孔祥鑫，范金玥，張 坤，黃 舉，黃曉麗，李 偉,2，劉守新,2

(1.東北林業(yè)大學(xué) 生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150040；2.東北林業(yè)大學(xué) 木質(zhì)新型材料教育部工程研究中心，哈爾濱 150040；3.中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院黑龍江水產(chǎn)研究所，哈爾濱 150070)

0 引 言

活性炭孔隙發(fā)達(dá)，比表面積巨大，具有良好的吸附性能[1]。當(dāng)活性炭在液相中吸附雜質(zhì)和有機(jī)物的同時(shí)，會(huì)滋生微生物。如凈水器長(zhǎng)時(shí)間使用后，其主要凈化材料活性炭表面棒狀桿菌屬含量呈指數(shù)倍增長(zhǎng)[2-3]。銀離子因其結(jié)構(gòu)的特異性具有廣譜、高效和不易產(chǎn)生耐藥性等特點(diǎn)，這使得銀具有優(yōu)異的殺菌性能[4-8]。研究表明[9-11]：載銀活性炭能將自來(lái)水中對(duì)人體有害的有機(jī)物以及未過(guò)濾完全的雜質(zhì)進(jìn)行吸附去除，并且具有銀抑制細(xì)菌生長(zhǎng)繁殖的特性。目前國(guó)內(nèi)外多采取將銀負(fù)載到活性炭上，從而實(shí)現(xiàn)殺菌作用。

Ag/AC的制備方法主要包括：浸漬法、摻雜法、電化學(xué)沉積法、還原法、超臨界水浸漬法等[12-16]。其中常壓浸漬法因其操作簡(jiǎn)單，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。Li[17]等將瀝青基纖維經(jīng)230 ℃預(yù)氧化90 min，950 ℃炭化20 min，繼續(xù)水蒸氣活化20 min制得活性炭纖維，常壓下將其浸漬在不飽和硝酸銀溶液中12 h，得到的載銀活性炭在12 h內(nèi)能夠殺死106CFU·mL-1的大腸桿菌。劉文宏[18]等在常壓下將活性炭浸漬于50 mg·L-1的銀氨溶液中制得的載銀活性炭，銀擔(dān)載量?jī)H為0.026 wt%，銀顆粒分布不均勻，對(duì)107CFU·mL-1的大腸桿菌只能抑制其生長(zhǎng)，無(wú)法將其殺滅，將其在流動(dòng)的自來(lái)水中放置20天，銀流失了70%。Park[19]等將活性炭纖維浸漬于10 g·L-1的硝酸銀溶液中，烘干后制得載銀量為0.03%的載銀活性炭纖維，并能在20 h內(nèi)殺死104CFU·mL-1的大腸桿菌，暴露在自來(lái)水中20 d進(jìn)行磨損實(shí)驗(yàn)，銀流失率為90% 。上述常壓浸漬法制備的載銀活性炭，銀含量低，分布不均勻，雖表現(xiàn)出抑菌性能，但銀流失快，水中銀含量超標(biāo)進(jìn)而導(dǎo)致重金屬離子中毒。真空浸漬法采用抽真空的方式在脫除多孔材料內(nèi)部吸附的氣體，水份和雜質(zhì)的同時(shí)使浸漬溶液離子更均勻的進(jìn)入其表面及孔道內(nèi)部。王自強(qiáng)[20]基于該方法采用醋酸銀真空浸漬制備出銀擔(dān)載量為0.97%的Ag/AC，銀顆粒大小、分布較為均勻，能在120 min內(nèi)殺滅107CFU·mL-1濃度的E.coil，銀流失率為37.6%，具有優(yōu)異的抗菌性能及抗銀流失性能。但由于醋酸銀在常溫下僅微溶于水(10.2 g·L-1，20 ℃)；相比之下硝酸銀易溶于水(2 190 g·L-1，20 ℃)，且價(jià)格相對(duì)低廉。

本研究采用硝酸銀(AgNO3)真空浸漬制備載銀椰殼活性炭，掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線(xiàn)衍射(XRD)、比表面積分析儀分別對(duì)Ag/AC表面形態(tài)、晶體結(jié)構(gòu)、比表面積和孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。以大腸埃希桿菌(E.coli)為實(shí)驗(yàn)菌種考察Ag/AC的抑菌殺菌作用，通過(guò)振蕩法研究Ag/AC的抗銀流失性能。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料與儀器

