Y型沸石/纖維素復合材料的制備及抗菌性能研究

陳 晨，王 榮，徐孝文

（蘇州科技大學 化學與生命科學學院，江蘇 蘇州215009）

由于水資源管理不善，水體細菌污染日益嚴重，在發展中國家，每年有超過30%的人口無法獲得干凈衛生的飲用水，飲用水安全問題亟待解決[1-2]。目前，已有文獻報道利用離子交換、反滲透、納濾等技術[3]來凈化水資源，但這些技術存在成本高、微生物處理效率低等問題。

低硅鋁比沸石具有更強的離子交換性能，交換后具有一定的緩釋性且穩定性較高，常被選為抗菌金屬離子載體[4]，將沸石中Na+交換成Ag+、Cu2+、Zn2+等抗菌離子是合成無機抗菌材料的常用策略[5]。但粉末狀的沸石直接用于水凈化中還需要考慮固液分離，增大了處理難度[6]。研究者研發出沸石-纖維素復合材料，如沸石-醋酸纖維素混合基質膜用于CO2/N2分離和CO2捕獲[7]、沸石-纖維素膜對重金屬離子的吸附[8]等，由于微雜質去除效率較高，復合膜技術在水處理領域得到了越來越多的應用[9-16]。纖維素是地球上最豐富的生物聚合物，具有成本效益高、可再生性、可生物降解等優點，研究表明，選擇天然纖維素材料（如濾紙、棉、布等）作為模板在纖維表面組裝不同的客體材料，可以制備多種功能納米材料[17]。傳統的沸石纖維素復合材料，一般通過物理吸附或浸漬的方式將沸石與纖維素進行復合，沸石與基體纖維素之間僅涉及較弱的相互作用，穩定性較差，不利于循環使用[6，18]。

筆者采用沸石在纖維素上原位合成的方法，使沸石在纖維素上具有較強的附著力、較高的負載能力和較小的浸出量，并且提高了復合物的化學穩定性和熱穩定性，拓寬了應用領域。選用濾紙作為沸石生長基材，將濾紙浸漬于沸石前驅體溶液中，通過對反應溫度、結晶時間、溶液堿度等條件的優化，使濾紙纖維素劇烈溶脹并產生大量的納米級空穴給沸石結晶提供生長空間[19]，合成出沸石/纖維素復合材料，通過離子交換，使沸石/纖維素復合材料負載Cu2+、Zn2+抗菌金屬離子[20-21]，得到理想的無機抗菌材料。

1 實驗部分

1.1 原料與試劑

試劑為分析純。氫氧化鈉顆粒（NaOH），六水三氯化鋁（AlCl3·6H2O），九水偏硅酸鈉（Na2SiO3·9H2O），國藥集團化學試劑有限公司。濾紙（厚度0.53 mm），杭州特種紙有限公司。六水硝酸鋅（Zn（NO3）2·6H2O），武漢普瑞尼森精細化工有限公司。五水硫酸銅（CuSO4·5H2O），中國上海試劑集團。革蘭氏陰性菌大腸桿菌BL-21（DE3），上海沃克生物發展中心。營養瓊脂和營養肉湯，湖南生物技術有限公司。

1.2 沸石/纖維素復合材料的制備與表征

稱取0.800 0 g氫氧化鈉、3.979 1 g九水偏硅酸鈉和0.965 7 g六水三氯化鋁溶于16 mL去離子水，劇烈攪拌45 min，充分溶解后，得到乳白色的沸石前驅體溶液。將濾紙（用FP表示）裁剪成直徑5 cm的圓形，并置于沸石前驅液中，超聲處理10 min。浸漬過后的濾紙放入75 mL聚四氟乙烯內襯不銹鋼高壓釜185℃加熱12 h，反應完成后取出用去離子水進行洗滌、干燥，即得負載鈉離子的沸石/纖維素復合物（NaY/FP）。將合成的復合物浸漬于鋅-銅混合溶液（Zn2+、Cu2+濃度均為0.01 mol·L-1）5 d，得到負載鋅、銅離子具有抗菌性能的無機復合材料ZnY&CuY/FP。

用Rigaku D-MAX/II-A型X射線粉末衍射儀（XRD）對樣品結構進行測試，條件為CuKα射線（λ=0.154 18 nm），Ni濾波，管壓30 kV，電流20 mA，掃描速度5°·min-1，掃描范圍5~60°（2θ）。用X射線熒光分光光度計（XRF）測定元素含量。采用JSM-7800FF系列掃描電鏡（SEM）對物質形貌進行表征，用PerkinElmer熱重分析儀（TGA）分析了產物的熱穩定性和沸石負載量。

1.3 復合物抗菌性能探究

1.3.1 抑菌圈實驗

采用紙片擴散實驗[22-23]，將圓形薄膜（10 mm）樣品放置在瓊脂板（大腸桿菌細菌濃度1×107CFU·L-1）上，在37℃下孵育24 h，測定抑菌圈ZOI。

