高温煅烧贝壳粉的抗菌性能研究

盖广清，祁庶瑒

吉林建筑大学 材料科学与工程学院,长春 130118

0 引言

近年来,随着人们物质生活和精神生活水平的不断提高,人们逐渐意识到细菌和霉菌等微生物对生活环境的消极影响无处不在,由微生物引发的各类疾病对人体的危害也是极大.此外,被细菌或霉菌污染的建筑材料,其功能性和使用寿命都会大幅降低,甚至会出现材料变质导致微生物进一步大量繁殖的恶性循环.因此,建材的抗菌性研究越来越受到关注.在探索高抗菌性建材的过程中,适当降低成本以达到高性能和高效益的平衡,对于抗菌涂料的发展和广泛应用更为有利.贝壳作为大宗固体废弃物,仅我国沿海地区的贝类产量就已高达上千万吨，由于得不到妥善处理而使废弃贝壳大量堆砌,造成一定程度的环境污染.实际上,贝壳粉具有极佳的吸附性、抗菌性、无毒性等优点,若将贝壳粉进行资源化利用,取代涂料中的部分填料,则可以在大幅提高涂料抗菌性的同时,达到废物利用和降低成本等多重效益.

本试验选取不同的温度对贝壳粉进行煅烧法改性,对煅烧后的贝壳粉进行抗菌分析,并对造成该差异的原因进行深入研究,选取最佳煅烧温度,以达到高抗菌效率.

1 试验

1.1 原料及试验菌株

抗菌剂成分: 贝壳粉,青岛万源生物科技有限公司;去离子水,自制.

试验用菌株: 大肠埃希氏菌、金黄色葡萄球菌,上海鲁微科技有限公司.

抗菌测试: 营养肉汤培养基、营养琼脂培养基,上海鲁微科技有限公司;洗脱液,自制;无水乙醇,成都市科龙化工试剂厂.

1.2 主要设备及仪器

材料制备与检测的主要设备与仪器见表1.

表1 主要设备与仪器Table 1 Main equipment and instruments

1.3 试验步骤

1.3.1 贝壳粉体的煅烧改性

试验采用煅烧法对贝壳粉进行改性,进一步提高其抗菌性能.在煅烧温度和保温时间适当的前提下,对天然贝壳粉进行煅烧改性并不会破坏其中无机碳酸钙的晶体结构.为探索最佳煅烧温度,试验确定升降温速率为2 ℃/min,保温时间2 h,针对200 ℃～1 100 ℃下煅烧改性的贝壳粉的基本性能和抗菌性能进行纵向对比.

取适量贝壳粉原粉分别置于清洁干燥的坩埚中,并称量煅烧前质量,随后分别在200 ℃,300 ℃,400 ℃,500 ℃,600 ℃,700 ℃,800 ℃,900 ℃,1 000 ℃,1 100 ℃下进行煅烧改性.待降至室温后取出二次称重并计算失重率,200 ℃～700 ℃下分别为0.14 %,1.64 %,3.57 %,5.25 %,9.19 %,15.87 %,当温度高于800 ℃时,失重率稳定在44.3 %,查阅文献可知[1],800 ℃以上煅烧完全.

1.3.2 抗菌剂的制备

取试管若干,经高压蒸汽灭菌并降至室温后,用纯水将贝壳粉原粉与经不同温度煅烧改性的贝壳粉分别配制成15 %浓度的混悬液,用医用无菌脱脂棉封堵试管口.进行抗菌实验前,将试管分别放置于超声破碎仪器中一段时间,使其充分分散.

1.3.3 抗菌性能测定试验

试验采用琼脂扩散法中的滤纸片法对待测粉末进行对比测试,通过抑菌圈的大小来评价其抗菌能力.

