聚酰胺酸沉積碳纖維作為生物膜載體的研究

張 超,柳琦杰,戴光澤

(西南交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,四川 成都610031)

1 前 言

生物膜法水處理技術(shù)主要是利用載體表面的生物膜吸附并轉(zhuǎn)化污水中的污染物，從而達(dá)到凈化水質(zhì)的目的。載體材料的材質(zhì)、粗糙度、表面化學(xué)特性等因素均能影響微生物的固著效果。因此，制備出有利于微生物固著的載體材料，對(duì)于滿足日益增加的污水處理壓力具有重要意義[1]。

碳纖維因其表面物化性能穩(wěn)定，能耐微生物分解以及可長(zhǎng)期循環(huán)利用等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于污水處理[2]。然而原生碳纖維表面光滑、缺乏大量化學(xué)活性官能團(tuán)，不能完全發(fā)揮其固著能力，因而需要進(jìn)行表面改性，使其生物親和性得到提高，進(jìn)而增強(qiáng)對(duì)污水的凈化能力。聚酰胺酸，作為聚酰亞胺的前驅(qū)體，不但主鏈中包含耐溫的酰胺基團(tuán)，而且具有大量羧基，通過(guò)電化學(xué)沉積法，可以在基體表面沉積一層薄膜，從而增加基體表面的潤(rùn)濕性。Yuan 等[3]利用聚酰胺酸乳液在碳纖維表面覆蓋一層均勻的薄膜，使得表面含氧官能團(tuán)的含量增加，潤(rùn)濕性得到提高，并且增大了與樹(shù)脂基之間的范德華力，黏附效果也隨之增強(qiáng)。

DLVO理論，是由Derjaguin、Landan、Verwey、Overbeek 4位科學(xué)家共同提出關(guān)于膠體穩(wěn)定性的基本理論[4]。微生物尺寸為0.5～2μm，與膠體粒子尺寸相近，因而DLVO理論在微生物領(lǐng)域也得到廣泛的應(yīng)用[5-6]。

本文采用聚酰胺酸乳液對(duì)碳纖維進(jìn)行表面改性，根據(jù)乳液形成過(guò)程中不同的羧基摩爾比制備出3種改性載體，通過(guò)大腸桿菌固著實(shí)驗(yàn)表征其固著能力，利用DLVO理論計(jì)算載體與大腸桿菌之間的總勢(shì)能并分析固著機(jī)理，最后通過(guò)掛膜實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)載體固著污水中微生物的實(shí)際效果。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

主要試劑：4,4’-二氨基二苯醚(ODA)，N,N-二甲基甲酰胺(DMAc)，均苯四甲酸二酐(PMDA)，三乙胺(TEA)，甲醇，丙酮，牛肉膏，蛋白胨，氯化鈉，氯化鉀，磷酸二氫鉀，磷酸氫二鉀，戊二醛，無(wú)水乙醇，二碘甲烷，尿素，磷酸二氫鈉，無(wú)水氯化鈣，硫酸鎂。試劑均為分析純。

主要儀器：直流電源(M8853型)，場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(Quanta FEG 250型)，傅里葉紅外光譜儀(Nicolet 5700型)，可見(jiàn)光分光光度計(jì)(7200型)，動(dòng)態(tài)接觸角測(cè)試儀(DCAT 15型)，Zeta 電位分析儀(SurPASS 3型)，激光粒度儀(NICOMP380 Z3000型)。

2.2 聚酰胺酸乳液的制備

取0.015 mol ODA 溶于DMAc中，稱取相同摩爾的PMDA 加入溶液中，配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的溶液。將混合液在冰水浴中攪拌8 h，然后室溫下攪拌12 h，得到聚酰胺酸溶液。

稱取10 g 聚酰胺酸溶液，加入適量DMAc進(jìn)行稀釋?zhuān)偌尤胍欢康腡EA 中和溶液中的羧基(其中TEA 與聚酰胺酸中羧基的摩爾比為rB)，生成聚酰胺酸鹽溶液。攪拌1 h 后，向溶液中加入乳化劑甲醇(甲醇體積為DMAc體積的3倍)后攪拌0.5 h，最終得到聚酰胺酸乳液[7]。

