銀緩釋載銀殺菌活性炭的低溫水熱炭化法制備*

孔祥千，豆彩霞，柴源濤，李壽旺，李秋巖，劉守新

(東北林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 哈爾濱 150040)

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銀緩釋載銀殺菌活性炭的低溫水熱炭化法制備*

孔祥千，豆彩霞，柴源濤，李壽旺，李秋巖，劉守新

(東北林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 哈爾濱 150040)

摘要：采用低溫水熱炭化法制備了載銀活性炭(Ag/AC)，以大腸桿菌(E.coli)為實(shí)驗(yàn)菌種，考察了不同載銀量活性炭的滅菌性能和抗銀流失性能。利用X射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)以及低溫液氮吸附對(duì)載銀活性炭進(jìn)行表征。結(jié)果表明，負(fù)載銀對(duì)活性炭的石墨微晶結(jié)構(gòu)無(wú)影響。隨著載銀量的增加，負(fù)載到活性炭上的銀晶粒變大，比表面積、孔容積和孔徑均變小，抗菌性能提高，銀流失量變化不明顯，抗流失天數(shù)增多。經(jīng)分析，載銀量為1.54%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Ag/AC3樣品，比表面積為813.35 m2/g，100 min之內(nèi)殺滅107 CFU/mL的大腸桿菌，9 d內(nèi)銀流失量約為2.9%，可見，在保持較高比表面積的基礎(chǔ)上，具備良好的抗菌性能和抗銀流失性能。

關(guān)鍵詞：低溫水熱；載銀活性炭；抗菌；銀緩釋

1引言

椰殼活性炭是一種性質(zhì)優(yōu)良的非極性吸附劑，具有獨(dú)特的孔隙結(jié)構(gòu)和表面活性官能團(tuán)，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，機(jī)械強(qiáng)度高，耐酸、耐堿、耐熱，不溶于水和有機(jī)溶劑，使用失效后可以再生[1]，被廣泛應(yīng)用于飲用水凈化[2-3]。椰殼活性炭在凈水過(guò)程中由于其本身良好的生物相容性，在吸附、富集水中的有機(jī)物后，極易成為細(xì)菌生長(zhǎng)繁殖的溫床，從而導(dǎo)致水體中微生物數(shù)量增加，并生成致突變物質(zhì)亞硝酸鹽，造成出口水質(zhì)變壞[4]。

為克服此缺點(diǎn)，通常將具有殺菌性能的物質(zhì)負(fù)載在AC表面，以消除飲用水深度凈化過(guò)程中微生物繁殖所帶來(lái)的二次污染。當(dāng)銀離子與微生物接觸后，能強(qiáng)烈吸附微生物細(xì)胞，并與細(xì)胞機(jī)體中酶蛋白的巰基(-SH)反應(yīng)， 使微生物蛋白質(zhì)凝固，然后致其失活[5]，銀離子具有抗菌廣譜、殺菌效率高、不易產(chǎn)生抗藥性等優(yōu)點(diǎn)，可以用來(lái)殺死或者抑制細(xì)菌、病毒、藻類和真菌[6]。實(shí)驗(yàn)表明，人體組織中銀含量小于0.01% mg，多余銀可通過(guò)消化道很快排除，不會(huì)引起人體器官和組織的病理變化[7]。目前，國(guó)內(nèi)外飲用水深度凈化活性炭的抗菌成分主要以擔(dān)載銀為主。此外，目前市售Ag/AC的制備方法主要以浸漬法為主，但活性炭對(duì)銀主要是物理吸附，銀極易流失，不能達(dá)到持久殺菌的效果，并且短時(shí)間內(nèi)釋放的銀離子濃度較高，對(duì)人體造成傷害[8-10]。因此在保持高抗菌活性下實(shí)現(xiàn)銀的緩釋具有重要意義。

本文將多孔性活性炭浸漬在AgNO3溶液中，然后通過(guò)低溫(120 ℃)水熱反應(yīng)，將金屬Ag負(fù)載到活性炭上，得到殺菌功能Ag/AC。利用XRD、SEM、低溫液氮吸附等手段對(duì)Ag/AC進(jìn)行表征，通過(guò)對(duì)E.coli的殺菌實(shí)驗(yàn)和恒溫震蕩法測(cè)量Ag/AC的抗菌性能和抗銀流失性能。

