陳 晨，王 榮，徐孝文

（蘇州科技大學(xué) 化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，江蘇 蘇州215009）

由于水資源管理不善，水體細菌污染日益嚴(yán)重，在發(fā)展中國家，每年有超過30%的人口無法獲得干凈衛(wèi)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(shù)[3]來凈化水資源，但這些技術(shù)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(wěn)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(fā)出沸石-纖維素復(fù)合材料，如沸石-醋酸纖維素混合基質(zhì)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(zhì)去除效率較高，復(fù)合膜技術(shù)在水處理領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)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(yōu)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(tǒng)的沸石纖維素復(fù)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(fù)合，沸石與基體纖維素之間僅涉及較弱的相互作用，穩(wěn)定性較差，不利于循環(huán)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(fù)合物的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，拓寬了應(yīng)用領(lǐng)域。選用濾紙作為沸石生長基材，將濾紙浸漬于沸石前驅(qū)體溶液中，通過對反應(yīng)溫度、結(jié)晶時間、溶液堿度等條件的優(yōu)化，使濾紙纖維素劇烈溶脹并產(chǎn)生大量的納米級空穴給沸石結(jié)晶提供生長空間[19]，合成出沸石/纖維素復(fù)合材料，通過離子交換，使沸石/纖維素復(fù)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(xué)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(fā)展中心。營養(yǎng)瓊脂和營養(yǎng)肉湯，湖南生物技術(shù)有限公司。

1.2 沸石/纖維素復(fù)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(qū)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(qū)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(nèi)襯不銹鋼高壓釜185℃加熱12 h，反應(yīng)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(fù)合物（NaY/FP）。將合成的復(fù)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(fù)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(jié)構(gòu)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(zhì)形貌進行表征，用PerkinElmer熱重分析儀（TGA）分析了產(chǎn)物的熱穩(wěn)定性和沸石負載量。

1.3 復(fù)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(fù)合材料的殺滅效率。在砂芯過濾器上放置直徑5 cm復(fù)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(fù)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(fù)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(zhì)，采用砂芯過濾器作為簡單的過濾設(shè)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(shù)。大腸菌群是表明水系統(tǒng)中可能存在腸道病原體的指標(biāo)，用大腸菌群試紙檢測大腸菌群（be211）。

2 結(jié)果與討論

2.1 SEM表征

圖1 A為復(fù)合材料ZnY&CuY/FP經(jīng)過500℃高溫煅燒后，濾紙灰發(fā)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(jīng)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(shù)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(jié)合在一起，形成了新的復(fù)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)。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(fù)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(fù)合物XRF掃描數(shù)據(jù)（不包含碳元素）

圖3 是復(fù)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(xiàn)纖維素的衍射峰，在沸石/纖維素復(fù)合材料的XRD圖譜中，除了纖維素特征峰外，還出現(xiàn)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(fù)合材料XRD測試結(jié)果說明在合適的反應(yīng)條件下，沸石順利在纖維素上原位合成，達到預(yù)期實驗?zāi)繕?biāo)。

圖3 沸石和沸石/纖維素復(fù)合物的XRD圖譜

2.3 復(fù)合材料TGA分析

圖4 為復(fù)合材料ZnY&CuY/FP與濾紙TGA圖。由圖4可知，沸石/纖維素復(fù)合材料從253.4℃開始分解，纖維素從224.8℃開始分解，低于復(fù)合材料的分解溫度。此外，復(fù)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(lián)而增強了熱穩(wěn)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(zhì)含量約為1.6wt%，復(fù)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(fù)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(fù)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(fù)合材料，與負載鋅離子、銅離子的ZnY&CuY/FP復(fù)合材料抗菌性作對比。

圖5 為負載不同金屬離子的復(fù)合材料的抑菌圈實驗結(jié)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(jīng)過離子交換后的ZnY&CuY/FP和AgY/FP復(fù)合材料具有明顯的抑制區(qū)。

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(xié)同殺菌作用效果優(yōu)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(fā)生明顯的變色，商業(yè)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(dǎo)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(jīng)濟效益和殺菌應(yīng)用效果，用鋅和銅代替銀制備新型抗菌材料是一種經(jīng)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(fù)合材料的抑菌圈

復(fù)合材料的直接接觸殺菌能力是抗菌性離子交換的結(jié)果，推測抗菌機理如下：（1）當(dāng)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(fā)生反應(yīng)，造成細菌固有成分被破壞或生產(chǎn)功能障礙而導(dǎo)致大腸桿菌死亡；（2）金屬離子與大腸桿菌內(nèi)蛋白類物質(zhì)接觸時，金屬離子會與蛋白質(zhì)中的巰基結(jié)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(dǎo)致細菌死亡[24]。

圖6 為濾紙和ZnY&CuY/FP復(fù)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(shù)。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(fù)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(xié)同作用具有優(yōu)異的殺菌效果。

圖6 濾紙（A）與復(fù)合材料（B）的殺菌效果對比

圖7 為復(fù)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(xù)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(fù)合材料ZnY&CuY/FP，由于沸石內(nèi)銅離子和鋅離子的緩慢釋放，和細菌直接接觸反應(yīng)，在24 h內(nèi)觀察期內(nèi)有效地抑制細菌生長，表明復(fù)合材料ZnY&CuY/FP具有持久、穩(wěn)定的抗菌性能。

圖7 不同樣品在相同時間段內(nèi)的抑菌效果

2.5 復(fù)合材料ZnY&CuY/FP對天然水的消毒作用

表3 為湖水經(jīng)過過濾紙和ZnY&CuY/FP復(fù)合膜過濾前、后檢測出的細菌數(shù)量和大腸菌群數(shù)。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(shù)小于100 CFU·L-1，無大腸菌群）。而復(fù)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(jīng)濾紙和ZnY&CuY/FP復(fù)合材料過濾后湖水中的細菌數(shù)量和大腸菌群

圖8 為復(fù)合材料ZnY&CuY/FP連續(xù)重復(fù)過濾天然水樣5次后濾液中的總菌數(shù)。由圖8可知，在復(fù)合材料ZnY&CuY/FP重復(fù)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(shù)安全標(biāo)準(zhǔn)。實驗結(jié)果證明了復(fù)合材料ZnY&CuY/FP具有良好、持久的抗菌穩(wěn)定性和殺菌能力，可以高效地應(yīng)用在貧困地區(qū)飲用水消毒上。

圖8 ZnY&CuY/FP殺菌穩(wěn)定性試驗

3 結(jié)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(fù)合，XRF表明離子交換完全，TGA表明沸石負載量約20wt%且熱穩(wěn)定性好。通過抗菌檢測實驗，證明了經(jīng)過負載抗菌離子的沸石/纖維素復(fù)合材料ZnY&CuY/FP具有有效、持久、穩(wěn)定的抗菌性能，為貧困地區(qū)飲用水細菌污染處理技術(shù)提供了綠色環(huán)保、經(jīng)濟有效的實驗思路。