活性炭氧化改性对其载银后杀菌性能的影响

孔祥鑫 鲁高扬 李美莹 耿思雨 李光全 刘守新

摘 要：为研究活性炭不同氧化改性方式对其制备银负载杀菌功能活性炭的影响，对椰壳活性炭（Coconut activated carbon，AC）进行HNO3和H2O2改性处理，然后浸渍于AgNO3溶液中，以聚丙烯吡咯烷酮（PVP）为保护剂，NaBH4为还原剂制得载银活性炭（Ag/AC）。通过扫描电子显微镜（SEM）观察AC表面形貌结构，低温氮气吸附测定AC的孔隙结构，采用X射线衍射仪分析AC的晶形结构，研究不同制备条件下Ag/AC的抑菌性能及银流失量。结果表明，银离子被还原为粒径10～40 nm的纳米银单质并均匀分布在AC表面，随Ag担载量增加，Ag/AC的比表面积下降，杀菌性能与抗银流失性能提高。对比2种氧化改性的结果可知，H2O2改性制得的Ag/AC-H2O2的载银量最高（0.64 %），抑菌性能最好（抑菌宽带为4.01 mm），在25 ℃下震荡15 d的银流失量为0.035%。Ag/AC-H2O2在保持高抑菌性能的前提下实现了银控释。

关键词：纳米银控释；氧化改性；活性炭；抑菌性能；浸渍法；银流失量

中图分类号：TQ051 文献标识码：A 文章编号：1006-8023（2023）03-0125-06

Abstract：In order to study the effect of different oxidation modification methods of activated carbon on the preparation of silver loaded bactericidal activated carbon， coconut shell activated carbon （AC） was modified with HNO3 and H2O2， and then immersed in AgNO3 solution. Silver loaded activated carbon （Ag/AC） was prepared by using polypropylene pyrrolidone （PVP） as protective agent and NaBH4 as reducing agent. The surface morphology of AC were observed by scanning electron microscope （SEM）， the pore structure of AC was determined by nitrogen adsorption at low temperature， the crystal structure of AC was analyzed by X-ray diffraction. The antibacterial properties and silver loss of Ag/AC under different preparation conditions were studied. The results showed that silver ions were reduced to silver nanoparticles with particle size of 10-40 nm and uniformly distributed on the AC surface. With the increase of Ag loading， the specific surface area of Ag/AC decreased， and the bactericidal and anti silver loss properties were improved. Comparing the results of two kinds of oxidation modification， it can be seen that the Ag/AC-H2O2 modified by H2O2 had the highest silver loading （0.64%）， the best bacteriostatic performance （the bacteriostatic broadband was 4.01 mm）， and the silver loss after 15 days of shaking at 25 ℃ was 0.035%. Ag/AC-H2O2 achieved silver controlled release on the premise of maintaining high antibacterial performance.

Keywords：Nano silver controlled release; oxidation modification; activated carbon; antibacterial properties; impregnation method; silver loss

基金項目：国家自然科学基金（31971601）；国家级大学生创新训练项目资助（项目资助号：202110225183）

第一作者简介：孔祥鑫，硕士研究生。研究方向为炭材料。E-mail： 2503143257@qq.com

*通信作者：刘守新，博士，教授。研究方向为炭材料。E-mail： liushouxin@126.com

0 引言

活性炭因其发达的孔隙结构、巨大的比表面积、优越的吸附性能和稳定的理化特性和良好的生物相容性[1]被广泛地应用于环境净化[2]、溶剂回收[3]、电容电极[4-5]和食品包装[6]等不同领域。当活性炭应用于饮用水净化时，椰壳活性炭（Coconut activated carbm，AC）表面吸附的有机物会滋生水体中的病原微生物[7]，从而引起水体污染。在AC表面负载具有杀菌性能的银可有效抑制细菌生长繁殖[8]。纳米银的抑菌机理可以总结为以下几点：易与水发生氧化反应生成Ag+，Ag+破坏细菌的蛋白质结构[9]；具有小尺寸效应和表面效应，能进入细菌内部与酶蛋白质巯基（-SH）结合，使细菌因酶失活无法代谢而死亡[10]；与细菌DNA碱基结合，使细菌无法进行DNA复制[11]；纳米银表面的Ag+可与细菌中的亚氨基、羧基等反应使蛋白质失活从而导致细菌的死亡。