2實(shí)驗(yàn)

2.1原料和試劑

活性炭(蘇州美凈活性炭廠)；硝酸銀(天津市禹名化學(xué)試劑廠，分析純)；氫氧化鈉(哈爾濱化學(xué)化工試劑廠，分析純)；硫酸鐵(Ⅲ)銨(天津石英鐘廠霸州市化工分廠，分析純)；硫氰酸鈉(溫州市化學(xué)用料廠，分析純)；濃硝酸(錦州市宏遠(yuǎn)市機(jī)廠，分析純)；營(yíng)養(yǎng)瓊脂(北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司，生化試劑)；大腸桿菌(黑龍江省應(yīng)用微生物研究所)。

2.2載銀活性炭的制備

以蘇州美凈活性炭廠的椰殼活性炭為原料。使用前蒸餾水洗除去其表面浮塵和雜質(zhì)，在105 ℃恒溫干燥12 h后儲(chǔ)于干燥器中備用(標(biāo)為ACraw)。將一定量的ACraw分別與一定量的濃度為1.0，2.0，4.0和8.0 g/L的AgNO3溶液放置反應(yīng)釜中120 ℃反應(yīng)6 h，之后用蒸餾水洗滌直至無(wú)銀離子檢出。然后將上述活性炭置于70 ℃真空干燥箱中烘4 h，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，500 ℃煅燒2 h，制得Ag/AC。按照所采用硝酸銀溶液濃度的不同，分別標(biāo)記為Ag/AC1、Ag/AC2、Ag/AC3、Ag/AC4。

2.3材料表征

SEM測(cè)試在QUATA200型掃描電子顯微鏡(荷蘭FEI 公司)上進(jìn)行；XRD測(cè)試在日本理學(xué)D/max-rB型X射線衍射儀上進(jìn)行，室溫，CuKα射線，管電壓40 kV，管電流30 mA，根據(jù)Scherrer公式計(jì)算晶粒大?。籉T-IR測(cè)試在Nicolet-560型傅立葉變換紅外光譜儀(美國(guó)尼高力)上進(jìn)行，KBr壓片；比表面積測(cè)定在ASAP2020自動(dòng)吸附儀(美國(guó)麥克公司)上進(jìn)行，采用低溫液氮(77 K)吸附法，相對(duì)壓力(p/p0)范圍為0.01～1. 0，所有樣品測(cè)試前均在300 ℃脫氣10 h。

2.4銀含量測(cè)定

載銀活性炭的載銀量分析參照HAN Ping等文獻(xiàn)[11]所述方法測(cè)定。

2.5抗菌性能測(cè)試

配置大腸桿菌的肉湯培養(yǎng)基(牛肉膏、蛋白胨、瓊脂、NaCl、水、pH值為7.2～7.4)。移取100 mL蒸餾水到錐形瓶中，加入少量肉湯培養(yǎng)基，再加入2.0 g的Ag/AC，用高壓滅菌鍋滅菌后，冷卻至室溫。然后在錐形瓶中接入實(shí)驗(yàn)菌種，并每隔一段時(shí)間測(cè)一次細(xì)菌濃度。細(xì)菌濃度用稀釋平板法測(cè)定(條件：37 ℃，培養(yǎng)48 h)。每次抗菌實(shí)驗(yàn)均同時(shí)進(jìn)行空白和平行對(duì)照實(shí)驗(yàn)[12]。

2.6抗銀流失性能測(cè)試

取100 mL蒸餾水和2.0 g載銀活性炭放入250 mL的錐形瓶中，于25 ℃條件下以150 r/min恒溫振蕩，并每隔一段時(shí)間測(cè)一次水中銀的濃度，銀的濃度通過(guò)雙硫腙分光光度法于TU-900型紫外-可見分光光度計(jì)上測(cè)量[13-14]。

3結(jié)果與討論

3.1載銀量及結(jié)構(gòu)分析

銀離子與活性炭在水溶液中可以發(fā)生氧化還原反應(yīng)，銀離子被還原成單質(zhì)銀而附著在活性炭表面[15]。不同載銀活性炭的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1不同條件下制備載銀活性炭的結(jié)構(gòu)參數(shù)