2.3 改性碳纖維載體的制備

實(shí)驗(yàn)所采用的碳纖維原樣，購(gòu)于蘭州炭素廠。將原生碳纖維經(jīng)過(guò)預(yù)處理去除表面上漿劑后標(biāo)記為CF-0。將rB值分別為1.0、2.0和3.0的聚酰胺酸乳液作為電解液，碳纖維作正極，石墨作負(fù)極，在50 V電壓下，進(jìn)行10 min 電化學(xué)沉積，在此實(shí)驗(yàn)條件下所獲得的載體分別標(biāo)記為CF-1.0、CF-2.0、CF-3.0，并在50℃下烘干12 h。

2.4 大腸桿菌固著實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)所選取的大腸桿菌(革蘭氏陰性菌的代表菌種)，購(gòu)于美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)生物品收藏中心。將大腸桿菌置于營(yíng)養(yǎng)肉湯培養(yǎng)基(10 g.L-1蛋白胨，3 g.L-1牛肉膏，5 g.L-1NaCl)中活化培養(yǎng)，37℃恒溫振蕩20 h，接著在對(duì)數(shù)期通過(guò)離心富集(2 500 g，15 min)，重新懸浮于0.01 mol.L-1磷酸鹽緩沖液(135 mmol.L-1NaCl，10 mmol.L-1KCl，1.5 mmol.L-1KH2PO4，8 mmol.L-1K2HPO4，pH =7.2，I=202 mmol.L-1)中，調(diào)節(jié)懸浮液濃度，使其在600 nm 處的光密度值(OD600)為0.65(1.3×109CFU.mL-1)。碳纖維載體浸入定量懸浮液中固著大腸桿菌，并在搖床上緩慢振蕩，用可見(jiàn)光分光光度計(jì)在不同時(shí)間點(diǎn)測(cè)定懸浮液的OD600值。

在2 h 固著實(shí)驗(yàn)后，取出碳纖維載體，在2.5%戊二醛中浸泡12 h 以固定大腸桿菌的形態(tài)，然后用梯度濃度的乙醇進(jìn)行脫水(30%、50%、70%、85%、95%、99.5%，每次15 min)。最后將所有碳纖維載體冷凍干燥、粘臺(tái)，掃描電鏡噴金觀察。

2.5 DLVO理論分析

碳纖維載體與微生物之間的總勢(shì)能由范德華勢(shì)能和靜電勢(shì)能兩部分組成。

2.5.1范德華勢(shì)能

載體材料與微生物之間的范德華勢(shì)能計(jì)算式為[8]

2.6 掛膜實(shí)驗(yàn)

活性污泥樣品取自成都市污水處理廠，培養(yǎng)在模擬的有機(jī)污水中：質(zhì)量濃度為0.48 g.L-1蛋白胨，0.32 g.L-1牛肉膏，0.08 g.L-1尿素，0.024 g.L-1NaCl，0.08 g.L-1NaH2PO4，0.011 g.L-1KCl，0.011 g.L-1CaCl2，0.008 g.L-1MgSO4。在25℃下于恒溫容器中通氣培養(yǎng)1個(gè)月，并將活性污泥懸浮液固體濃度調(diào)節(jié)至4 000 mg.L-1，pH值調(diào)節(jié)至7.8。碳纖維載體剪切成質(zhì)量為2 g 的碳纖維束，浸入活性污泥懸浮液中，在每個(gè)取樣時(shí)間點(diǎn)，取下2個(gè)碳纖維束干燥稱重，計(jì)算每克碳纖維載體掛膜的平均質(zhì)量。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 碳纖維載體表面特性

圖1為碳纖維載體表面的掃描電鏡形貌圖。通過(guò)電泳沉積后，載體表面被聚酰胺酸所覆蓋，并且粗糙度有明顯改變。隨著三乙胺的加入量越大，表面粗糙度和薄膜厚度增加越明顯。

圖1 碳纖維載體的掃描電鏡形貌圖Fig.1 SEM images of carbon fiber supports

圖2為碳纖維載體的傅里葉紅外光譜圖。主要特征峰為[12]：峰位在3 437 cm-1處對(duì)應(yīng)O─H 伸縮振動(dòng)；峰位在1 720 cm-1處對(duì)應(yīng)C═O(─COOH)伸縮振動(dòng)；峰位在1 660 cm-1處對(duì)應(yīng)C═O(─CONH)伸縮振動(dòng)；峰位在1 550 cm-1處對(duì)應(yīng)C─N(─C─NH)伸縮振動(dòng)；峰位在2 800～3 200 cm-1處對(duì)應(yīng)N─H 伸縮振動(dòng)。