Ag/AC的制备方法包括浸渍法[12]、还原法、掺杂法[13]、电化学沉积法[14]和超临界水浸渍法[15]等，其中多以浸渍法为主。浸渍法工艺简单、价格低廉，但由于AC对银主要是物理吸附，银流失速度较快，因此常对AC进行改性处理，通过改变AC表面的化学性质、增加AC表面官能团以及改变孔结构来增强AC的吸附能力。任建莉等[16]用0.10、0.20、0.30、0.50 mg/mL 的AgNO3浸渍活性炭纤维（ACF）制备载银（多组不同的活性炭纤维，ACFs），结果表明，ACF载银量随AgNO3质量浓度增加而增大，呈近似线性关系。Park等[17]将ACF浸渍在质量浓度为0%、0.10%、1.0 %的不饱和AgNO3中，结果表明，银有规律地分散在ACF的微孔中，ACF/Ag对大肠杆菌具有很强的抑菌活性，但银流失很快，流失率为90%。王自强等[12]将AC真空浸渍于4.0 g/L的CH3COOAg溶液中，结果表明，Ag/AC载银量为0.97%时，可在120 min内杀灭107 CFU/mL质量浓度的大肠杆菌（CFU为菌落形成单位），在水中振荡30 d后，银流失量为37.60%。

研究表明，AC经氧化改性后其表面的含氧官能团数量增多[18-21]，亲水性增强，吸附金属离子[22]的活性位点增多。本研究将AC经浓硝酸（HNO3）和过氧化氢（H2O2）氧化改性后浸渍于AgNO3溶液中，以聚丙烯吡咯烷酮（PVP）为保护剂[9]、硼氢化钠（NaBH4）为还原剂制得氧化改性载银活性炭。利用比表面积分析仪、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）对Ag/AC进行比表面积和孔结构、表面形貌、晶体结构分析，以大肠杆菌抑菌圈试验测定Ag/AC的抑菌性能，以振荡法测定Ag/AC的抗银流失性能，最终对2种不同改性方法制得的Ag/AC进行比较。

1 试验材料和内容

1.1 材料与仪器

椰壳活性炭（苏州泰美活性炭有限公司）；过氧化氢、硝酸、硝酸银、聚丙烯吡咯烷酮、硼氢化钠、氢氧化钠、硫酸铁（Ⅲ）铵、硫氰酸钠（天津市科密欧化学试剂有限公司，分析纯）；营养琼脂（北京奥博星生物技术有限责任公司）；大肠杆菌（黑龙江省应用微生物研究所）。

ESJ208-4型电子天平，沈阳龙腾电子有限公司；SK-2-12型管式电阻炉，天津华北实验仪器有限公司； GZX-9140MBE型电热恒温鼓风干燥箱，上海博迅实业设备厂；SPX-150-Z振荡培养箱，上海跃进医疗器械廠；ASAP 2020型全自动比表面积和孔隙度分析仪，美国micromeritic公司；Quanta 200扫描电子显微镜，荷兰FEI公司；D/MAX 2200型X射线衍射仪，日本理学株式会社；ICP-MS 7500型电感耦合等离子体质谱仪，美国安捷伦科技有限公司。

净水活性炭的基本性能指标：厂家为苏州泰美活性炭有限公司；规格为18目；碘吸附值为950 mg/g；亚甲基蓝吸附率为95％；强度为98%；密度为0.55 g/cm3；pH为7.0。