取500 mL纯水、19 g营养琼脂粉于锥形瓶中进行水浴加热,用玻璃棒不停搅拌至完全溶解,随即用医用无菌脱脂棉塞紧并用牛皮纸包住瓶口,放入高压蒸汽灭菌锅中121 ℃灭菌20 min.待灭菌完成后取出,倒平板,静置至其凝固,缓慢翻转培养皿置于桌面,直至冷却至室温.取浓度约为105 cfu/mL～106 cfu/mL的悬菌液20 μL均匀涂于平板表面,盖上皿盖静置.用移液枪吸取5 μL提前置备的抗菌剂混悬液,缓慢滴加于直径为5 mm的无菌滤纸片上,50 ℃干燥后用无菌镊子夹取并置于已接种试验菌的平板表面,盖上皿盖,翻转置于生化培养箱中,37 ℃培养24 h后取出测量抑菌圈直径.每个样品做3个平行试验.

2 试验结果与分析

2.1 贝壳粉体表征

2.1.1 红外光谱分析

图1～图3为贝壳粉及经过200 ℃～1 100 ℃煅烧改性后的贝壳粉红外图谱.纵向对比可以发现,煅烧温度800 ℃及以下时,在1 530 cm-1～1 355 cm-1处出现宽且强的峰；875 cm-1处出现窄且为中等强度的峰；713 cm-1处出现窄而弱的峰,此3处均为碳酸盐矿物的特征峰.1 780 cm-1,2 516 cm-1,2 878 cm-1处峰均为碳酸根的主要特征峰,分别为反对称伸缩振动吸收峰的一级倍频峰、对称和反对称伸缩振动和频峰、对称伸缩振动和面内弯曲振动的和频峰.由此说明，在煅烧温度不高于800 ℃时,贝壳粉煅烧物中的基本物质仍为CaCO3[1].

图1 贝壳粉及经过200 ℃～1 100 ℃煅烧改性过后的贝壳粉红外图谱(4 000 cm-1～2 500 cm-1)Fig.1 Pink outer spectrum of shell powder and shell modified by calcination at 200 ℃～1 100 ℃(4 000 cm-1～2 500 cm-1)

图2 贝壳粉及经过200 ℃～1 100 ℃煅烧改性过后的贝壳粉红外图谱(2 500 cm-1～1 500 cm-1)Fig.2 Shell powder and pink outer spectrum of shell modified by calcination at 200 ℃～1 100 ℃(2 500 cm-1～1 500 cm-1)

综上分析可知,在煅烧温度超过800 ℃时,贝壳粉中CO32-特征峰消失,基本物质由CaCO3完全转化为CaO,而有机质特征峰在煅烧温度达到400 ℃时消失,说明随着温度的增加有机成分在不断减少.

图3 贝壳粉及经过200 ℃～1 100 ℃煅烧改性过后的贝壳粉红外图谱(1 500 cm-1～500 cm-1)Fig.3 Pink outer spectrum of shell powder and shell modified by calcination at 200 ℃～1 100 ℃ (1 500 cm-1～500 cm-1)

图4 贝壳粉及经过200 ℃～1 100 ℃煅烧改性过后的贝壳粉XRD图谱Fig.4 XRD patterns of shell powder and shell powder after calcination at 200 ℃～1 100 ℃

2.1.2 矿物组成分析

分别对贝壳粉及200 ℃～1 100 ℃下煅烧2 h的贝壳粉煅烧物进行X射线衍射分析,图谱如图4所示.

由图4中曲线BKF可知,未经煅烧的贝壳粉的晶型主要分即霰石型和方解石型两种,主要成分除CaCO3外,还有Ca(OH)2，SiO2，MgO，Fe2O3，Al2O3及其他微量元素.对比图4中曲线200 ℃～800 ℃与曲线BKF可以看出,在煅烧温度低于800 ℃时,样品主要成分仍为CaCO3且含量并未减少,但从500 ℃起即有CaO出现,且产率随温升而递增,原因在于随着温度的上升,原贝壳粉中Ca(OH)2在加热至500 ℃后开始脱水生成CaO,直至580 ℃彻底分解.对比曲线800 ℃～1 100 ℃可以发现,当温度高于800 ℃时开始有大量CaO生成,直至900 ℃时CaCO3全部转化为CaO,而后成分不再发生变化.