1.3.2 殺菌效率測試

用ASTME2149-2001方法測定復合材料的殺滅效率。在砂芯過濾器上放置直徑5 cm復合材料ZnY&CuY/FP，重力下過濾5 mL大腸桿菌懸液（濃度為1×109CFU·L-1），收集100 μL濾液，然后在37℃下孵育24 h，計算殺菌效率。

1.3.3 細菌生長曲線測試

將復合膜（250 mg）放置在50 mL的大腸桿菌細菌懸液中（OD600=0.05），在搖床（120 r·min-1）上孵育24 h，每隔2 h收集2.5 mL的溶液，用722S型紫外可見分光光度計測量收集溶液的OD600值。

1.3.4 復合材料ZnY&CuY/FP在天然水中的消毒作用

取蘇州市石湖水樣，過濾掉水中固體雜質，采用砂芯過濾器作為簡單的過濾設備，分別將直徑為5 cm的NaY/FP樣品和ZnY&CuY/FP樣品夾在過濾器支架和過濾器之間，對500 mL水樣進行過濾，收集200 μL濾液在瓊脂上孵育過夜，形成菌落單位計數。大腸菌群是表明水系統中可能存在腸道病原體的指標，用大腸菌群試紙檢測大腸菌群（be211）。

2 結果與討論

2.1 SEM表征

圖1 A為復合材料ZnY&CuY/FP經過500℃高溫煅燒后，濾紙灰發后剩余的沸石圖，在纖維素上原位合成的沸石為亞微米尺寸（直徑小于500 nm）。圖1B為未經處理的濾紙，濾紙中的纖維素都緊密地交織在一起。圖1C和圖1D分別為放大2 000倍和10 000倍數下的ZnY&CuY/FP的形貌，由圖1可以明顯地看出在纖維素上有沸石顆粒分布，且沸石緊密地嵌在纖維素中，說明兩者很好地結合在一起，形成了新的復合材料。

圖1 SEM圖

2.2 XRD與XRF表征

圖2 為在纖維素上原位合成的沸石XRD圖譜。

由圖2可知，在2θ=6.1°、15.7°、23.7°、27.0°、31.0°處有明顯的布拉格衍射峰，對應的晶面分別為（1 1 1）、（3 3 1）、（5 3 3）、（6 4 2）和（7 5 1），通過與Y型沸石標準比色卡（PDF#45-0112）對比可知，這些都是典型的八面沸石的衍射峰。

圖2 沸石的XRD圖譜

表1 為ZnY&CuY/FP的XRF掃描數據。由表1可知，沸石中SiO2/Al2O3比值為3.24，表明在濾紙上生長的沸石為Y型沸石。XRF并未檢測到復合材料中鈉離子的存在，說明離子交換過程中鈉離子基本被銅、鋅離子替換掉。

表1 沸石/纖維素復合物XRF掃描數據（不包含碳元素）

圖3 是復合材料ZnY&CuY/FP與濾紙纖維素的XRD譜圖。由圖3可知，在2θ=15.4°、22.4°和34.5°處，均出現纖維素的衍射峰，在沸石/纖維素復合材料的XRD圖譜中，除了纖維素特征峰外，還出現了明顯的Y型沸石特征峰，由于沸石負載量較少，所以衍射峰強度較弱，復合材料XRD測試結果說明在合適的反應條件下，沸石順利在纖維素上原位合成，達到預期實驗目標。

圖3 沸石和沸石/纖維素復合物的XRD圖譜

2.3 復合材料TGA分析

圖4 為復合材料ZnY&CuY/FP與濾紙TGA圖。由圖4可知，沸石/纖維素復合材料從253.4℃開始分解，纖維素從224.8℃開始分解，低于復合材料的分解溫度。此外，復合材料分解速率也較慢，表明沸石在纖維素上原位生長形成較強的交聯而增強了熱穩定性。由圖4亦可知，在800℃時，纖維素基本上被焚燒，濾紙的雜質含量約為1.6wt%，復合材料的殘留含量約為22.8wt%。因此，可以推斷沸石負載量約為20wt%。

圖4 復合材料與纖維素（濾紙）的TGA圖

2.4 抗菌性測試

將Y型沸石/纖維素復合材料NaY/FP，通過與硝酸銀溶液離子交換得到負載銀離子的AgY/FP復合材料，與負載鋅離子、銅離子的ZnY&CuY/FP復合材料抗菌性作對比。

圖5 為負載不同金屬離子的復合材料的抑菌圈實驗結果對比圖。由圖5可知，載體濾紙本身對大腸桿菌無抗菌性，NaY/FP材料有略微的抗菌性。經過離子交換后的ZnY&CuY/FP和AgY/FP復合材料具有明顯的抑制區。

