張洛紅，王 玥，王凡凡，柴易達(dá)，王 瑜

（西安工程大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，陜西 西安 710600）

固定化微生物技術(shù)因其利于提高單位體積生物轉(zhuǎn)化速率，保持優(yōu)勢(shì)菌群，提高反應(yīng)器穩(wěn)定性及處理效率，使生物反應(yīng)易于控制而迅速成為研究熱點(diǎn)。載體填料作為技術(shù)關(guān)鍵，直接影響生物反應(yīng)處理效果。但現(xiàn)有的固定化技術(shù)對(duì)材料的研究仍存在填料力學(xué)性能與附載微生物性能不能兼?zhèn)涞膯?wèn)題。因此，復(fù)合載體因其可以通過(guò)多種改性手法使載體特性向研究需要的方向發(fā)展的特點(diǎn)，而成為目前眾多學(xué)者所青睞的載體材料[1]。

本研究從生物處理實(shí)際應(yīng)用需要入手，利用水凝膠彈韌特性，以改進(jìn)填料物理性能為手段，以提高細(xì)菌附載效果為研究立意進(jìn)行創(chuàng)新。研究發(fā)現(xiàn)，為了改善載體的性能，研究者提出多種改善水凝膠機(jī)械性能的方法合成復(fù)合水凝膠。其中，具有代表性的有雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠，納米復(fù)合水凝膠等[2,3]。Sabzi M，以瓊脂和PVA分別為網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成互穿水凝膠，并通過(guò)PVA結(jié)晶及雙網(wǎng)絡(luò)的交織實(shí)現(xiàn)能量耗散[4]。Roberta，等人制備出一種互穿網(wǎng)絡(luò)PC負(fù)載水凝膠，發(fā)現(xiàn)該凝膠網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性大大提高，并因其粘彈性網(wǎng)絡(luò)顯示出對(duì)釋放細(xì)胞可控的能力[5]。Li等，將ChNWs和Zn2+作為分散相添加到PAAm中，通過(guò)雙交聯(lián)形成納米復(fù)合水凝膠。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及納米粒子共同作用使該材料獲得極佳的彈性?xún)?yōu)勢(shì)[6]。Boonmahithisud等利用納米SiO2制備的納米復(fù)合水凝膠材料，可通過(guò)調(diào)節(jié)SiO2的添加量使其具備優(yōu)秀的力學(xué)性能及疏水性能，且使平衡溶脹率有所降低[7]。通過(guò)上述研究表明，可以通過(guò)多種技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)水凝膠的性能增效，使其滿(mǎn)足新型復(fù)合載體填料的性能要求，在污（廢）水治理中發(fā)揮功效。

PVA高分子材料受到越來(lái)越多學(xué)者的關(guān)注。本文采用化學(xué)交聯(lián)法制備高強(qiáng)度孔徑適宜工作菌附載的PVA凝膠球填料，尋求反應(yīng)過(guò)程彈性、溶脹性及孔徑的最優(yōu)條件，并初步探討其合成機(jī)理。開(kāi)發(fā)一種在污水處理中彈性（柔韌性）優(yōu)越，溶脹性?xún)?yōu)良，具有豐富孔隙率，且孔徑（20μm左右）適宜細(xì)菌附載的復(fù)合微生物載體填料——新型PVA凝膠球填料。通過(guò)多個(gè)網(wǎng)絡(luò)依次合成實(shí)現(xiàn)填料性能增效。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 PVA填料的制備方法

PVA鏈段氫鍵作用可自發(fā)形成水凝膠，但其機(jī)械性能弱，利用效果差。通過(guò)高聚物共混并改變反應(yīng)條件，可有效改善復(fù)合水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)從而改善凝膠性能。

PVA/SA-成孔劑-抗粘結(jié)劑凝膠球的制備過(guò)程如下，首先，將PVA與SA完全溶解成凝膠態(tài)共混物，添加4wt%的CS，2wt%的PEG攪拌均勻。將抗粘結(jié)劑按PVA∶SA：抗粘結(jié)劑（簡(jiǎn)稱(chēng)A:抗粘結(jié)劑）為A∶0.2、A∶0.4、A∶0.5 的質(zhì)量比加入到不同比例高聚物共混液中，在常溫下超聲，使納米SiO2均勻分散，既得PVA/SA/（CS-PEG）-納米SiO2共混液。采用CaCl2-H3BO3/檸檬酸-環(huán)氧氯丙烷（堿性）雙交聯(lián)模式化學(xué)交聯(lián)使其逐步成型，形成PVA/SA-（CSPEG）-抗粘結(jié)劑凝膠球，即完成PVA微球形水凝膠的制備。