椰殼活性炭(江蘇哈特爾碳材料科技有限公司)；硝酸銀、硫酸鐵(Ⅲ)銨、硫氰酸鈉、氫氧化鈉和濃硝酸均為市售分析純。營(yíng)養(yǎng)瓊脂、大腸桿菌(黑龍江省應(yīng)用微生物研究所)。

SK-2-12型管式電阻爐，天津華北實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；ESJ208-4型電子天平，沈陽(yáng)龍騰電子有限公司；GZX-9140MBE型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海博迅實(shí)業(yè)設(shè)備廠(chǎng)；SPX-150-Z振蕩培養(yǎng)箱，上海躍進(jìn)醫(yī)療器械廠(chǎng)；SX2-4-10型馬弗爐，天津中環(huán)實(shí)驗(yàn)電爐有限公司；Quanta 200掃描電子顯微鏡，荷蘭FEI公司；ASAP 2020型全自動(dòng)比表面積和孔隙度分析儀，美國(guó)micromeritic公司；D/MAX 2200型X射線(xiàn)衍射儀，日本理學(xué)株式會(huì)社；ICP-MS 7500型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀，美國(guó)安捷倫科技有限公司。

1.2 Ag/AC的制備及銀含量測(cè)定

將洗凈的活性炭置于105 ℃ 干燥箱中烘24 h，待其完全干燥后放干燥器中(記為AC)。每次稱(chēng)取10 g AC浸漬于裝有50 ml AgNO3溶液(濃度分別為1.0，2.0，4.0，8.0 g·L-1)的燒杯中，將該燒杯放置于真空干燥箱內(nèi)，接通真空閥抽氣至箱內(nèi)真空度達(dá)到-0.1 MPa，在該真空狀態(tài)下浸漬12 h。浸漬完成后，將該AC用蒸餾水洗滌至沒(méi)有銀離子檢出，然后仍按上述真空操作在真空干燥箱中65 ℃下烘6 h。烘干后，置于管式爐中，于N2氣氛下，以5℃/min的升溫速率升溫至500 ℃煅燒2 h。產(chǎn)物分別標(biāo)記為Ag/AC-1、Ag/AC-2、Ag/AC-4、Ag/AC-8所得的Ag/AC用硫氰化物測(cè)銀法測(cè)定其載銀量[21]。

1.3 表征方法

利用荷蘭FEI公司生產(chǎn)的Quanta 200型掃描電子顯微鏡，對(duì)Ag/AC的表面形貌進(jìn)行觀(guān)察；XRD在日本理學(xué)D/max-rB型X射線(xiàn)衍射儀上進(jìn)行，測(cè)試條件為：室溫，CuKα射線(xiàn)，管電壓40 kV，管電流30 mA；采用比表面積及孔隙分析儀得到吸附曲線(xiàn)，從而分析4種不同載銀量的Ag/AC樣品的孔隙結(jié)構(gòu)的特征。

1.4 抗菌及抗銀流失性能測(cè)試

用1.0 g蛋白凍、0.5 g牛肉膏、0.5 g NaCl、2.0 g瓊脂、100 mL蒸餾水，在pH 7.2的條件下配置大腸桿菌培養(yǎng)液。錐形瓶中加入蒸餾水，少量培養(yǎng)液，1.0 g Ag/AC，放置于滅菌鍋中高溫高壓滅菌30 min。滅菌后在無(wú)菌實(shí)驗(yàn)臺(tái)接入菌種，每隔一段時(shí)間用稀釋平板法測(cè)定(條件:37 ℃，培養(yǎng)48 h)細(xì)菌濃度。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)[22]。

向錐形瓶中加入2 g Ag/AC及100 mL蒸餾水，25 ℃恒溫條件下以120 r·min-1轉(zhuǎn)速振蕩15 d，每72 h取5 mL水樣，加入1 mL優(yōu)級(jí)純硝酸進(jìn)行固定。用ICP-MS質(zhì)譜儀測(cè)水中銀的濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 SEM分析

