抗金黄色葡萄球菌活性炭的制备及工艺优化

李素琼

(武夷学院生态与资源工程学院，福建武夷山354300)

活性炭是一种多孔性的含炭物质，具有高度发达的孔隙构造，是一种极优良的吸附剂［1］。它广泛应用于工农业生产的各个方面，比如石化行业的无碱脱臭、乙烯脱盐水;化工行业的催化剂及载体、气体净化以及浸渍剂液的制备等［2］。

随着生产技术的快速发展，环境污染日益严重，威胁着人类的身体健康。活性炭由于其良好的吸附能力，以及耐酸耐碱性，在治理环境污染中发挥着越来越重要的作用。在水处理中，由于其表面的疏水性，且比表面积巨大，因而可有效地去除水体中的各种杂质［3］。

活性炭在使用的过程中，其表面容易繁殖一些微生物而造成污染，因此使用活性炭时就需要其具有良好的吸附及抗菌性。目前已应用于诸多领域的所有的金属离子抗菌剂中，银离子的应用最为广泛，它是一种高效低毒的广谱抗菌剂。但是银的使用成本高，且银离子见光或受热极易还原成金属银，非常不稳定;此外，Ag+还易与水体中的 Cl－、HS－、S2－和 SO42－等阴离子发生反应，形成沉淀物，造成抗菌性能的缺失。与银相比，铜价格低廉，而且化学稳定性和环境安全性较高，这些都是载铜无机抗菌材料的优势［4］。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本实验制备载铜活性炭所采用的原料是活性炭，抗菌测试时所采用的菌种是金黄色葡萄球菌。

1.2 主要仪器

AVATAR330FT－IR Thermo Nicolet傅里叶红外光谱仪(NEXUS公司);XQM－2L变频行星式球磨机(南京科析实验仪器研究所)。

1.3 实验设计

通过单因素、Plackett－Burman设计和中心组合设计(BBD)，考察氯化铜浓度、浸渍比、浸渍时间、活化温度、活化时间等操作参数对载铜活性炭抗菌率的影响;并根据响应面法原理，对相关影响因素进行试验优化设计，并进行试验验证分析，确定制备抗菌的载铜活性炭的最佳工艺条件，并利用傅立叶红外光谱仪、比表面积及孔径分析仪对活性炭的孔结构及表面官能团进行表征。

1.4 单因数实验设计

通过筛选试验，以氯化铜为活化剂制备载铜活性炭，研究了氯化铜浓度、浸渍比、浸渍时间、活化温度、活化时间对载铜活性炭抗菌率的影响。

1.5 试验优化设计

在本研究中，先利用Plackett－Burman实验设计筛选出关键影响因子，然后在单因数试验和Plackett－Burman实验设计的基础上，利用Box－Behnken设计来对影响活性炭的抗菌率进行优化［5］。

1.6 载铜活性炭制备流程

图1 制备载铜活性炭的流程图

具体步骤:

(1)活性炭用5%氢氧化钠浸渍24h，烘干;

(2)再用5%硝酸浸渍24h，洗至中性，烘干，研磨成粉状;

(3)配置氯化铜溶液，分别为0.01mol·L－1、0.03mol·L－1、0.05mol·L－1、0.07mol·L－1、0.09mol·L－1;(4)加入一定浓度的氯化铜溶液，浸渍一定时间后烘干;

(5)将浸渍好的载铜活性炭用马弗炉活化，设定一定活化温度;

(6)将活化完的活性炭冷却至室温后，称重后装于密封袋，放入真空干燥器。

1.7 活性炭样品的性能表征

1.7.1 红外光谱分析

活性炭和溴化钾在1∶100～1∶200的玛瑙研钵充分磨细，混合，少数在压片机中压成一个透明的圆形片，使用扫描次数为32次·s－1，分辨率为4 cm－1，扫描谱的限度为400～4000 cm－1的红外光谱仪测定其红外谱图。

1.7.2 比表面积和孔径分析

以氮气为吸附质，在液氮温度下(77K)测定了各个工艺优化条件下的活性炭样品的比表面积。通过N2吸附等温线的BET法测定活性炭的比表面积。按照实验测得的吸脱附等温线，活性炭的比表面积和孔径，分别采用BET方程和BJH方程计算。