本實(shí)驗(yàn)采用3種聚合度PVA（1788，2088,2488）進(jìn)行平行實(shí)驗(yàn)，并控制交聯(lián)劑添加量，得到聚合度、交聯(lián)劑及各聚合物含量對(duì)PVA水凝膠球各性能的影響。

1.2 儀器及藥品

DF-101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器（上海儀器廠）；BT25S型分析天平（Sartorius）；AE31型光學(xué)顯微鏡（Motic）；DHG-9053A型智能型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（篤特）。

聚乙烯醇（聚合度1788、2088、2488上海臣啟化工科技有限公司）;海藻酸鈉（CP）、殼聚糖（BR）、鹽酸（AR）、甲醇（AR）、檸檬酸（AR>99.0%）、環(huán)氧氯丙烷（AR）,以上試劑均為滬試;聚乙二醇（Mn 4000）和SiO2（純度99.8%，粒徑：20nm）為aladdin；HBO3（AR天津市福晨化學(xué)試劑）;無(wú)水CaCl2（AR SIGMA）；NaOH（97%）和三聚磷酸鈉（AR98%）為沃凱。

1.3 測(cè)試與表征

（1）力學(xué)性能集熱式恒溫加熱磁力攪拌器（DF-101S）于 1200r·min-1條件下持續(xù)攪拌 1h，測(cè)定凝膠小球保留率隨時(shí)間的變化，以保留率作為凝膠小球力學(xué)強(qiáng)度的指標(biāo)。

（2）彈性測(cè)定在室溫條件下，將凝膠測(cè)量樣本切割為直徑20mm，高25mm的矮圓柱體，利用萬(wàn)能測(cè)試機(jī)測(cè)量；卸壓后保證矮圓柱體形態(tài)可恢復(fù)至加壓前。

該方法彈性模量計(jì)算如下：

式中 E：彈性模量，MPa；F：最大載荷，N；r：圓柱半徑，cm。

（3）壓縮強(qiáng)度在常溫條件下使用萬(wàn)能測(cè)試機(jī)測(cè)試凝膠圓柱體，測(cè)試過(guò)程中壓縮速率保持恒定，為1mm·min-1，凝膠球的壓縮強(qiáng)度及壓縮應(yīng)變根據(jù)破裂點(diǎn)得到。

壓縮強(qiáng)度由下式計(jì)算：

式中 σ：壓縮強(qiáng)度，MPa；F：最大載荷，N；r：圓柱半徑，mm。

（4）表面結(jié)構(gòu)表征 用光學(xué)顯微鏡可直接觀察得到PVA凝膠小球表面切片呈現(xiàn)出的孔徑情況。

（5）微觀形態(tài)及孔徑表征 將凝膠球及凝膠球切片于液氮中冷凍干燥，后進(jìn)行噴金處理，采用掃描電子顯微鏡觀察樣品的微觀形貌并孔徑情況。

（6）PVA凝膠球溶脹率的測(cè)量 將干燥凝膠球放入模擬污水中至溶脹平衡，后吸取表面水分，計(jì)算溶脹率。

式中 Mw：溶脹平衡后凝膠球的質(zhì)量，g；Ms：干燥凝膠球的質(zhì)量，g。

（7）紅外光譜分析方法 利用烘箱干燥后將固體粉末用KBr壓片法進(jìn)行傅里葉變換紅外光譜分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 交聯(lián)劑用量的影響

水凝膠交聯(lián)是通過(guò)氫鍵、共價(jià)鍵等鍵合作用使雜亂的高聚物分子形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的重要過(guò)程，交聯(lián)點(diǎn)的鍵合效果對(duì)凝膠性能具有極大影響。其中，交聯(lián)劑的作用效果是影響交聯(lián)效果的重要因素。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 交聯(lián)劑用量對(duì)水凝膠性能的影響Fig.1 Effect of crosslinker dosage on hydrogel performance