1.2 载银活性炭的制备和银含量测定

称取6.28 g AgNO3溶解于100 mL去离子水中；称取0.35 g NaBH4溶解于400 mL去离子水中；称取23.98 g PVP（Ag与PVP质量比为1∶6）做稳定剂，溶解于500 mL去离子水，向其中加入上述100 mL AgNO3溶液，并且逐滴加入400 mL NaBH4溶液，得4 g/L的纳米银溶液。以洗净干燥的AC为原料，称取2份10 g AC于100 mL烧杯中，分别缓慢加入50 mL HNO3和50 mL 30%H2O2，避光浸泡4 h后抽滤至滤液呈中性，将制得的改性AC放在80 ℃下烘干至恒重，分别记为AC-HNO3、AC-H2O2，置于干燥器中备用。称取AC、AC-HNO3、AC-H2O2各10 g，分别浸渍到4 g/L的纳米银溶液中24 h，用蒸馏水洗涤至无银离子检出后置于干燥箱中烘干，在氮气（N2）保护下，于500 ℃煅烧2 h，制得的样品分别记为Ag/AC-0、Ag/AC-HNO3、Ag/AC-H2O2。依据韩苹 [23]的研究方法，采用灼烧法预处理Ag/AC，对Ag/AC进行银含量的测定。

1.3 载银活性炭的表征方法

用荷兰FEI公司的Quanta 200扫描电子显微镜观察Ag/AC的表面粒子形貌与大小；使用美国Micromeritic公司生产的ASAP 2020型全自动比表面积和孔隙度分析仪，测定Ag/AC的比表面积，测试条件为：相对压力（Pr）为0.01～1.00，样品在300 ℃下脱气10 h；利用日本理学株式会社制造的D/MAX 2200型X射线衍射仪，分析Ag/AC的结构，测定条件为：室温，CuKα射线，管电压40 kV，管电流30 mA。

1.4 抑菌试验与抗银流失性能测试

取高活性的大肠杆菌作为测试菌种，与10 mL磷酸缓冲盐溶液（PBS）混合，将所得菌悬液倒入装有玻璃珠的三角瓶，震荡打散。移取1 mL菌液至试管中，稀释1 000倍。取1 mL稀释后的菌液到营养琼脂培养基中，用美国AATCC Test Method 90 晕圈试验法（AATCC 90—2016）[24-25]对制得的Ag/AC进行抑菌性能测试。

称取2 g样品放入250 mL锥形瓶中，向瓶中加入100 mL蒸馏水，于25 ℃条件下以140 r/min转速震荡，每隔72 h进行取样，并用水相滤膜将样品中的AC除去后加入0.10 mL质谱级浓HNO3。用ICP-MS质谱仪测水中银的质量浓度。

2 结果分析与讨论

2.1 SEM分析结果

图1是Ag/AC的SEM图。由图1可知，制得的银颗粒均为纳米级别，因其制备时被保护剂PVP所包裹[9]，故在AC表面分布较为均匀。普通AC负载的纳米银颗粒数目明显少于改性后AC上负载的颗粒数目，推测其可能的原因是氧化改性后的AC在经过高温处理时，表面官能团发生脱羧反应，产生了更多载银的位点。对比Ag/AC-HNO3与Ag/AC-H2O2可知，Ag/AC-H2O2负载了更多的纳米银颗粒且出现了部分团聚现象，这说明H2O2改性增加了AC表面的活性位点。

2.2 载银量及孔结构

图2是Ag/AC的氮气吸附-脱附等温线。在图2中，吸附等温线可近似看作Ⅳ型吸附等温线，当相对压力p/p0<0.10时，吸附量随着p/p0的增加快速增大，吸附量急劇增加，说明AC中具有微孔结构。当p/p0的数值接近0.40时，吸附等温线与吸附等温线无法重合，产生了吸附-脱附滞后现象，这说明AC中具有分布较多的狭缝状中孔。对于ACraw和Ag/AC-0的吸附等温线，当p/p0>0.98时，N2的吸附量陡然升高，而对于Ag/AC-HNO3与Ag/AC-H2O2样品，滞后环结束后几乎没有吸附N2，这说明ACraw和Ag/AC-0中含有分布窄且尺寸大的孔，Ag/AC-HNO3由于HNO3质量浓度高、酸性强，腐蚀了孔道结构，Ag/AC-H2O2则是因为H2O2将AC活化以后增加了其吸附活性点[18]，纳米银颗粒占据了较多的吸附位点。

