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，潤濕性得到提高，并且增大了與樹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碳纖維進(jìn)行表面改性，根據(jù)乳液形成過程中不同的羧基摩爾比制備出3種改性載體，通過大腸桿菌固著實(shí)驗(yàn)表征其固著能力，利用DLVO理論計算載體與大腸桿菌之間的總勢能并分析固著機(jī)理，最后通過掛膜實(shí)驗(yàn)評價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，無水乙醇，二碘甲烷，尿素，磷酸二氫鈉，無水氯化鈣，硫酸鎂。試劑均為分析純。

主要儀器：直流電源(M8853型)，場發(fā)射掃描電鏡(Quanta FEG 250型)，傅里葉紅外光譜儀(Nicolet 5700型)，可見光分光光度計(7200型)，動態(tài)接觸角測試儀(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，再加入一定量的TEA 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，購于蘭州炭素廠。將原生碳纖維經(jīng)過預(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)，購于美國標(biāo)準(zhǔn)生物品收藏中心。將大腸桿菌置于營養(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，接著在對數(shù)期通過離心富集(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，用可見光分光光度計在不同時間點(diǎn)測定懸浮液的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，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能由范德華勢能和靜電勢能兩部分組成。

2.5.1范德華勢能

載體材料與微生物之間的范德華勢能計算式為[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，在每個取樣時間點(diǎn)，取下2個碳纖維束干燥稱重，計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處對應(yīng)O─H 伸縮振動；峰位在1 720 cm-1處對應(yīng)C═O(─COOH)伸縮振動；峰位在1 660 cm-1處對應(yīng)C═O(─CONH)伸縮振動；峰位在1 550 cm-1處對應(yīng)C─N(─C─NH)伸縮振動；峰位在2 800～3 200 cm-1處對應(yīng)N─H 伸縮振動。

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)對微生物的吸引力；與此同時，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)值隨著固著時間的變化曲線圖。在整個固著過程中，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，通過沉積聚酰胺酸薄膜后，碳纖維載體對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，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，范德華勢能越小，因而對微生物的引力越大，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)的增加會引起接觸角的減小。當(dāng)接觸角為銳角時，粗糙度的增加會進(jìn)一步減小接觸角。結(jié)合式(4)可知，靜電勢能與碳纖維載體表面的Zeta 電位相關(guān)，Zeta 電位越大，其靜電勢能越小，對微生物的斥力越小。

圖5(a)和(b)為碳纖維載體與大腸桿菌之間的范德華勢能和靜電勢能圖。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，范德華勢能越小；但表面Zeta 電位數(shù)值減小，導(dǎo)致靜電勢能增加，并且三乙胺加入量越大，靜電勢能增加越明顯。圖5(c)為碳纖維載體與大腸桿菌之間的總勢能圖。從圖中可知，改性碳纖維載體與大腸桿菌之間的總勢能更低，并且體系中能量勢壘表現(xiàn)出明顯地降低，使得更多的大腸桿菌能夠越過此能壘，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，CF-1.0的總勢能較大，CF-2.0和CF-3.0的總勢能基本相同，原因在于長距離的固著過程中，范德華勢能起主要作用，CF-1.0的接觸角明顯大于另外2種改性碳纖維載體，因而其范德華勢能數(shù)值最大，導(dǎo)致總勢能最大。當(dāng)距離減少到1～2 nm 時，可以發(fā)現(xiàn)總勢能曲線出現(xiàn)了能量勢壘，從大到小分別為CF-1.0，CF-3.0及CF-2.0。在短距離固著過程中，靜電勢能對總勢能影響較大，而CF-3.0的Zeta 電位小于其他2種改性碳纖維載體，使得其靜電勢能迅速增加，導(dǎo)致所產(chǎn)生的能量勢壘大于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，碳纖維載體的總勢能最低，對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能降低，但靜電勢能出現(xiàn)升高，而總勢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，總勢能在變化過程中始終為負(fù)值，表示范德華勢能處于主導(dǎo)地位，表面沉積的聚酰胺酸薄膜可以顯著提高范德華勢能，降低靜電勢能的負(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，在對材料進(jìn)行優(yōu)化時，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，增加范德華勢能，還應(yīng)盡量增加表面正電荷，避免靜電勢能對微生物固著的排斥效應(yīng)。

3.4 掛膜實(shí)驗(yàn)

對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能升高，但顯著降低了范德華勢能。在二者疊加后，總勢能遠(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，制備出的碳纖維載體擁有最低的總勢能，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。