王金表，蔣劍春,2*，孫 康,2，謝新蘋，盧辛成,2

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院 林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所；生物質(zhì)化學(xué)利用國家工程實(shí)驗(yàn)室；國家林業(yè)局 林產(chǎn)化學(xué)工程重點(diǎn)開放性實(shí)驗(yàn)室；江蘇省生物質(zhì)能源與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210042；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院 林業(yè)新技術(shù)研究所，北京 100091)

慢性腎衰竭(CRF)是一種嚴(yán)重威脅患者生命健康的疾病，患者由于腎臟代謝功能降低或喪失而導(dǎo)致體內(nèi)積聚很多內(nèi)源性有害物質(zhì)，其中最典型的毒性成分為肌酐[1]。目前普遍采用透析療法緩解病情，該方法價格昂貴，患者難以承受。藥用活性炭無毒性，價格低，吸附力強(qiáng)，不為消化液或細(xì)菌所分解，原型可排出體外，臨床上既往用于急性中毒、傳染性胃腸道疾病等吸附治療，效果得到肯定[2-3]。通過口服活性炭吸附劑清除CRF患者胃腸道中的肌酐毒素，增強(qiáng)血液中的肌酐向胃腸道滲透，使其不在體內(nèi)循環(huán)而排出體外，避免被二次吸收，起到輔助治療CRF的作用，可明顯降低治療費(fèi)用。

椰殼來源于天然的生物質(zhì)，具有材質(zhì)純凈，密實(shí)度高，成本低等優(yōu)點(diǎn)，是理想的制備生物醫(yī)學(xué)活性炭的原材料?；钚蕴康闹苽渲饕譃榛瘜W(xué)活化法和物理活化法，物理活化法以水蒸氣為活化劑，無需化學(xué)藥劑，工藝簡單，對環(huán)境污染小[4-7]。本文作者以椰殼為原料，采用水蒸氣活化法制備得到微孔分布集中的活性炭，研究其對肌酐的體外吸附行為，考察了吸附時間、溶液初始質(zhì)量濃度、吸附溫度及pH值對肌酐吸附性能的影響，以期為口服活性炭治療慢性腎衰竭提供參考依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料與儀器

肌酐(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，生物純)；實(shí)驗(yàn)所用椰殼(CocosnuciferaL.)取自于海南省文昌縣，破碎后酸洗以除去灰分雜質(zhì)，烘干備用；鹽酸、氫氧化鈉等均為分析純。ASAP2020自動比表面積及物理吸附分析儀(美國麥克公司)；DSHZ-300多功能水浴恒溫振蕩器(上海一恒科學(xué)儀器有限公司)；OT1500管式爐(南京大學(xué))；UV-2550紫外吸收儀(日本島津公司)；UV-2102C型紫外可見分光光度計(jì)(上海天美科學(xué)儀器有限公司)；PHS-3C pH計(jì)(上海精密科學(xué)儀器有限公司)。

1.2 椰殼活性炭的制備

活化溫度對活性炭孔隙的形成及孔結(jié)構(gòu)分布起著十分重要的作用[8-10]。張會平等[9]研究了水蒸氣活化實(shí)驗(yàn)中活化溫度和活化時間對椰殼活性炭吸附性能及得率的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)活化溫度對活性炭產(chǎn)品性能的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于活化時間的影響，當(dāng)活化溫度從600 ℃升至900 ℃時，碘吸附值由600 mg/g提高至1 400 mg/g，得率由90%降低至10%；活化時間從30 min延長至180 min時，碘吸附值僅增加了200 mg/g，得率從60%降低至40%。因此本實(shí)驗(yàn)中僅考察了活化溫度的影響。選取4～5.6 mm粒徑的干燥椰殼作為原料，稱取20 g置于管式爐反應(yīng)器內(nèi)，升溫速率設(shè)為10 ℃/min，水蒸氣流量控制在1.30 g/min，活化溫度750～900 ℃，在相應(yīng)溫度下保持60 min，活化結(jié)束后酸洗、水洗，在120 ℃下烘干即得活性炭產(chǎn)品?；钚蕴繕悠肪幪柗謩e為H75060、 H80060、 H85060、 H90060，對應(yīng)于不同的活化溫度。

1.3 活性炭對肌酐的吸附

1.3.1 肌酐標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制 精確稱取一定質(zhì)量的肌酐(干燥樣)，溶于蒸餾水并定容，用蒸餾水作參比液，按分光光度法(《中華人民共和國藥典》(2010版)第二部附錄Ⅳ)在波長200～400 nm范圍內(nèi)掃描，在232 nm處有最大吸收峰，與文獻(xiàn)一致[11-12]。因此選擇232 nm作為測定波長。

