥，殺滅循環(huán)冷卻水中的總細(xì)菌，殺菌率達(dá)到99.99%。

循環(huán)冷卻水；納米銀殺菌劑；粘泥剝離率；化學(xué)還原法

納米銀對(duì)微生物有強(qiáng)烈的抑制和殺滅作用，而且不會(huì)產(chǎn)生耐藥性，越來(lái)越受到研究者的關(guān)注［1-2］。但納米銀粒徑微小，比表面積大，很容易發(fā)生團(tuán)聚，大大降低了納米銀的殺菌率。加入硫蒽哌醇、葡聚糖-乙二胺聚合物等穩(wěn)定劑可提高納米銀的穩(wěn)定性，但也對(duì)納米銀本身產(chǎn)生包覆和掩蔽作用，改變了納米銀的理化性質(zhì)，降低了抗菌活性［3-5］。文獻(xiàn)［6］介紹了一種以改性殼聚糖為還原劑制備納米銀的方法，能防止納米銀團(tuán)聚，得到穩(wěn)定的納米銀溶液。Hoang等［7］和Wei等［8］采用殼聚糖作為穩(wěn)定劑制備了納米銀溶液。He等［9］認(rèn)為殼聚糖分子鏈上有大量的羥基和氨基可與納米銀發(fā)生作用，從而提高納米銀顆粒的穩(wěn)定性。Sarma等［10］以過(guò)氧化氫為還原劑在水溶液中制備了納米金顆粒，宋建恒等［11］、魏智強(qiáng)等［12］用過(guò)氧化氫作還原劑，制備了納米銀顆粒。

本研究采用過(guò)氧化氫作為還原劑，在常溫常壓下，以殼聚糖為穩(wěn)定劑，制備出性能穩(wěn)定的納米銀殺菌劑，用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)、掃描透射電鏡、激光粒度分析儀對(duì)該殺菌劑進(jìn)行表征，并考察其殺菌性能和粘泥剝離性能。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)儀器和試劑

試驗(yàn)儀器：粘泥剝離評(píng)價(jià)裝置、紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)754PC、LS13320激光粒度分析儀、Quanta 200透射電子顯微鏡。

試驗(yàn)試劑：硝酸銀：質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99%，分析純；殼聚糖：質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99%，分析純；醋酸：質(zhì)量分?jǐn)?shù)為36%～38%；過(guò)氧化氫：質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，化學(xué)純。

1.2試驗(yàn)方法

（1）納米銀殺菌劑的制備方法。取1 000 mL圓底四口燒瓶，將1.4 g硝酸銀溶于400 mL去離子水中，加入3.0 mL氨水，常溫?cái)嚢?0 min，然后用恒壓滴液漏斗，滴加10.2 mL過(guò)氧化氫溶液，常溫?cái)嚢?0 min，然后加醋酸溶液約3 mL，調(diào)節(jié)pH值至4～5，滴加含有2.0 g殼聚糖的水溶液500 mL，于60℃下恒溫反應(yīng)4 h，得到金黃色納米銀水溶液。

（2）殺菌性能評(píng)價(jià)方法。殺菌劑的性能評(píng)價(jià)方法采用絕跡稀釋法的測(cè)試瓶法，參照標(biāo)準(zhǔn)為SY/T 5329—2012《碎屑巖油藏注水水質(zhì)推薦指標(biāo)及分析方法》和SY/T 5757—2010《殺菌劑性能評(píng)價(jià)方法》。

硫酸鹽還原菌菌種來(lái)自吉林油田現(xiàn)場(chǎng)含油水；異養(yǎng)菌和鐵細(xì)菌菌種來(lái)自天津市濱海新區(qū)某大型化工廠循環(huán)冷卻水。菌懸液均采用GB/T 18175—2014《水處理劑緩蝕性能的測(cè)定旋轉(zhuǎn)掛片法》附錄A推薦標(biāo)準(zhǔn)水稀釋。

（3）粘泥剝離性能評(píng)價(jià)方法。測(cè)試藥劑的粘泥剝離性能，采用實(shí)驗(yàn)室自制的粘泥剝離評(píng)價(jià)裝置。運(yùn)行參數(shù)為：pH值為7.8～8.5，溫度為（30±1）℃，流速約為1.0 m/h，時(shí)間為28 d。通過(guò)測(cè)試投加藥劑前、后管中粘泥質(zhì)量的差值，計(jì)算粘泥剝離效率。參比藥劑為1227、雙季銨鹽、異噻唑啉酮。

粘泥剝離率按下式計(jì)算：

式中：G0——?jiǎng)冸x前粘泥加測(cè)試管的質(zhì)量，g；G——?jiǎng)冸x后粘泥加測(cè)試管的質(zhì)量，g；G1——測(cè)試管的初始質(zhì)量，g。

