AgNO3真空浸漬制備殺菌銀緩釋椰殼活性炭研究*

孔祥鑫，范金玥，張 坤，黃 舉，黃曉麗，李 偉,2，劉守新,2

(1.東北林業大學 生物質材料科學與技術教育部重點實驗室，哈爾濱 150040；2.東北林業大學 木質新型材料教育部工程研究中心，哈爾濱 150040；3.中國水產科學研究院黑龍江水產研究所，哈爾濱 150070)

0 引 言

活性炭孔隙發達，比表面積巨大，具有良好的吸附性能[1]。當活性炭在液相中吸附雜質和有機物的同時，會滋生微生物。如凈水器長時間使用后，其主要凈化材料活性炭表面棒狀桿菌屬含量呈指數倍增長[2-3]。銀離子因其結構的特異性具有廣譜、高效和不易產生耐藥性等特點，這使得銀具有優異的殺菌性能[4-8]。研究表明[9-11]：載銀活性炭能將自來水中對人體有害的有機物以及未過濾完全的雜質進行吸附去除，并且具有銀抑制細菌生長繁殖的特性。目前國內外多采取將銀負載到活性炭上，從而實現殺菌作用。

Ag/AC的制備方法主要包括：浸漬法、摻雜法、電化學沉積法、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單，成本低廉等優點而被廣泛應用。Li[17]等將瀝青基纖維經230 ℃預氧化90 min，950 ℃炭化20 min，繼續水蒸氣活化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，銀擔載量僅為0.026 wt%，銀顆粒分布不均勻，對107CFU·mL-1的大腸桿菌只能抑制其生長，無法將其殺滅，將其在流動的自來水中放置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內殺死104CFU·mL-1的大腸桿菌，暴露在自來水中20 d進行磨損實驗，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，雖表現出抑菌性能，但銀流失快，水中銀含量超標進而導致重金屬離子中毒。真空浸漬法采用抽真空的方式在脫除多孔材料內部吸附的氣體，水份和雜質的同時使浸漬溶液離子更均勻的進入其表面及孔道內部。王自強[20]基于該方法采用醋酸銀真空浸漬制備出銀擔載量為0.97%的Ag/AC，銀顆粒大小、分布較為均勻，能在120 min內殺滅107CFU·mL-1濃度的E.coil，銀流失率為37.6%，具有優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 ℃)，且價格相對低廉。

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射線衍射(XRD)、比表面積分析儀分別對Ag/AC表面形態、晶體結構、比表面積和孔結構進行分析。以大腸埃希桿菌(E.coli)為實驗菌種考察Ag/AC的抑菌殺菌作用，通過振蕩法研究Ag/AC的抗銀流失性能。

1 實 驗

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。營養瓊脂、大腸桿菌(黑龍江省應用微生物研究所)。

SK-2-12型管式電阻爐，天津華北實驗儀器有限公司；ESJ208-4型電子天平，沈陽龍騰電子有限公司；GZX-9140MBE型電熱恒溫鼓風干燥箱，上海博迅實業設備廠；SPX-150-Z振蕩培養箱，上海躍進醫療器械廠；SX2-4-10型馬弗爐，天津中環實驗電爐有限公司；Quanta 200掃描電子顯微鏡，荷蘭FEI公司；ASAP 2020型全自動比表面積和孔隙度分析儀，美國micromeritic公司；D/MAX 2200型X射線衍射儀，日本理學株式會社；ICP-MS 7500型電感耦合等離子體質譜儀，美國安捷倫科技有限公司。

1.2 Ag/AC的制備及銀含量測定

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，接通真空閥抽氣至箱內真空度達到-0.1 MPa，在該真空狀態下浸漬12 h。浸漬完成后，將該AC用蒸餾水洗滌至沒有銀離子檢出，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。產物分別標記為Ag/AC-1、Ag/AC-2、Ag/AC-4、Ag/AC-8所得的Ag/AC用硫氰化物測銀法測定其載銀量[21]。

1.3 表征方法

利用荷蘭FEI公司生產的Quanta 200型掃描電子顯微鏡，對Ag/AC的表面形貌進行觀察；XRD在日本理學D/max-rB型X射線衍射儀上進行，測試條件為：室溫，CuKα射線，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，從而分析4種不同載銀量的Ag/AC樣品的孔隙結構的特征。

1.4 抗菌及抗銀流失性能測試

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液。錐形瓶中加入蒸餾水，少量培養液，1.0 g Ag/AC，放置于滅菌鍋中高溫高壓滅菌30 min。滅菌后在無菌實驗臺接入菌種，每隔一段時間用稀釋平板法測定(條件:37 ℃，培養48 h)細菌濃度。每次抗菌實驗均同時進行空白和平行對照實驗[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轉速振蕩15 d，每72 h取5 mL水樣，加入1 mL優級純硝酸進行固定。用ICP-MS質譜儀測水中銀的濃度。