2 结果与讨论

2.1 单因素实验结果与讨论

2.1.1 不同氯化铜溶度的选择

完成活化时间为1h，浸渍比为3，活化温度为400℃，浸渍时间为24h，氯化铜浓度不同的抗菌测试。

图2－1 不同氯化铜浓度制备载铜活性炭的抗菌率影响

图2－2 0.05mol·L－1氯化铜浓度制备载铜活性炭的吸光度变化

从图2－1可知，随着氯化铜浓度的增大，载铜活性炭的抗菌率显著增大。当浓度达到0.05mol·L－1时，抗菌率达到最大，为63.0%;当浓度大于0.05mol·L－1时，抗菌率缓慢降低。所以选取氯化铜浓度为0.05 mol·L－1，载铜活性炭的抗菌率最好。选取0.05mol·L－1的氯化铜做紫外分光光度测试，从图2－2可知，随着时间的增加，吸光度缓慢增大，说明溶液中的氯化铜浓度增加，但吸光度较小，活性炭上的铜离子脱附较弱。

2.1.2 不同浸渍比的选择

完成活化时间1h，活化温度400℃，浸渍时间2h，氯化铜浓度为0.05mol·L－1、浸渍比变化的抗菌测试。

图3－1 不同浸渍比制备载铜活性炭的抗菌率影响

图3－2 浸渍比为3氯化铜制备载铜活性炭的吸光度变化

从图3－1可知，随着浸渍比的增大，载铜活性炭的抗菌减少，浸渍比为3时，载铜活性炭的抗菌率最大，为64.7%，所以选取浸渍比为3的载铜活性炭做紫外分光光度测试。从图3－2可知，随着时间的增加，吸光度缓慢增大，说明溶液中的氯化铜浓度增加，但吸光度较小，说明活性炭上的铜离子脱附较弱。

2.1.3 不同浸渍时间的选择

完成活化时间1h，浸渍比3，活化温度400℃，氯化铜浓度为0.05mol·L－1、浸渍时间变化的抗菌测试。

图4－1 不同浸渍时间制备载铜活性炭的抗菌率影响

图4－2 浸渍时间为2h氯化铜制备载铜活性炭的吸光度变化

从图4－1可知，随着浸渍时间的增加，载铜活性炭的抗菌率增大，当浸渍时间达到2h时，抗菌率达到最大，为70.5%。所以浸渍时间为2h时，抗菌率最好。选取浸渍时间为2h，做紫外分光光度测试，从图4－2可知，随着时间的增加，吸光度缓慢增大，说明溶液中的氯化铜浓度增加，但吸光度较小，说明活性炭上的铜离子脱附较弱。

2.1.4 不同活化温度的选择

完成活化时间1h，浸渍比3，浸渍时间24h，氯化铜浓度为0.05mol·L－1、活化温度变化的抗菌测试。

图5－1 不同活化温度制备载铜活性炭的抗菌率影响

图5－2 活化温度为600℃氯化铜制备载铜活性炭的吸光度变化

从图5－1可知，随着活化温度的增大，抗菌率增大;当活化温度达到600℃时，抗菌率最大，为81.5%;之后抗菌率又下降。所以活化温度为600℃时，抗菌效果最好。选取活化温度为600℃，做紫外分光光度测试，从图5－2可知，随着时间的增加，吸光度缓慢增大，说明溶液中的氯化铜浓度增加，但吸光度较小，说明活性炭上的铜离子脱附较弱。

2.1.5 不同活化时间的选择

完成浸渍比3，活化温度400℃，浸渍时间24h，氯化铜浓度为0.05mol·L－1、活化时间变化的抗菌测试。表5是进行试验的条件及结果。

图6－1 不同活化时间制备载铜活性炭的抗菌率影

图6－2 活化时间为2h氯化铜制备载铜活性炭的吸光度变化

从图6－1可知，随着活化时间的增加，载铜活性炭的抗菌率也随着增加;当活化时间达到2h时，抗菌率最大;之后抗菌率又下降。所以活化时间为2h时，抗菌率最大，为80.9%。选取活化时间为2h，做紫外分光光度测试，从图6－2可知，随着时间的增加，吸光度缓慢增大，说明溶液中的氯化铜浓度增加，但吸光度较小，说明活性炭上的铜离子脱附较弱。