如圖1所示為AC及Ag/AC的SEM圖。當(dāng)浸漬濃度較小為1 g·L-1和2 g·L-1時(shí)，所載單質(zhì)銀顆粒細(xì)小，分布均勻；當(dāng)浸漬濃度達(dá)到4 g·L-1后，負(fù)載的銀粒子數(shù)量逐漸增加，并由于熟化現(xiàn)象活性炭表面的銀不斷吸附沉積更多細(xì)小的銀顆粒，從而逐漸變大出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，孔道內(nèi)負(fù)載銀顆粒后因接觸面積大，難以被表面團(tuán)聚的銀顆粒吸附轉(zhuǎn)移從而在孔道內(nèi)逐漸變大；濃度進(jìn)一步加大至8 g·L-1時(shí)，團(tuán)聚現(xiàn)象加劇。Ag/AC的銀顆粒主要均勻地分布在活性炭表面，也有少量分布在其孔道內(nèi)；隨著浸漬溶液濃度的增大，AC表面銀顆粒增多，粒徑增大，同時(shí)部分銀顆粒開(kāi)始發(fā)生團(tuán)聚并堵塞孔道導(dǎo)致分布均勻性降低。根據(jù)比例尺能夠判斷出銀顆粒粒徑大多在200～600 nm之間，少量銀顆粒因團(tuán)聚可達(dá)800 nm。

圖1 Ag/AC的SEM圖Fig.1 SEM diagram of Ag/AC

2.2 載銀量及孔結(jié)構(gòu)分析

不同濃度AgNO3溶液浸漬生成的Ag/AC銀含量如圖2所示，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1。隨著AgNO3溶液浸漬濃度從1.0 g·L-1逐漸增加至8.0 g·L-1，載銀量從0.08%上升到0.44%；Ag/AC的比表面積、總孔容、平均孔徑降低。原因在于銀擔(dān)載量的提高導(dǎo)致生成的部分銀顆粒堵塞活性炭部分孔道。

圖2 Ag/AC的銀含量Fig.2 Silver content of Ag/AC

表1 不同AgNO3濃度條件下制備Ag/AC的結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖3為AC及Ag/AC的氮?dú)馕?脫附等溫曲線(xiàn)。所有曲線(xiàn)均符合Ⅳ型等溫線(xiàn)特點(diǎn)，P/P0<0.1時(shí)，壓力增加，吸附量急劇增大并開(kāi)始出現(xiàn)毛細(xì)凝聚現(xiàn)象，證明AC中含有微孔；在相對(duì)壓力P/P0為0.4～0.9處有典型的H4型滯后環(huán)，這表明AC中含有分布較廣的狹縫狀中孔；當(dāng)P/P0>0.97時(shí)，氮?dú)馕搅垦杆偕撸砻鰽C中含有分布窄、尺寸大的孔。而當(dāng)AC載銀后，Ag/AC吸附等溫線(xiàn)與AC類(lèi)似，但隨著浸漬濃度的升高，載銀量的增大使得AC中的微孔被銀顆粒堵塞，從而導(dǎo)致P/P0向低壓區(qū)移動(dòng)。滯后環(huán)逐漸變小說(shuō)明當(dāng)載銀量增加到一定值后，銀顆粒開(kāi)始堵塞中孔。當(dāng)P/P0>0.97時(shí)，載銀量增大，Ag/AC大孔的吸附量逐漸降低，在A(yíng)g/AC-4和Ag/AC-8表現(xiàn)最為明顯，這表明此時(shí)銀顆粒出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，粒徑較大的銀顆粒堵塞大孔孔隙，這與SEM圖所觀(guān)察到的相吻合。

圖3 Ag/AC的氮?dú)馕?脫附曲線(xiàn)Fig.3 Nitrogen adsorption-de-adhesion curve of Ag/AC

2.3 XRD分析

AC與Ag/AC的X射線(xiàn)衍射圖(圖4)可以看出：當(dāng)2θ值在23°左右時(shí)，XRD圖上均出現(xiàn)一寬峰對(duì)應(yīng)石墨微晶(002)的亂層結(jié)構(gòu)。根據(jù)JCPDS卡片04-0783[23-24]中銀的3個(gè)衍射峰恰好與該Ag/AC中2θ值分別為38.02°、44.41°以及64.5°的衍射峰相對(duì)應(yīng)，這3組衍射峰分別表示立方晶系A(chǔ)g(111)、(200)、(220)的3個(gè)晶面，表明銀離子被還原成單質(zhì)銀分布在A(yíng)C表面。Ag/AC-1、Ag/AC-2雖然在相同處也出現(xiàn)了銀的衍射峰、但衍射峰較弱，Ag/AC-4和Ag/AC-8的銀的衍射峰更強(qiáng)更明顯。原因在于當(dāng)浸漬濃度越大時(shí)，其載銀量越多，銀顆粒的結(jié)晶度更好，則XRD譜圖中銀所對(duì)應(yīng)的衍射峰越強(qiáng)。