由圖 1（a）、（c）測(cè)試結(jié)果可以看出，PVA 凝膠球的彈性模量及力學(xué)性能隨H3BO3增加快速增強(qiáng)，到達(dá)最佳值后逐漸降低。當(dāng)H3BO3添加量過(guò)少時(shí)與PVA分子形成分子間鍵合的硼酸根離子不足，導(dǎo)致交聯(lián)程度低，交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)松散，顯示出彈性模量和力學(xué)性能較差的現(xiàn)象。H3BO3濃度逐漸增加，使更多PVA分子參與交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了凝膠球的彈性性能，凝膠球抗水力沖刷能力大幅度提高，保留率從6%提高到71%（圖1c），使力學(xué)性能增加了11倍，說(shuō)明充分交聯(lián)形成完整的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)凝膠球的功能性及實(shí)用性具有極其重要作用。但隨著H3BO3的增加，球內(nèi)部交聯(lián)密度增大，其剛性增強(qiáng)，受力易破損，保留率減小力學(xué)性能降低[8]。圖1（b）溶脹性測(cè)試結(jié)果顯示，H3BO3過(guò)少時(shí)，凝膠球溶脹性能較差，PVA分子大多呈微交聯(lián)態(tài)，分子間交聯(lián)程度低交聯(lián)密度小，球內(nèi)部?jī)H少部分成固態(tài)交聯(lián)，多處于半固體或液體態(tài)，產(chǎn)物水溶性大，吸水能力弱，按壓易破裂，成球穩(wěn)定性差[9]。凝膠球的平衡溶脹率隨交聯(lián)劑用量增加而增大，出現(xiàn)最值后減小至基本平穩(wěn)[8]。H3BO3與PVA分子中的-OH可構(gòu)建穩(wěn)定絡(luò)合物，形成有效空間網(wǎng)絡(luò)，利于水分子進(jìn)入。隨H3BO3含量繼續(xù)增加，親水基團(tuán)大多構(gòu)建凝膠網(wǎng)絡(luò)使凝膠球親水性降低，同時(shí)羥基間以氫鍵互相締合，分子規(guī)整排列抗水分子能力增強(qiáng)。此外，交聯(lián)密度增大，空間結(jié)構(gòu)致密，水分子通透性變差，使親水性減弱溶脹性降低[8,9]。且由圖1（c）所示在此范圍內(nèi)PVA凝膠球的力學(xué)性能優(yōu)良，抵抗水力沖擊能力較好，利于提高凝膠球的使用壽命。

2.2 SA含量對(duì)凝膠球性能的影響

SA分子含有大量的羧基并羥基等易鍵合基團(tuán)，在交聯(lián)劑存在下會(huì)結(jié)合成穩(wěn)定的螯合鍵及氫鍵，通過(guò)價(jià)鍵結(jié)合作用來(lái)改變水凝膠性能。配制PVA、SA共混溶液，使用CaCl2-H3BO3交聯(lián)劑分別進(jìn)行共聚物的交聯(lián)，即PVA/SA凝膠球并測(cè)量其各項(xiàng)性能。結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 （a）SA含量對(duì)PVA/SA凝膠球平衡溶脹性能影響；（b）Poly-p凝膠球平衡溶脹曲線Fig.2 Effect of SA content on the properties of PVA/SA gel spheres（a）equilibrium swelling performance （b）Poly-p spherical gel equilibrium swelling curve

因SA分子上具有與PVA線性分子不同的環(huán)狀基團(tuán)，而使SA具有一定的剛性，增強(qiáng)了交聯(lián)后PVA/SA凝膠球的抗壓縮能力。此外，溶脹平衡性能如圖2（a），在添加量較小時(shí)SA參與使PVA分子間的氫鍵降低，凝膠球顯示出較弱的溶脹性能。SA含量較高且控制在一定范圍時(shí)平衡溶脹率明顯增加，反映出凝膠球內(nèi)部水分子進(jìn)入空隙明顯增多，使PVA與SA分子間形成大量的氫鍵交聯(lián)，凝膠球內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)，表現(xiàn)為平衡溶脹率升高。當(dāng)SA過(guò)高時(shí)，核殼結(jié)構(gòu)加劇導(dǎo)致凝膠球內(nèi)部很難形成互穿的網(wǎng)絡(luò)，出現(xiàn)分層使空間結(jié)構(gòu)消失[10]。在溶脹行為上呈現(xiàn)出相應(yīng)下降趨勢(shì)[11]。因此，適量的SA可以有效的創(chuàng)建空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高凝膠球的彈性及在水中的穩(wěn)定性能。通過(guò)研究單一PVA制備的凝膠球Poly-p發(fā)現(xiàn)（圖2b），因PVA分子含有大量親水基團(tuán)，易與水分子鍵合，使水分子能夠快速進(jìn)入凝膠內(nèi)部。不同聚合度PVA凝膠球均呈現(xiàn)較好的溶脹現(xiàn)象。前期溶脹迅速，趨近平衡處速率減慢。且Poly-p（2088）因其親水性結(jié)構(gòu)單元較多的優(yōu)勢(shì)而得到更高的溶脹性。分子量越高，支化度越大，溶脹過(guò)程越慢[12]。同時(shí)，因 Poly-p（2488）內(nèi)部結(jié)構(gòu)較緊密而對(duì)水分子抗力大，使其溶脹受到部分限制。