2.1.6 单因素试验小结

根据单因素实验的结果，得到单因素最佳工艺参数为:氯化铜浓度为0.05mol·L－1，浸渍比3，浸渍时间2h，活化温度600℃、活化时间2h。

2.2 筛选实验设计——Plackett－Burman 设计［6］结果和分析

在本次实验中，对实验过程5个主要因素，即氯化铜浓度、浸渍比、浸渍时间、活化温度和活化时间，外加6个虚拟因素，共进行12次实验，以确定每个因素的影响因子(表1)。

表1 Plackett－Burman设计因子水平

表2 抗菌率偏回归系数及影响因素的显著性分析

由表2可知，氯化铜浓度(A)、浸渍时间(B)、活化时间(D)、浸渍比(C)为主要的影响因子。

2.3 中心组合设计(BBD)结果与响应面结果分析

2.3.1 中心组合设计(BBD)实验设计和方差分析

根据Box－Behnken中心组合设计原理，在单因素的基础上，以氯化铜浓度(A)、浸渍时间(B)、浸渍比(C)、活化时间(D)四个因素为自变量，以抗菌率(Y)为响应值，做四因素三水平的响应面分析试验，共29个实验点。设计结果见表3、表4。

表3 试验自变量因素编码及水平

表4 BBD优化设计结果

用Design Expert7.0对实验结果进行方差分析和回归模型R2分析，结果见表5、表6。

表5 抗菌率方差分析

注:P＜005显著;P＞0.1不显著;P＜0.0001极显著。

由表5抗菌率方差分析可知，模型中F=8.51，P=0.0001，表明实验所采用的二次模型是极显著的，在统计学上是有意义的。失拟项用来表示所采用模型与实验拟合的程度。本例P=0.1881＞0.05，不存在失拟因素。

因素A氯化铜浓度、B浸渍时间、C活化温度的P值均小于0.05，且A的P值小于0.0001，D浸渍比的P值大于0.05。说明因素A影响极显著，因素B和C影响显著，因素D影响不显著。

交互项AB、AC、AD、BC、BD、CD的P值均大于0.05，所以交换项对抗菌率没有影响。

因素A的二次项P值小于0.05，大于0.0001，B、C、D的二次项P值均大于0.05，说明A2对抗菌率影响显著，B2、C2、D2对抗菌率影响不显著［7］。

表6 抗菌率回归模型R2分析表

由表6可知，决定系数等于0.8948，表明因变量与自变量之间的非线性关系显著，证明这种试验方法是可靠的，在试验范围内，该数学回归模型具有良好的预测。此外，R2校正值为0.7897，表明该模型可以解释78.97%响应值的变化，因此该模型拟合程度良好。

2.3.2 影响因素的响应面曲线图

2.3.2.1 氯化铜浓度与浸渍时间对抗菌率交互影响

图7 氯化铜浓度与浸渍时间对抗菌率交互影响的等高线图和三维响应曲面图

从图7可知，氯化铜浓度与浸渍时间对抗菌率的等高线几乎成平行，说明两者的交互作用非常明显响;氯化铜浓度比浸渍时间响应面曲线较陡，说明氯化铜浓度对抗菌性的影响比浸渍时间对抗菌率的影响较明显。

2.3.2.2 氯化铜浓度与活化温度对抗菌率的交互影响

图8 氯化铜浓度与活化温度对抗菌率交互影响的等高线图和三维响应曲面图

从图8可知，氯化铜浓度及活化温度对抗菌率的等高线图较平行，说明交互作用较明显;氯化铜浓度比活化温度的响应面曲线较陡，说明氯化铜浓度对抗菌率的影响比活化温度对抗菌率的影响较明显。

2.3.2.3 氯化铜浓度与浸渍比对抗菌率的交互影响

图9 氯化铜浓度与浸渍比对抗菌率交互影响的等高线图和三维响应曲面图

从图9可知，氯化铜浓度与浸渍比抗菌率的等高线图，较为圆，说明交互作用较不明显;氯化铜浓度比浸渍比的响应面曲线较陡，说明氯化铜浓度对抗菌率的影响比活化温度对抗菌率的影响较明显。

2.3.2.4 浸渍时间与活化温度对抗菌率的交互影响

图10 浸渍时间与活化温度对抗菌率交互影响的等高线图和三维响应曲面图

从图10可知，浸渍时间与活化温度对抗菌率的等高线图较为平行，说明两者交互影响较明显;活化温度比浸渍时间的响应面曲线较陡，说明活化温度对抗菌率的影响比浸渍时间对抗菌率的影响较明显。