Table 1 Structure parameters of Ag/AC prepared under different conditions

樣品銀含量/wt%BET比表面積/m2·g-1總孔容/cm3·g-1平均孔徑/nmACraw01106.080.422.46Ag/AC10.15860.470.482.18Ag/AC20.60842.150.342.00Ag/AC31.54813.350.341.96Ag/AC42.29751.890.281.73

ACraw的比表面積為1 106.08 m2/g，孔容積為0.42 cm3/g，通過(guò)對(duì)活性炭載銀實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，載銀活性炭的比表面積比ACraw的比表面積低，同時(shí)，隨著AgNO3溶液濃度的增加，Ag/AC的銀含量隨之增加，比表面積、總孔容和平均孔徑呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。Ag/AC1的總孔容達(dá)到最大值0.48 cm3/g，這可能是因?yàn)锳C在500 ℃煅燒時(shí)，AC發(fā)生再活化使Ag/AC的總孔容變大。然而，在銀顆粒沉積于載體過(guò)程中，由于銀對(duì)氧有獨(dú)特的親和力，只需很少能量就能克服銀與氧的排斥力，因此氧原子很容易通過(guò)銀的晶格，填充在銀的八面體空穴中[16-17]，成為銀生長(zhǎng)的晶核，并成長(zhǎng)為銀顆粒負(fù)載而堵塞AC孔隙，導(dǎo)致AC比表面積、平均孔徑隨著載銀量的增加而逐漸降低。

3.2SEM分析結(jié)果

低溫水熱法制備的載銀活性炭的SEM圖如圖1所示。

圖1載銀活性炭的SEM圖

Fig 1 SEM images of the prepared Ag/AC

銀顆粒粒徑為200～800 nm，大部分分布于活性炭表面，極少量分布于大孔孔道入口處。由圖1可知，銀顆粒的尺寸和分布與浸漬的AgNO3濃度有關(guān)。Ag/AC1表面所載銀顆粒數(shù)量很少，粒徑約為200～400 nm，分布比較均一；Ag/AC2表面所載銀顆粒數(shù)量明顯增加，粒徑增加不明顯，仍為200～400 nm，分布很均一；Ag/AC3所載銀顆粒數(shù)量略微增加，粒徑也有所增加，約為500 nm；Ag/AC4銀顆粒數(shù)量顯著增加，粒徑尺寸分布明顯變寬，粒徑約為600～800 nm,顆粒聚集現(xiàn)象較為嚴(yán)重。

3.3XRD分析結(jié)果

圖2為Ag/AC的XRD圖。2θ值在20～30°之間的寬峰對(duì)應(yīng)的是石墨微晶(002)亂層結(jié)構(gòu)。經(jīng)載銀煅燒后，該衍射峰的強(qiáng)度稍有增加，但(002)晶面對(duì)應(yīng)峰的衍射角基本無(wú)變化，由此表明經(jīng)載銀煅燒后，不改變活性炭的石墨微晶結(jié)構(gòu)。同時(shí)樣品Ag/AC3、Ag/AC4的XRD譜圖中2θ值為38.1，44.2和64.4°的衍射峰分別對(duì)應(yīng)了Ag(111)、Ag(200)、Ag(220)晶面，與純銀的標(biāo)準(zhǔn)XRD譜圖(JCPDS卡片04-0783)相對(duì)應(yīng)[18-19]，且隨著載銀量的增加衍射峰強(qiáng)度增強(qiáng)；相對(duì)而言，Ag/AC1、Ag/AC2在銀處的衍射峰較弱，衍射峰不明顯。結(jié)果表明，在AgNO3濃度含量為4%和8%時(shí)，載銀效果明顯。