2.2 煅烧温度对贝壳粉抑菌效果的影响

贝壳粉经高温煅烧后,主要成分为CaO,但其抗菌性能远优于石灰石高温分解产生的CaO.研究表明,石灰石颗粒形状近球形,孔隙率很小,故反应缓慢,钙利用率不高,得到的CaO产物表面覆盖有CaSO4,大大降低CaO的接触面积[3].而由于贝壳粉微观形貌多为片状或层状,比表面积远大于石灰石,煅烧过程中空气流通更为顺畅,进而改变产物CaO晶格结构.另外有研究表明,贝壳中有大量碱金属化合物的存在,通过高温煅烧生成低熔点液相共熔物,进而形成一定量大孔径孔隙,甚至有连通孔的出现[4].

通过滤纸片法测定煅烧温度为1 100 ℃,1 000 ℃,900 ℃,800 ℃时,纯贝壳粉和空白组的抑菌效果如图5所示.由相关文献可知，抑菌圈直径大于7 mm时,表示抑菌剂有微弱抑菌作用,大于10 mm小于20 mm时,有中等抑菌作用;超过20 mm时,表示抑菌剂有强抑菌作用[5].试验测得抑菌圈直径如图6所示.

(a)(b) 大肠杆菌;(c)(d) 金黄色葡萄球菌图5 贝壳粉及其煅烧物抑菌效果Fig.5 Antibacterial effect of shell powder and its calcined products

图6 抑菌圈试验结果Fig.6 Results of inhibition zone test

由图6可以看出,随着贝壳粉煅烧温度的上升,抑菌圈直径均呈现上升趋势,而未煅烧的贝壳粉同样具有抗菌性,其原因可能为贝壳粉本身存在少量具有抗菌性的有机质,如甲壳素等,可产生一定量的活性壳聚糖及衍生物,通过损伤微生物细胞壁、改变细胞透性及作为抗代谢物等方式,进而达到抑菌的效果.在煅烧温度达到1 000 ℃后增长速率放缓,为节省能源,选择最佳煅烧温度为1 000 ℃.

另外，由于微生物对其生存介质的pH值变化十分敏感,故高或低的pH值会在一定程度上削弱微生物的生存能力,起到抑菌杀菌的作用.通过在不同煅烧温度下贝壳粉的成分探究可知,在煅烧温度为800 ℃时开始有CaO生成,CaO与水发生反应,即：

CaO+H2O=Ca(OH)2+15.2 kcal

这也正是造成煅烧温度与抑菌效果成正比的原因.由于Ca(OH)2的水解作用,其水溶液呈现碱性.随着煅烧温度的上升,pH值会随着CaO转化率的上升而不断升高,直至超出细菌最佳生长pH值范围[6].

在煅烧温度达到1 100 ℃时,CaO转化率及pH值均接近最高,大大降低了细菌的生存能力,进而获得强灭菌活性[7].

3 结论

(1) 通过红外光谱和XRD测试图谱可以看出,贝壳粉及其煅烧物的图谱基本相同,谱线形状相似;煅烧温度达到800 ℃时,CO32-的特征吸收峰显著减小,碳酸钙分解加剧;到900 ℃时CO32-的特征吸收峰消失,碳酸盐完全分解生成氧化钙,这与傅立叶红外光谱图的结果相符合.

(2) 贝壳粉及其煅烧物的傅立叶红外光谱图中可以发现,在1 083 cm-1,3 692 cm-1,1 420 cm-1等处存在众多有机物特征峰,说明贝壳粉中存在有机成分,直到煅烧温度达到400 ℃时,此类峰消失,说明随着煅烧温度的上升有机质含量不断减少,直至400 ℃时完全消失.

(3) 通过图5可看出,煅烧温度对两种受试菌的抗菌效果均有影响,在一定范围内,煅烧物的抗菌性随着煅烧温度的上升而增强,直至煅烧温度1 100 ℃时达到较优,但当温度超过1 000 ℃时,抗菌优化效果基本趋于饱和状态.

(4) 贝壳粉煅烧温度超过800 ℃时主要成分由CaCO3转变为CaO,溶液显碱性,能通过改变细菌生长环境的pH值进而抑制受试菌生长繁殖,获得强灭菌活性.

(5) 由图5可知,贝壳粉及其煅烧物对金黄葡萄球菌和大肠杆菌的抑制作用均较为优秀,且在同等环境下其对金黄色葡萄球菌的抑制作用略优于对大肠杆菌的抑制效果.