2.3.2.5 浸渍时间与浸渍比对抗菌率的交互影响

图11 浸渍时间与浸渍比对抗菌率交互影响的等高线图和三维响应曲面图

从图11可知，浸渍时间与活化温度对抗菌率的等高线图较为平行，说明两者交互影响较明显;活化温度比浸渍时间的响应面曲线较陡，说明活化温度对抗菌率的影响比浸渍时间对抗菌率的影响较明显。

2.3.2.6 活化温度与浸渍比对抗菌率的交互影响

图12 活化温度与浸渍比对抗菌率交互影响的等高线图和三维响应曲面图

从图12可知，活化温度与浸渍比对抗菌率的等高线图几乎成圆，说明两者交互影响非常不明显;此外，活化温度比浸渍比的响应面曲线较陡，说明活化温度对抗菌率的影响比浸渍比对抗菌率的影响较明显。

综上分析，可知氯化铜浓度、活化温度对抗菌率影响最为显著，响应面曲线较陡，浸渍时间次之，浸渍比影响最弱，曲线较平滑。

2.3.2.7 验证实验

按照优化的活性炭制备工艺条件为:活化时间2h，氯化铜浓度为0.07mol·L－1，浸渍时间2h，活化温度700℃，浸渍比为3时，此优化条件下的抗菌率高达100.058%，考虑实际情况，抗菌率在以上参数条件下，抗菌率高达100%。在最优条件下，抗菌率达到100%，与预测值相符。

2.4 活性炭样品的红外光谱分析

根据红外光谱图上吸收峰的位置及形状可以推断未知物的表面所含有官能团。

对负载铜离子后的活性炭表面基团进行了红外光谱测定，结果如图13所示。各活性炭样品的红外谱图吸收峰均出现在1235、1510、1693、3475cm－1附近。其中红外谱图在1235cm－1的吸收峰对应于C－O、C－C骨架的伸缩振动，1510－1的吸收峰归属于＞C=C＜伸缩振动、活性炭中的芳环的骨架振动，1693－1的吸收峰对应于苯环的C=C键伸缩振动、＞C=O伸缩振动［8］。而红外谱图在3470－1附近的强而宽的吸收峰可能是炭活化产物中的酚羟基或羧酸等官能团的O－H伸缩振动峰。因此，除活性炭因其较大的比表面积和孔容表现为较强的物理吸附外，其表面基团存在较多的含氧基团，表面的化学吸附主要是氢键吸附。

图13 载铜活性炭红外光谱图

2.5 载铜活性炭样品的孔结构

我们选用3个有代表性的载铜活性炭样品，它们的制备条件如表7所示。

表7 载铜活性炭制备条件

图14、图15是在最优条件下制备的载铜活性炭的氮吸附－脱附等温线和孔径分布曲线。

图14 载铜活性炭的N2吸附－脱附等温线

图15 孔径分布

由图14可知，每个制备条件的载铜活性炭的氮气吸附－脱附等温线的形状很相似，根据国际纯粹化学和应用化学协会(IUPAC)的分类，该类吸附等温线属于典型的IV型吸附等温线。活性炭吸附分支上的氮气吸附量随着相对压力的增大而增加。在滞后回线上开始的相对压力小于0.4左右时等温线的脱附分支与吸附分支重合，意味着这些孔隙没发生毛细凝聚，已经完全被充满了，表明有发达的微孔存在，也说明了每个样品在制备过程中，除了微孔生成，也产生不少数量的中孔［9］。

不同条件下制备载铜活性炭利用BJH算法得到孔径分布，结果如图15所示。样品内部绝大部分孔容的半径小于2nm，其次是2～3nm的中孔，说明各样品的总体结构以微孔为主，小部分是中孔。孔径分布是指按空隙的有效半径大小变化的孔容积的分布，它对了解活性炭的吸附性能是至关重要的。

3 结论

本研究以抗菌率为响应目标，采用单因素实验、Plackett－Burman(PB)和Box－Behnken Design(BBD)中心组合设计方法，以抗菌率为响应值，探索了活化时间、氯化铜浓度、浸渍时间、活化温度、浸渍比等因素对抗菌率的影响;确定制备载铜活性炭的最佳工艺条件为活化时间2h，氯化铜浓度为0.07mol·L－1，浸渍时间2h，活化温度700℃，浸渍比3时，抗菌率达100%。另外，通过傅立叶红外光谱仪分析得知其表面基团存在较多的含氧基团，通过孔径及表面积分析可知活性炭主要以微孔为主，也有不少数量的中孔存在。

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