精確配制100 mg/L的肌酐標(biāo)準(zhǔn)溶液，分別移取不同量的標(biāo)液于25 mL比色管中，用蒸餾水定容。在最大吸收波長232 nm處測定吸收度，繪制肌酐溶液的濃度(C)對吸光度(A)的標(biāo)準(zhǔn)曲線[13]。線性回歸后測得肌酐在0～20 mg/L質(zhì)量濃度范圍內(nèi)線性關(guān)系良好，所得標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為：C=0.058 1A+0.029 7，相關(guān)系數(shù)r=0.997 4。

1.3.2 活性炭對肌酐的吸附量分析 精確稱取0.200 g活性炭樣品，加入一定質(zhì)量濃度的肌酐溶液300 mL，置于錐形瓶中，以120 r/min恒溫恒速振蕩，計(jì)時取樣。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算殘液中肌酐濃度，進(jìn)而計(jì)算活性炭的單位吸附量，繪制不同條件下的吸附曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 椰殼活性炭的孔結(jié)構(gòu)性質(zhì)

活化溫度是活化過程最重要的影響因素，不同活化溫度下制備得到的椰殼活性炭的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)在表1中列出。分析表1中數(shù)據(jù)得出，隨著活化溫度的升高，活性炭的BET比表面積不斷增加，同時總孔容、微孔孔容、中孔孔容也隨之增加。這是因?yàn)樘岣呋罨瘻囟葧涌焖魵馀c炭的反應(yīng)速率，加深活化程度，不斷拓展孔隙，繼而達(dá)到更好的活化效果。由表1中第7列數(shù)據(jù)可知，雖然850 ℃活化溫度下得到的活性炭總孔容和比表面積不是最高值，但其微孔率最大，說明在此溫度下更利于微孔的形成。

活性炭的孔徑只有大于被吸附分子的尺寸，且約為其分子臨界直徑的1.7～3.0倍時才能有效吸附[3]。而肌酐的相對分子質(zhì)量(約113)和分子直徑(0.54 nm)均小，所以小于2 nm的微孔能夠更有效地吸附肌酐分子。因此，實(shí)驗(yàn)中選取了微孔率最高(71.0%)的活性炭樣品H85060作為吸附肌酐的考察對象。

表1 各種椰殼活性炭的BET比表面積及孔結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 對肌酐吸附性能的研究

選取活性炭樣品H85060作為吸附劑對肌酐吸附性能進(jìn)行研究。

2.2.1 吸附時間對吸附量的影響 在肌酐初始質(zhì)量濃度為100 mg/L、吸附溫度(37±0.5) ℃、pH值為7的條件下，考察了吸附時間對肌酐吸附量的影響，即椰殼活性炭對肌酐的吸附速率曲線，如圖1所示。由圖1可以看出，肌酐吸附量在30 min內(nèi)迅速升到57.8 mg/g，之后吸附速率增加逐漸減緩，420 min(7 h)時基本趨于穩(wěn)定，平衡吸附量為76.4 mg/g?；钚蕴繉◆奈绞且源罂诪橥ǖ?，經(jīng)中孔過度最終進(jìn)入微孔發(fā)生吸附[14-15]，再結(jié)合雙速率擴(kuò)散模型和活性炭的微孔填充機(jī)制，肌酐首先附著在活性炭表面，通過大孔向內(nèi)擴(kuò)散，隨著進(jìn)入微孔的肌酐量的增加，活性炭表面被占據(jù)的吸附位點(diǎn)越來越多，活性炭與肌酐之間的親和力逐漸減弱，同時肌酐受到的微孔徑向阻力也漸漸增大，因而吸附速率逐漸減慢，最終趨于平衡。

一般來說，食物在胃中約停留1 h，在腸道中停留時間為7～8 h[16]。椰殼活性炭對肌酐的吸附在 7 h內(nèi)達(dá)到平衡，這與人體的消化周期基本一致，符合藥物代謝動力學(xué)的要求。