2.3 孔結(jié)構(gòu)表征

如圖3（a）光學(xué)顯微鏡對(duì)成孔劑添加前后凝膠球剖面觀察，成孔劑的添加使凝膠球孔結(jié)構(gòu)逐漸明顯，隨著CS濃度升高孔徑明顯增加。通過(guò)掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，簡(jiǎn)稱(chēng) SEM）（如圖3），采用雙交聯(lián)法制備的PVA/SA-成孔劑（CSPEG）凝膠球切片內(nèi)部通過(guò)光滑的孔壁連接形成發(fā)達(dá)通道，高分子凝膠通過(guò)化學(xué)交聯(lián)過(guò)程相互連接形成互穿三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)且在成孔劑的作用下形成孔徑≤20μm的孔隙。

一般，真核微生物細(xì)胞直徑在10～100μm左右，在污水中大量存在并以細(xì)菌為食的輪蟲(chóng)、鐘蟲(chóng)等微型后生動(dòng)物一般細(xì)胞直徑可達(dá)0.02～4cm，而細(xì)菌大小一般約為0.5～5μm[13]。因此，孔徑的控制便于阻攔除細(xì)菌外的微生物進(jìn)入凝膠球占據(jù)孔道，適宜污水生物處理設(shè)施中工作細(xì)菌在其上附著。凝膠球憑借豐富的孔結(jié)構(gòu)及20μm左右孔徑可以成為微生物附著生長(zhǎng)的良好載體。

圖3 PVA/SA-成孔劑（CS-PEG）凝膠球成孔效果Fig.3 PVA/SA-pore-forming agent（CS-PEG）spherical hydrogel pore-forming effect

2.4 紅外光譜分析

如圖4所示，PVA紅外吸收光譜主要鋒形為3410cm-1出現(xiàn)的O-H伸縮振動(dòng)寬峰，說(shuō)明PVA鏈有大量氫鍵存在。SA在2928cm-1出現(xiàn)的是SA六元環(huán)上C-H伸縮振動(dòng)峰，1617和1423cm-1處出現(xiàn)COO-的對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)和不對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)峰，1086cm-1處的吸收峰為C-O伸縮振動(dòng)峰。CS的紅外光譜中，3431cm-1處出現(xiàn)一個(gè)由-OH伸縮振動(dòng)和-NH2伸縮振動(dòng)峰重疊而成的寬峰；1152cm-1處的吸收峰屬于β-糖苷鍵的特征峰；2890cm-1處的是-CH3和-CH2伸縮振動(dòng)峰。1300cm-1為-OH的變形振動(dòng)吸收峰。664cm-1為CS的結(jié)晶敏感峰。PVA/SA的O-H伸縮振動(dòng)峰較單一PVA向高波數(shù)移動(dòng)，說(shuō)明SA減弱了PVA分子間的氫鍵作用；1731cm-1出現(xiàn)大分子六元環(huán)上羰基伸縮振動(dòng)峰，且SA原有COO-的對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)和不對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)有所減弱，說(shuō)明交聯(lián)過(guò)程Ca2＋與COO-發(fā)生螯合作用。對(duì)比PVA/SA-CS光譜與CS譜圖可以看到，由于PVA/SA的加入，CS在3430cm-1處的-OH和-NH2的伸縮振動(dòng)峰向低波數(shù)的方向移動(dòng)，表明CS、PVA、SA之間形成了強(qiáng)烈的氫鍵作用。1152cm-1β-糖苷鍵的特征吸收峰幾乎消失不見(jiàn)，且664cm-1結(jié)晶敏感峰明顯減弱，這說(shuō)明PVA和SA的加入，破壞了CS分子鏈的規(guī)整性，降低了其結(jié)晶度。此外，在引入環(huán)氧氯己烷后，凝膠球在1130cm-1處出現(xiàn)-C-O-C-吸收峰，1300cm-1處-OH的變形振動(dòng)吸收峰較未添加CS的凝膠球明顯減弱，說(shuō)明O-H與O-H間產(chǎn)生醚化反應(yīng)。PVA/SA-CS在3426cm-1處的O-H和N-H寬帶吸收峰明顯變窄增強(qiáng)，較PVA/SA向高波數(shù)移動(dòng)，說(shuō)明CS與SA、PVA間羥基進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)。并且664cm-1結(jié)晶敏感峰減弱，說(shuō)明交聯(lián)降低了凝膠球內(nèi)部的結(jié)晶度。