結(jié)果表明：改性碳纖維表面─C═O、─C─O和─OH 等含氧基團(tuán)的含量增加，表面的親水性得到提高，因而活性面積明顯擴(kuò)大，從而增強(qiáng)對(duì)微生物的吸引力；與此同時(shí)，載體表面出現(xiàn)─CONH，─C─NH以及─NH2等含氮基團(tuán)的特征峰，其含量的增加會(huì)降低載體表面的負(fù)電荷，從而減小與微生物之間的斥力。隨著三乙胺的加入量越大，含氧和含氮基團(tuán)的含量增加越明顯。

圖2 碳纖維載體的傅里葉紅外光譜圖Fig.2 FITR spectra of carbon fiber supports

圖3 大腸桿菌懸浮液的OD600值隨固著時(shí)間的變化圖Fig.3 Profiles of OD600 of E.coli suspension

3.2 大腸桿菌固著實(shí)驗(yàn)

圖3為大腸桿菌懸浮液OD600的數(shù)值隨著固著時(shí)間的變化曲線圖。在整個(gè)固著過(guò)程中，改性碳纖維載體OD600數(shù)值的減少更顯著，證明其固著大腸桿菌的能力更強(qiáng)。CF-2.0的OD600數(shù)值下降最明顯，固著結(jié)束時(shí)僅為0.15，明顯低于其他2種改性載體，因而固著能力最強(qiáng)。

圖4 碳纖維載體固著大腸桿菌的掃描電鏡形貌圖Fig.4 SEM imagesof E.coli on carbon fiber supports

圖4為碳纖維載體表面固著大腸桿菌的掃描電鏡形貌圖。從圖中可以看出，原生碳纖維只能固著較少的大腸桿菌，通過(guò)沉積聚酰胺酸薄膜后，碳纖維載體對(duì)于大腸桿菌的固著量有了明顯增加，表明其固著大腸桿菌能力得到增強(qiáng)。當(dāng)rB=2.0時(shí)，可以看出大腸桿菌固著數(shù)量最多，并且生物聚集體的規(guī)模最大。

3.3 DLVO理論分析

表1總結(jié)了微生物的平均半徑、Zeta 電位和范德華能量組分；表2總結(jié)了碳纖維載體的二碘甲烷接觸角、Zeta 電位、范德華能量組分以及Hamaker 常數(shù)。結(jié)合式(1)、(2)和(3)，可知范德華勢(shì)能與載體表面的二碘甲烷接觸角相關(guān)，接觸角越小，范德華勢(shì)能越小，因而對(duì)微生物的引力越大，而接觸角主要受表面化學(xué)組成和粗糙度影響，含氧官能團(tuán)的增加會(huì)引起接觸角的減小。當(dāng)接觸角為銳角時(shí)，粗糙度的增加會(huì)進(jìn)一步減小接觸角。結(jié)合式(4)可知，靜電勢(shì)能與碳纖維載體表面的Zeta 電位相關(guān)，Zeta 電位越大，其靜電勢(shì)能越小，對(duì)微生物的斥力越小。

圖5(a)和(b)為碳纖維載體與大腸桿菌之間的范德華勢(shì)能和靜電勢(shì)能圖。與CF-0相比，改性載體有更小的二碘甲烷接觸角，并且當(dāng)三乙胺加入量越大，表面粗糙度越大，活性基團(tuán)含量越多，其接觸角越小，范德華勢(shì)能越小；但表面Zeta 電位數(shù)值減小，導(dǎo)致靜電勢(shì)能增加，并且三乙胺加入量越大，靜電勢(shì)能增加越明顯。圖5(c)為碳纖維載體與大腸桿菌之間的總勢(shì)能圖。從圖中可知，改性碳纖維載體與大腸桿菌之間的總勢(shì)能更低，并且體系中能量勢(shì)壘表現(xiàn)出明顯地降低，使得更多的大腸桿菌能夠越過(guò)此能壘，較容易固著在載體表面，從而增強(qiáng)固著能力。