表2 為不同材料的抑菌圈寬度。由表2可知，殺菌能力的順序：Zn2+&Cu2+>Ag+，鋅、銅離子的協同殺菌作用效果優于銀離子的殺菌效果[24]。銀系無機抗菌材料是目前研究最多、最廣泛的抗菌劑，但從圖5可以看出銀離子材料因氧化作用，發生明顯的變色，商業上銀負載量通常需要減少（小于2.5wt%）以避免顏色變化，這將導致抑菌效果低、耐久性差，而且銀的價格遠遠高于銅和鋅的價格。 因此，考慮到經濟效益和殺菌應用效果，用鋅和銅代替銀制備新型抗菌材料是一種經濟實用的方法[5]。

表2 樣品對大腸桿菌的抑菌圈寬度

圖5 負載不同金屬離子的復合材料的抑菌圈

復合材料的直接接觸殺菌能力是抗菌性離子交換的結果，推測抗菌機理如下：（1）當沸石中的金屬離子與大腸桿菌接觸時，因大腸桿菌細胞膜帶有負電荷，金屬離子能依靠庫倫引力吸附至細胞壁表面，并與細胞壁肽聚糖發生反應，造成細菌固有成分被破壞或生產功能障礙而導致大腸桿菌死亡；（2）金屬離子與大腸桿菌內蛋白類物質接觸時，金屬離子會與蛋白質中的巰基結合，形成不可逆的含硫化合物，進而干擾巰基酶的活性，使細菌的糖代謝等正常生理功能受阻，從而導致細菌死亡[24]。

圖6 為濾紙和ZnY&CuY/FP復合材料過濾大腸桿菌溶液后，在100 μL濾液中殘留的大腸桿菌活菌數。由圖6可知，濾紙即使有過濾作用，但仍然無法截留微小的大腸桿菌，濾液中仍有大量活菌存在。而復合材料ZnY&CuY/FP在過濾過程中因抗菌離子的釋放，可以將大腸桿菌殺死，濾液中幾乎沒有活菌的存在。通過計算可得，ZnY&CuY/FP的殺菌效率達到99%，由此可見，Cu2+和Zn2+協同作用具有優異的殺菌效果。

圖6 濾紙（A）與復合材料（B）的殺菌效果對比

圖7 為復合材料ZnY&CuY/FP和濾紙對大腸桿菌生長曲線的影響。通過對大腸桿菌生長曲線進行測試，以評價ZnY&CuY/FP作為無機抗菌劑可持續性和耐久性。由圖7可知，濾紙對細菌生長無顯著影響，而離子交換后的復合材料ZnY&CuY/FP，由于沸石內銅離子和鋅離子的緩慢釋放，和細菌直接接觸反應，在24 h內觀察期內有效地抑制細菌生長，表明復合材料ZnY&CuY/FP具有持久、穩定的抗菌性能。

圖7 不同樣品在相同時間段內的抑菌效果

2.5 復合材料ZnY&CuY/FP對天然水的消毒作用

表3 為湖水經過過濾紙和ZnY&CuY/FP復合膜過濾前、后檢測出的細菌數量和大腸菌群數。由表3可知，原水樣中總活菌和大腸菌群的濃度分別為2.5×106CFU·L-1和3.5×105MPN·L-1。濾紙過濾后的水樣中，活菌和大腸菌群的平均濃度分別約為2.4×106CFU·L-1和3.3×105MPN·L-1，遠高于WHO飲用水要求[1]（細菌總數小于100 CFU·L-1，無大腸菌群）。而復合材料ZnY&CuY/FP過濾后的水樣中，殺菌率超過99.5%。在材料ZnY&CuY/FP處理的100 mL水中未檢測到大腸菌群。

表3 經濾紙和ZnY&CuY/FP復合材料過濾后湖水中的細菌數量和大腸菌群

圖8 為復合材料ZnY&CuY/FP連續重復過濾天然水樣5次后濾液中的總菌數。由圖8可知，在復合材料ZnY&CuY/FP重復試驗過濾5次天然水后，總細菌濃度均保持在37 CFU·L-1以下，符合WHO飲用水細菌數安全標準。實驗結果證明了復合材料ZnY&CuY/FP具有良好、持久的抗菌穩定性和殺菌能力，可以高效地應用在貧困地區飲用水消毒上。

圖8 ZnY&CuY/FP殺菌穩定性試驗

3 結語

實驗以濾紙為原料，使Y型沸石在纖維素上原位生長，通過SEM、XRD表征，表明沸石與纖維素成功復合，XRF表明離子交換完全，TGA表明沸石負載量約20wt%且熱穩定性好。通過抗菌檢測實驗，證明了經過負載抗菌離子的沸石/纖維素復合材料ZnY&CuY/FP具有有效、持久、穩定的抗菌性能，為貧困地區飲用水細菌污染處理技術提供了綠色環保、經濟有效的實驗思路。