2.2.2 肌酐溶液初始質(zhì)量濃度對吸附量的影響 在吸附溫度(37±0.5) ℃、 pH值為7、 吸附時間為1 440 min(24 h)的條件下，考察了肌酐初始質(zhì)量濃度對吸附量的影響，結(jié)果如圖2所示。吸附量隨肌酐初始質(zhì)量濃度的升高而增加，低質(zhì)量濃度區(qū)吸附速率增長較快，高質(zhì)量濃度時逐漸趨于平緩。當(dāng)溶液初始質(zhì)量濃度為20 mg/L時，活性炭表面自由能較低，被吸附的肌酐與溶液中的肌酐很快達(dá)到濃度平衡，因而此時的吸附量也較低。從本質(zhì)上講，吸附是溶質(zhì)分子向吸附劑內(nèi)部擴(kuò)散的過程，而擴(kuò)散過程的推動力則是濃度梯度[17]，當(dāng)溶液質(zhì)量濃度增大時，肌酐分子受到的擴(kuò)散推動力越大，會加速向活性炭內(nèi)部擴(kuò)散，從而增強(qiáng)了吸附效果。

圖1 椰殼活性炭對肌酐的吸附速率曲線

2.2.3 吸附溫度對吸附量的影響 在肌酐初始質(zhì)量濃度為100 mg/L、 pH值為7、吸附時間為24 h的條件下，考察了吸附溫度對肌酐吸附量的影響，結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看到溫度對肌酐吸附性能也有影響，溫度從30 ℃升至70 ℃，相應(yīng)的單位吸附量提高了68 mg/g。這說明伴隨著物理吸附(氫鍵作用、靜電力作用等)的同時還可能發(fā)生了化學(xué)吸附，而該化學(xué)吸附是一種吸熱過程，因此椰殼活性炭對肌酐的吸附隨溫度升高而增強(qiáng)。在水溶液中，肌酐分子處于酮式與烯醇式結(jié)構(gòu)的互變平衡中，且表現(xiàn)出一定的酸性，容易失去一個質(zhì)子，形成O-離子結(jié)構(gòu)[18]。與苦味酸和肌酐的絡(luò)合相似[10]，帶負(fù)電荷的肌酐O-離子被活性炭表面帶正電荷的官能團(tuán)所吸引，形成不穩(wěn)定離子對，隨后發(fā)生了某種絡(luò)合反應(yīng)。

2.2.4 pH值對吸附量的影響 在肌酐初始質(zhì)量濃度為100 mg/L、吸附溫度(37±0.5) ℃、吸附時間為24 h的條件下，考察了pH值對肌酐吸附量的影響，如圖4所示。結(jié)果顯示，pH值對肌酐吸附容量影響較大，酸性溶液中活性炭對肌酐的吸附量高于強(qiáng)堿性條件下的吸附容量；pH<6時，隨著pH值的升高，肌酐吸附量有所下降，此后吸附量基本保持不變；pH值為2時吸附量最大，為123.55 mg/g。一般來說，pH值增加意味著溶液中的氫氧根離子濃度增加，大量的氫氧根離子會與溶液中帶陰離子的吸附質(zhì)發(fā)生競爭吸附[19]，減少吸附質(zhì)與活性炭的接觸碰撞機(jī)會，從而降低活性炭的吸附量。肌酐在堿性溶液中更容易發(fā)生解離失去質(zhì)子，形成O-離子結(jié)構(gòu)，因而堿性環(huán)境中肌酐吸附量降低。

人體的胃腸道pH值約為2～8[20]，從圖4中可以看出，在此范圍內(nèi)活性炭對肌酐的吸附相對穩(wěn)定，吸附量均在73 mg/g以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于氧化淀粉(10 mg/g)[21]和氧化纖維素(2.1 mg/g)[22]，其優(yōu)勢顯而易見。

圖3 吸附溫度對肌酐吸附性能的影響

3 結(jié) 論

以椰殼為原料，水蒸氣為活化劑可制備得到微孔含量豐富的活性炭。以850 ℃活化得到微孔率最高的活性炭為吸附劑，考察其對肌酐的體外吸附性能，探討了吸附時間、肌酐初始質(zhì)量濃度、吸附溫度及pH值對肌酐吸附量的影響。結(jié)果表明：

3.1 提高活化溫度，活性炭的BET比表面積、總孔容、微孔容及中孔容積均增加；850 ℃時微孔率最高，為71%。

3.2 微孔率高的(71.0%)椰殼活性炭對肌酐吸附性能良好；在30～70 ℃溫度范圍內(nèi)，肌酐吸附量隨溫度升高而增加；酸性環(huán)境有利于肌酐的吸附，pH值為2時吸附量達(dá)到最大，為123.55 mg/g； 30 min內(nèi)吸附量迅速升至57.8 mg/g，7 h時達(dá)到平衡，平衡吸附量為76.4 mg/g。肌酐吸附平衡時間與人體消化周期基本一致，說明本實(shí)驗(yàn)制備的微孔發(fā)達(dá)的椰殼活性炭作為口服吸附劑類藥物，具備較好的實(shí)際應(yīng)用前景。

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