表1 微生物的表面參數(shù)Table 1 Surface parameters of microorganisms

表2 碳纖維載體的表面參數(shù)Table 2 Surface parametersof carbon fiber supports

比較3種改性碳纖維載體可知：當(dāng)固著距離大于3 nm 時(shí)，CF-1.0的總勢(shì)能較大，CF-2.0和CF-3.0的總勢(shì)能基本相同，原因在于長(zhǎng)距離的固著過(guò)程中，范德華勢(shì)能起主要作用，CF-1.0的接觸角明顯大于另外2種改性碳纖維載體，因而其范德華勢(shì)能數(shù)值最大，導(dǎo)致總勢(shì)能最大。當(dāng)距離減少到1～2 nm 時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)總勢(shì)能曲線出現(xiàn)了能量勢(shì)壘，從大到小分別為CF-1.0，CF-3.0及CF-2.0。在短距離固著過(guò)程中，靜電勢(shì)能對(duì)總勢(shì)能影響較大，而CF-3.0的Zeta 電位小于其他2種改性碳纖維載體，使得其靜電勢(shì)能迅速增加，導(dǎo)致所產(chǎn)生的能量勢(shì)壘大于CF-2.0，因而其固著能力低于CF-2.0。因此，3種改性碳纖維載體中，當(dāng)rB=2.0時(shí)，碳纖維載體的總勢(shì)能最低，對(duì)于大腸桿菌的固著能力最強(qiáng)。

綜上所述，沉積聚酰胺酸薄膜后，碳纖維載體與大腸桿菌之間的范德華勢(shì)能降低，但靜電勢(shì)能出現(xiàn)升高，而總勢(shì)能在二者的疊加后仍是降低的，并且明顯低于原生碳纖維。除此之外，總勢(shì)能在變化過(guò)程中始終為負(fù)值，表示范德華勢(shì)能處于主導(dǎo)地位，表面沉積的聚酰胺酸薄膜可以顯著提高范德華勢(shì)能，降低靜電勢(shì)能的負(fù)面影響，從而使得大量的大腸桿菌能固著在載體表面上。

因此，在對(duì)材料進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，既要增加表面粗糙度以及含氧官能團(tuán)，降低表面的接觸角，增加范德華勢(shì)能，還應(yīng)盡量增加表面正電荷，避免靜電勢(shì)能對(duì)微生物固著的排斥效應(yīng)。

3.4 掛膜實(shí)驗(yàn)

對(duì)CF-2.0載體進(jìn)行掛膜實(shí)驗(yàn)，研究在污水中實(shí)際固著效果，結(jié)果如圖6所示。與原生碳纖維相比，CF-2.0具有較高的掛膜量，每g 載體可以固看3.8 g 污泥，是原生碳纖維掛膜量的2倍以上。Bao和Dai[14]采用陽(yáng)極氧化法改性碳纖維，得到最佳氧化碳纖維的掛膜量達(dá)到250%(每克載體固著2.5 g 污泥)。Hayashi 等[15]采用鎳鐵顆粒作為生物膜載體材料，發(fā)現(xiàn)具有高生物親和性，最高掛膜量可達(dá)2.5～3.0 g.m-2。因此，本文CF-2.0具有更大掛膜量，固著效果更佳。

圖6 碳纖維載體的掛膜量隨掛膜時(shí)間變化曲線圖Fig.6 Profiles of immobilized sludge amounts of different carbon fiber supports

4 結(jié) 論

聚酰胺酸改性碳纖維載體能夠增強(qiáng)其固著大腸桿菌的能力。根據(jù)DLVO理論，聚酰胺酸薄膜雖然使體系的靜電勢(shì)能升高，但顯著降低了范德華勢(shì)能。在二者疊加后，總勢(shì)能遠(yuǎn)低于原生碳纖維，使得更多的大腸桿菌穩(wěn)定地固著在碳纖維表面。當(dāng)羧基摩爾比為2.0時(shí)，制備出的碳纖維載體擁有最低的總勢(shì)能，固著大腸桿菌的能力最強(qiáng)，最大掛膜量達(dá)到每克載體固著3.8 g 污泥，污水中的固著效果明顯優(yōu)于原生碳纖維。因此，聚酰胺酸改性碳纖維為具有高生物親和性的生物膜載體。