2 結果與討論

2.1 SEM分析

如圖1所示為AC及Ag/AC的SEM圖。當浸漬濃度較小為1 g·L-1和2 g·L-1時，所載單質銀顆粒細小，分布均勻；當浸漬濃度達到4 g·L-1后，負載的銀粒子數量逐漸增加，并由于熟化現象活性炭表面的銀不斷吸附沉積更多細小的銀顆粒，從而逐漸變大出現團聚現象，孔道內負載銀顆粒后因接觸面積大，難以被表面團聚的銀顆粒吸附轉移從而在孔道內逐漸變大；濃度進一步加大至8 g·L-1時，團聚現象加劇。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；隨著浸漬溶液濃度的增大，AC表面銀顆粒增多，粒徑增大，同時部分銀顆粒開始發生團聚并堵塞孔道導致分布均勻性降低。根據比例尺能夠判斷出銀顆粒粒徑大多在200～600 nm之間，少量銀顆粒因團聚可達800 nm。

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

2.2 載銀量及孔結構分析

不同濃度AgNO3溶液浸漬生成的Ag/AC銀含量如圖2所示，結構參數如表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。原因在于銀擔載量的提高導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的結構參數

圖3為AC及Ag/AC的氮氣吸附-脫附等溫曲線。所有曲線均符合Ⅳ型等溫線特點，P/P0<0.1時，壓力增加，吸附量急劇增大并開始出現毛細凝聚現象，證明AC中含有微孔；在相對壓力P/P0為0.4～0.9處有典型的H4型滯后環，這表明AC中含有分布較廣的狹縫狀中孔；當P/P0>0.97時，氮氣吸附量迅速升高，表明AC中含有分布窄、尺寸大的孔。而當AC載銀后，Ag/AC吸附等溫線與AC類似，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，從而導致P/P0向低壓區移動。滯后環逐漸變小說明當載銀量增加到一定值后，銀顆粒開始堵塞中孔。當P/P0>0.97時，載銀量增大，Ag/AC大孔的吸附量逐漸降低，在Ag/AC-4和Ag/AC-8表現最為明顯，這表明此時銀顆粒出現團聚現象，粒徑較大的銀顆粒堵塞大孔孔隙，這與SEM圖所觀察到的相吻合。

圖3 Ag/AC的氮氣吸附-脫附曲線Fig.3 Nitrogen adsorption-de-adhesion curve of Ag/AC

2.3 XRD分析

AC與Ag/AC的X射線衍射圖(圖4)可以看出：當2θ值在23°左右時，XRD圖上均出現一寬峰對應石墨微晶(002)的亂層結構。根據JCPDS卡片04-0783[23-24]中銀的3個衍射峰恰好與該Ag/AC中2θ值分別為38.02°、44.41°以及64.5°的衍射峰相對應，這3組衍射峰分別表示立方晶系Ag(111)、(200)、(220)的3個晶面，表明銀離子被還原成單質銀分布在AC表面。Ag/AC-1、Ag/AC-2雖然在相同處也出現了銀的衍射峰、但衍射峰較弱，Ag/AC-4和Ag/AC-8的銀的衍射峰更強更明顯。原因在于當浸漬濃度越大時，其載銀量越多，銀顆粒的結晶度更好，則XRD譜圖中銀所對應的衍射峰越強。

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：破壞細胞壁及細胞膜結構、影響菌體內環境、損傷菌體DNA、產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為空白對照，接種E.coli，AC沒有表現出抗菌性，E.coli的濃度逐漸上升。當載銀量為0.08%時，培養2 h后，E.coli濃度變化不大，表明此時Ag/AC對E.coli主要起到抑制作用，殺菌效果不顯著；當載銀量為0.19%時，培養2 h E.coli濃度降低，殺菌率為28.12% ，Ag/AC殺菌效果初見成效；當載銀量為0.28%時，2 h后，E.coli濃度從107CFU mL-1降至106CFU mL-1以下下降了一個數量級，殺菌率為49.95%；載銀量最大為0.44%時，2 h后，E.coli濃度下降3個數量級降至104CFU·mL-1以下，殺菌效果明顯，殺菌率高達99.26%。

圖5 Ag/AC對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抗銀流失性能的測試結果如圖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，故銀流失率相對更低分別為38.57%、30.00%，抗銀流失性能優異。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定。對照試驗表明，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銀緩釋效果優越。

圖6 Ag/AC流失銀含量與振蕩時間的關系Fig.6 Relationship between Ag/AC silver loss content and oscillation time

3 結 論

離子在AC表面被還原成單質銀；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，少量銀顆粒因發生團聚，粒徑可達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，載銀量最大(0.44%)，殺菌性能最佳(99.26%)，2 h內E.coli濃度下降3個數量級降至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定。對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實現了銀緩釋。