圖 4 PVA，SA，CS，PVA/SA，PVA/SA-成孔劑（CS-PEG）紅外吸收光譜圖Fig.4 Infrared absorption spectrum of PVA,SA,CS,PVA/SA,PVA/SA-pore former（CS-PEG）

2.5 納米SiO2投加量的影響

通過(guò)添加納米SiO2考察其不同濃度配比下對(duì)凝膠球各性能影響。納米SiO2通過(guò)與高分子鏈相互纏結(jié)形成獨(dú)特的相互作用，在受到應(yīng)力時(shí)高分子鏈通過(guò)擠壓或拉伸釋放纏結(jié)的納米SiO2，利用隱藏鏈長(zhǎng)產(chǎn)生熵彈性以耗散更多的能量，使彈性增強(qiáng)，受力能力提升，見(jiàn)圖 6（a）。

圖5 納米SiO2添加量對(duì)凝膠球性能影響Fig.5 Effect of nano-SiO2 polymerization degree on hydrogel performance

圖6 納米SiO2作用性能提升Fig.6 Performance of nano-silica is improved

由圖6（a）可見(jiàn)，嵌套于材料表面的納米SiO2粒子建立了疏水層，圖6（b）所示，減小材料間因表面親水水分子相互作用導(dǎo)致的粘黏聚集情況并增強(qiáng)了材料在水中的穩(wěn)定性。

納米SiO2的引入使凝膠球彈性性能得到明顯提升，較未添加的凝膠球彈性性能最佳值增加了0.9MPa，力學(xué)性能增加了25.9%，壓縮應(yīng)力較單一PVA由0.8MPa提升到5.76MPa，且PVA/SA-（CSPEG）-SiO2凝膠球在應(yīng)變到達(dá)90%以前未發(fā)生破裂。圖5（a,b）結(jié)果顯示，適量添加納米SiO2可增強(qiáng)凝膠網(wǎng)絡(luò)形成，使各性能得到大幅提升，但濃度過(guò)高會(huì)造成原有交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)，在原交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)本身達(dá)到較好交聯(lián)效果后，納米SiO2繼續(xù)通過(guò)與高分子鏈纏結(jié)形成除價(jià)鍵間作用外的額外的網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)，使凝膠球交聯(lián)密度過(guò)于致密，使聚合物網(wǎng)絡(luò)更具剛性，而導(dǎo)致彈性性能出現(xiàn)大幅度降低[14]。同時(shí)，交叉連接點(diǎn)和交聯(lián)密度的增加與納米SiO2的疏水表層限制了水分子的進(jìn)入，使平衡溶脹率降低。因此，納米SiO2的引入在確保少劑量高聚物交聯(lián)凝膠球成型穩(wěn)定不拖尾的同時(shí)，一定程度上限制了聚合物網(wǎng)絡(luò)在水中擴(kuò)展，提升了凝膠球在水中的穩(wěn)定性，增強(qiáng)了使用壽命[15,16]。

3 結(jié)論

聚合度為1788的PVA凝膠球彈性模量較高，彈性最佳；在PVA∶硼酸為5∶6及5∶7時(shí)彈性模量較高且溶脹優(yōu)越；單一PVA水凝膠剛性強(qiáng)彈性弱，易脆裂，天然SA的加人使復(fù)合PVA/SA凝膠球彈性性能及溶脹性能能得到有效改善。在適宜濃度下力學(xué)性能提升65%，彈性模量提45.3%，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)使溶脹平衡速率加快；通過(guò)成孔劑（CS-PEG）添加可得到≤20μm孔徑，同時(shí)，引入納米SiO2制備納米復(fù)合水凝膠PVA/SA-成孔劑-抗粘結(jié)劑凝膠球，根據(jù)“荷葉效應(yīng)”利用抗粘結(jié)劑使凝膠球形成疏水表層，通過(guò)電荷斥力減弱小顆粒間的團(tuán)聚作用[17]。發(fā)現(xiàn)抗粘結(jié)劑納米SiO2的引入，明顯增強(qiáng)了凝膠球顆粒的分散性，疏水表層保證了溶脹穩(wěn)定。此外，研究發(fā)現(xiàn)，納米SiO2與高分子鏈間獨(dú)特的纏結(jié)作用，使PVA凝膠球的彈性模量增加了5.9倍，力學(xué)性能增加了25.9%，壓縮應(yīng)力較單一PVA提升了6.2倍。