圖4 Ag/AC的XRD圖Fig.4 XRD figure of Ag/AC

2.4 抗菌性能

銀抗菌主要包括4步：破壞細(xì)胞壁及細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)、影響菌體內(nèi)環(huán)境、損傷菌體DNA、產(chǎn)生活性氧自由基殺菌[25-28]。Ag/AC的殺菌效果如圖5所示。以AC為空白對(duì)照，接種E.coli，AC沒(méi)有表現(xiàn)出抗菌性，E.coli的濃度逐漸上升。當(dāng)載銀量為0.08%時(shí)，培養(yǎng)2 h后，E.coli濃度變化不大，表明此時(shí)Ag/AC對(duì)E.coli主要起到抑制作用，殺菌效果不顯著；當(dāng)載銀量為0.19%時(shí)，培養(yǎng)2 h E.coli濃度降低，殺菌率為28.12% ，Ag/AC殺菌效果初見(jiàn)成效；當(dāng)載銀量為0.28%時(shí)，2 h后，E.coli濃度從107CFU mL-1降至106CFU mL-1以下下降了一個(gè)數(shù)量級(jí)，殺菌率為49.95%；載銀量最大為0.44%時(shí)，2 h后，E.coli濃度下降3個(gè)數(shù)量級(jí)降至104CFU·mL-1以下，殺菌效果明顯，殺菌率高達(dá)99.26%。

圖5 Ag/AC對(duì)大腸桿菌的抗菌性能Fig.5 Antibacterial properties of Ag/AC on E. coli

2.5 抗銀流失性能

在25 ℃恒溫水浴震蕩的條件下，Ag/AC抗銀流失性能的測(cè)試結(jié)果如圖6所示：Ag/AC-1、Ag/AC-2在震蕩15天后，水中銀含量分別為0.074%、0.105%，銀流失率高，Ag/AC-1銀流失率為92.50%，Ag/AC-2銀流失率為55.26%；Ag/AC-4、Ag/AC-8雖經(jīng)震蕩后水中銀含量較多，但因其AC中載銀量大，故銀流失率相對(duì)更低分別為38.57%、30.00%，抗銀流失性能優(yōu)異。震蕩初期，Ag/AC表面的銀極易脫落，此后Ag/AC的銀流失率不斷下降，且Ag/AC溶出銀的速率逐漸趨于穩(wěn)定。對(duì)照試驗(yàn)表明，常壓浸漬法制備Ag/AC在振蕩15天后，銀的流失率(94.23%)。采用真空浸漬法制備的Ag/AC銀緩釋效果優(yōu)越。

圖6 Ag/AC流失銀含量與振蕩時(shí)間的關(guān)系Fig.6 Relationship between Ag/AC silver loss content and oscillation time

3 結(jié) 論

離子在A(yíng)C表面被還原成單質(zhì)銀；浸漬AgNO3溶液濃度從1.0增加至8.0 g·L-1，載銀量從0.08%增加到0.44%，銀粒徑從200增大至600 nm，少量銀顆粒因發(fā)生團(tuán)聚，粒徑可達(dá)800 nm，Ag/AC的比表面積、總孔容、平均孔徑減小，殺菌性能與抗銀流失性能提高。

AgNO3溶液浸漬濃度為8.0 g·L-1時(shí)，載銀量最大(0.44%)，殺菌性能最佳(99.26%)，2 h內(nèi)E.coli濃度下降3個(gè)數(shù)量級(jí)降至104CFU·mL-1以下，在水中振蕩15天，銀流失率為30%，溶出銀的速率逐漸趨于穩(wěn)定。對(duì)比相同條件下常壓浸漬得到Ag/AC銀流失率(94.23%)，真空浸漬制備的載銀椰殼活性炭在保持高殺菌率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了銀緩釋。