2　結(jié)果與討論

2.1納米銀殺菌劑的制備機(jī)理

此反應(yīng)分為兩步，首先硝酸銀在弱堿條件下，與氨水發(fā)生反應(yīng)，然后在弱酸條件下生成納米銀顆粒［11］，同時(shí)殼聚糖成為納米銀顆粒的穩(wěn)定劑，主要方程式見(jiàn)式①和式②。由于殼聚糖在弱酸條件下才能溶解，而硝酸銀與氨水的反應(yīng)，條件為弱堿性，因此反應(yīng)的主要影響因素為反應(yīng)過(guò)程的酸堿度。

2.2紫外-可見(jiàn)光譜分析

取1 mL制備的納米銀水溶液，以高純水稀釋至50 mL，微波振蕩器振蕩混合均勻，紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)在200～600 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行紫外掃描，結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1可知，制備得到的納米銀水溶液，其銀粒子吸收波長(zhǎng)為400 nm，此波長(zhǎng)吸收峰為納米銀粒子的特征吸收峰［5］。

圖1 納米銀紫外分析Fig.1　UV-Vis spectrum of nano-si1ver

2.3TEM分析

將制備的納米銀水溶液，用納米激光粒度儀測(cè)試其粒度大小及分布情況，結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可知，納米銀粒子的粒徑范圍為3～8 nm，平均粒徑為4.5 nm，大小較均一。

圖2 納米銀粒度分布情況Fig.2　Partic1e size distribution of nano-si1ver

將納米銀水溶液常溫放置90 d后，取制備的納米銀水溶液10 mL，用高純水及容量瓶定容至100 mL，滴到敷有Formva膜的400目銅網(wǎng)上，滴加2%磷鎢酸負(fù)染，靜置空氣中干燥，放置于透射電子顯微鏡下觀察形貌和團(tuán)聚情況。試驗(yàn)結(jié)果顯示，納米銀粒子在靜置90 d后，并沒(méi)有出現(xiàn)大規(guī)模的團(tuán)聚現(xiàn)象。分析原因?yàn)椋簹ぞ厶桥c納米銀粒子兩者之間存在靜電作用，同時(shí)，殼聚糖具有足夠大的立體位組效應(yīng)，從而避免了納米銀粒子發(fā)生團(tuán)聚，起到了穩(wěn)定納米銀粒子的作用［13］。

2.4殺菌性能測(cè)試

在納米銀殺菌劑投加量為30 mg/L的條件下，考察接觸時(shí)間對(duì)納米銀殺菌劑殺菌性能的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3　不同接觸時(shí)間下納米銀對(duì)不同細(xì)菌的殺菌率Fig.3　Ki11ing rates of different kinds of bacterium by nanosi1ver under different contact time

由圖3可知，在接觸時(shí)間為24 h時(shí)，納米銀殺菌劑對(duì)異養(yǎng)菌的殺菌率能達(dá)到99.9%；在接觸時(shí)間為48 h時(shí)，對(duì)硫酸鹽還原菌和鐵細(xì)菌的殺菌率達(dá)到99.9%；在接觸時(shí)間為72 h后，對(duì)3種細(xì)菌的殺菌率都達(dá)到99.99%。

2.5粘泥剝離性能測(cè)試

在藥劑投加量均為50 mg/L的條件下，不同藥劑的粘泥剝離率見(jiàn)表1。

表1　不同藥劑的粘泥剝離率Tab.1　Stripping rates of s1ime by different agents

由表1可知，在藥劑投加量相同的條件下，納米銀殺菌劑對(duì)粘泥的剝離率可達(dá)到80.36%，高于常用季銨鹽類藥劑及異噻唑啉酮等藥劑。

3　納米銀殺菌劑現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

選擇天津市濱海新區(qū)某大型化工廠的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用評(píng)價(jià)試驗(yàn)。該循環(huán)冷卻水系統(tǒng)采用城市中水及海水淡化混合水作為補(bǔ)充水水源，微生物滋生嚴(yán)重，粘泥大量附著?，F(xiàn)場(chǎng)采用沖擊式加藥方式，納米銀殺菌劑投加量為70 mg/L，取樣點(diǎn)為循環(huán)冷卻水回水取樣口，連續(xù)監(jiān)測(cè)96 h，循環(huán)冷卻水濁度監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 濁度隨時(shí)間變化情況Fig.4　Changes of turbidity a1ong with time

由圖4可知，在投加納米銀殺菌劑后48 h時(shí)，濁度升高至60 NTU，比未處理時(shí)增加了45 NTU，管壁上的粘泥被大量剝離，說(shuō)明納米銀殺菌劑具有極高的粘泥剝離性能。

以總細(xì)菌為監(jiān)測(cè)對(duì)象，連續(xù)96 h測(cè)試水樣中總細(xì)菌數(shù)目，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，在投加納米銀殺菌劑48 h后，細(xì)菌個(gè)數(shù)為1.9×102個(gè)/mL，殺菌率高于99.99%，并能持續(xù)至60 h。在72 h后，細(xì)菌數(shù)目逐漸增多，此時(shí)需要再次投加納米銀殺菌劑。

表2　不同接觸時(shí)間的細(xì)菌總數(shù)Tab.2　Tota1 bacteria1 count at different contact time