圖2　載銀活性炭的XRD圖

3.4抗菌性能

Ag/AC的抗菌測(cè)試結(jié)果如圖3所示。隨著載銀量的增加，Ag/AC表現(xiàn)出由無(wú)活性、抑菌到殺菌活性的變化規(guī)律。對(duì)于載銀量分別為0.15%和0.60%的Ag/AC1、Ag/AC2，溶液培養(yǎng)24 h后E.coli濃度基本不變，表明它對(duì)大腸桿菌只能起到抑制而無(wú)殺滅作用。對(duì)于載銀量為1.54%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的Ag/AC3樣品能在100 min內(nèi)殺滅107CFU/mL濃度的E.coli。而載銀量2.29%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Ag/AC4表現(xiàn)出很強(qiáng)的殺菌性能，在40 min內(nèi)殺滅107CFU/mL濃度的E.coli。綜合對(duì)樣品的比表面積和殺菌性能分析，為了兼顧Ag/AC吸附性能和殺菌功能，Ag的擔(dān)載存在最佳擔(dān)載量，我們選定Ag/AC3樣品為最佳。

圖3　載銀活性炭對(duì)大腸桿菌的抗菌性能

Fig 3 Anti-bacterial performance towards E. coil of the prepared Ag/AC

3.5抗銀流失性能

抗銀流失性能的測(cè)試結(jié)果如圖4所示，低溫水熱法制備的Ag/AC在恒溫水浴震蕩的條件下，第一天的銀流失量較多，約為0.059%,從第二天開始每天的銀流失量大概為0.0094%，活性炭中的銀緩慢的釋放出來(lái)，Ag/AC2在前9 d的流失量約為2.7%，不同載銀量的活性炭銀釋放的速度相近。從中可以看出本文方法的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)，抗銀流失性能并不與載銀量呈正相關(guān)。由此證明，水熱反應(yīng)法制備的Ag/AC，AC與銀之間的結(jié)合力很強(qiáng)，抗銀流失性能好，可以實(shí)現(xiàn)銀的緩釋。

圖4　載銀活性炭的銀離子流失與時(shí)間的關(guān)系

4結(jié)論

低溫水熱法是一種制備具有銀緩釋殺菌功能活性炭的適宜方法。隨著載銀量的增加，所制備活性炭表現(xiàn)出由無(wú)活性、抑菌到殺菌活性的變化規(guī)律。載銀量為2. 28%時(shí)，本文制備的活性炭展示出高抗菌活性，但其抗銀流失性能較之其它濃度相差不大，流失量較少。由此可見，水熱法制備的載銀活性炭在保持較高殺菌活性前提下，可以實(shí)現(xiàn)銀的緩釋。低溫水熱法制備的載銀活性炭的載銀量、比表面積、生成單質(zhì)銀顆粒的粒徑及分布取決于AgNO3溶液濃度。

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Activated carbon with silver control release and antibacterial behavior by low temperature hydrothermal method

KONG Xiangqian, DOU Caixia, CHAI Yuantao, LI Shouwang, LI Qiuyan, LIU Shouxin

(College of Material Science and Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040，China)

Abstract:Silver-loaded activated carbons (Ag/AC) were prepared by low temperature hydrothermal carbonization method, Using E.coli as the experimental strains, investigates the antibacterial properties and anti silver loss of different silver content. X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy and N2 sorption were used to characterize the Ag/AC. The results showed that the content of the silver had no influence on the graphite crystallite structure of the Ag/AC. With the increase of the sliver content, the particle size of the silver doped AC became larger, while the surface area, pore volume and pore size of the carbons decreased. Meanwhile, the antibacterial activity improved as the increase of the sliver content, and the loss of the silver content had not a significant change, thus the performance of silver leaching resistance increased. According to the analysis of the antibacterial experiments, the sample Ag/AC3 with the low silver content of 1.5430wt% and high surface area of 813.3548 m2/g exhibited the high antibacterial activity, which can thoroughly kill the E. coil (107 CFU/mL) in 100 min. Furthermore, the loss percent of the silver was as low as 2.9% after 9 days, which indicated high antibacterial activity and silver leaching resistance.

Key words:low-temperature hydrothermal reaction; silver-loaded activated carbons; antibacterial activity; control release

DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.01.043

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TQ424.1

作者簡(jiǎn)介：孔祥千(1994-)，女，山東曲阜人，師承劉守新教授，從事生物質(zhì)炭材料研究。

基金項(xiàng)目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2572014EB01)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31170545)；在校本科生國(guó)家創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)資助項(xiàng)目(201410225012)

文章編號(hào)：1001-9731(2016)01-01203-04

收到初稿日期：2015-01-19 收到修改稿日期：2015-10-10 通訊作者：劉守新，E-mail: liushouxin@126.com