4　結(jié)論

（1）以過(guò)氧化氫做還原劑，殼聚糖為穩(wěn)定劑，還原硝酸銀制備的納米銀殺菌劑性能較穩(wěn)定，靜置90 d后無(wú)團(tuán)聚現(xiàn)象，納米銀粒子的粒徑范圍為3～8 nm，平均粒徑為4.5 nm。

（2）試驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果表明，在納米銀殺菌劑投加量為30 mg/L的條件下，72 h時(shí)對(duì)硫酸鹽還原菌、異氧菌和鐵細(xì)菌的殺菌率都達(dá)到99.99%；在納米銀殺菌劑、1227、雙季銨鹽、異噻唑啉酮投加量相同的條件下，納米銀殺菌劑對(duì)粘泥的剝離率為80.36%，高于常用季銨鹽類藥劑及異噻唑啉酮。

（3）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，在納米銀殺菌劑投加量為70 mg/L的條件下，72 h時(shí)可殺滅循環(huán)冷卻水中的總細(xì)菌，殺菌率達(dá)到99.99%。納米銀殺菌劑的殺菌效果和粘泥剝離效果顯著。

［1］董耀華，郭娜，劉濤.納米銀的制備及其抑菌機(jī)理［J］.上海海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，34（1）：80-83.

［2］熊旭華，胡勇有，洪學(xué)森，等.納米銀對(duì)水中大腸桿菌的殺菌性能研究［J］.工業(yè)用水與廢水，2014，45（3）：39-43.

［3］Sondi I，Goia DV，Matijevic E.Preparation of high1y concentrated stab1e dispersions of uniform si1ver nanopartic1es［J］.J Co11oid Interface Sci，2003，260（1）：75-81.

［4］Masd，Limc，Liangds，et al.The preparation of si1ver nanopartic1es by dextran-ethy1en diamine as the carrier［J］.Chem Pes App1，2008，20（10）：1282-1285.

［5］馬守棟，李明春，葉勇，等.納米銀的制備與表征［J］.中國(guó)藥學(xué)雜志，2011，46（13）：1007-1009.

［6］趙兵.改性殼聚糖為還原劑制備納米銀的方法［P］.中國(guó)專利：CN201410565387.5，2014-10-22.

［7］Hoang V T，Lam D T，Cham T B.Physicochemica1 and engincering aspects［J］.Co11oids and Surfaces，2010，360（3）：32-40.

［8］Wei D W，Sun W Y，Qian W P，et al.E1ectrochemica1 synthesis of si1ver nanopartic1e［J］.Carbohydate Reaearch，2009，344 （17）：2357-2382.

［9］He J H，Kunitake T，Nakao A.Preparation and characterization of meta1-chitosan nanocomposites［J］.Chemistry of Materria1s，2003，15（23）：4401-4406.

［10］Sarma T K，Chowdhury D，Pau1 A，et al.Preparation and characterization of heparin-stabi1ized go1d nanopartic1es［J］.Radiation Physics and Chemistry，2002，12（5）：1048-1049.

［11］宋建恒，鄭學(xué)軍.過(guò)氧化氫還原制備超細(xì)銀粉［J］.中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，1998，8（2）：242-244.

［12］魏智強(qiáng)，夏天東，馮旺軍，等.納米銀粉的制備及表征［J］.貴金屬，2006，27（2）：1-3.

［13］Sugunan A，Thanachayanont C，Dutta J，et al.Heavy-meta1 ion sensors using chitosan-capped go1d nanopafic1es［J］.Sci Tech Adv Mater，2005，6（3/4）：335-337.

Synthesis of nano-silver bactericidal agent and its application evaluation

ZHANG Lei，YAO Guang-yuan，WANG Ning，ZHANG Di-yan
（CNOOC Tianjin Chemical Research and Design Institute，Tianjin 300131，China）

Stab1e si1ver nanopartic1es was prepared by reduction of si1ver nitrate with hydrogen peroxide and was characterized by UV-Vis spectrophotometer，scanning transmission e1ectron microscope and 1aser partic1e size ana1yzer；besides，its bactericida1 and s1ime stripping performance were tested at the same time.The experimenta1 resu1ts showed that，the prepared nanopartic1es presented uniform size distribution，further more，its performance was a1so stab1e，no reunion occurred even after it had been standed for 90 d.The ki11ing rates of SRB，TGB and FB by the said nano-si1ver bactericida1 agent were a11 reached 99.99%，and the stripping rate of s1ime was 80.36%.The nano-si1ver bactericida1 agent was app1ied in a 1arge chemica1 p1ant in Tianjin，the microorganism s1ime which caused water coo1er b1ocking was effective1y wiped out，and the tota1 bacteria in the circu1ating coo1ing water was ki11ed with a steri1izing rate of 99.99%.

circu1ating coo1ing water；nano-si1ver bactericida1 agent；stripping rate of s1ime；chemica1 reduction method

TQ455.1+9；X703.5

A

1009-2455（2016）02-0051-04

張磊（1983-），男，天津人，工程師，碩士，主要從事油田水處理、工業(yè)水處理藥劑的研發(fā)，（電話）022-26689399（電子信箱）1352247954@qq.com。

2016-02-16（修回稿）