Ag/AC的结构参数见表1。同样采用常压浸渍法，Ag/AC-H2O2的载银量为0.64 %，明显高于Ag/AC-HNO3（0.27 %）。与ACraw相比，Ag/AC的比表面积、平均孔容与总孔容都有所减小，这是因为AC表面吸附的纳米银颗粒部分进入了孔道中，随着样品中银含量的增加，占据了空间位置。

2.3 XRD分析结果

图3为Ag/AC的XRD图。分析结果表明：当2θ为20°～30°时，图谱上出现的宽峰对应着石墨微晶C（002）的乱层结构。AC在经过改性及高温煅烧浸渍载银等处理后，C（002）晶面对应峰的衍射角与峰强无明显变化，由此可知AC的石墨微晶结构并没有改变。样品Ag/AC-0、Ag/AC-HNO3、Ag/AC-H2O2在2θ为38.24°、44.32°、64.47°、77.48°时出现了4个衍射峰，这4组衍射峰分别对应了Ag（111）、Ag（200）、Ag（220）及Ag（311） 4个晶面，说明银已经被还原成了单质。将这4个晶面和纯银的标准XRD谱图（JCPDS卡片04-0783和JCPDS卡片65-2871）进行对比[26-27]，衍射峰由弱到强为：Ag/AC-0、Ag/AC-HNO3、Ag/AC-H2O2，其中Ag/AC-H2O2载银量最高，衍射峰较为明显。

2.4 抑菌性能

图4为Ag/AC抑菌试验照片。随着在培养箱中放置时间的延长，抑菌宽带逐渐增大，24 h后不再变化，抑菌效果达到最佳，此后15 d的时间内抑菌圈大小不变，持久性好。根据图4能够发现：对照组没有出现抑菌宽带，样品Ag/AC-0、Ag/AC-HNO3、Ag/AC-H2O2的抑菌宽带逐渐增大；载银量为0.64%的Ag/AC-H2O2有最大的抑菌宽带，为4.01 mm，表现出了较强的抑菌效果，而载银量为0.27%的Ag/AC-HNO3与载银量为0.24%的Ag/AC-0抑菌宽带较窄，分别为3.27、3.38 mm，抑菌效果不明显。这是因为30%H2O2的氧化性弱于浓HNO3，改性处理后AC表面的还原电位升高不明显，对银的吸附能力较浓HNO3改性的强，且氧化改性可以活化AC，使之生成更多利于纳米银颗粒吸附的活性点，有效提高了AC的银负载量，进而提高了其抑菌性能。根据表1中比表面积（BET）可知：与ACraw相比，Ag/AC的比表面积有所减小，这是由于Ag独特的八面体空穴结构使之对氧具有强的亲和力[26]，当纳米银负载在AC表面以后只要有极低的能量，就能克服银与氧之间的相对作用力，这使得氧原子很容易成为纳米银颗粒生长的晶格，进而发生团聚等现象，堵塞AC孔隙。但在载银前后活性炭的比表面积与银暴露比例差异不大，因此，这2个条件对载银活性炭抑菌效果的影响较小，不是主要因素。

2.5 抗银流失性能

不同Ag/AC的银流失结果如图5所示。Ag/AC-0第3天的银流失率为0.91%，呈上升趋势，到第6天时银流失率达到最高为2.68%，之后银流失

率开始减小，从第9天开始每天的银流失率在0.10%上下波动，银开始缓慢释放。这说明在第9天前Ag/AC-0中大部分银已经流失。Ag/AC-HNO3的银流失率较高，在1.30%上下波动。Ag/AC-H2O2的银流失率很少，始终稳定在0.035%左右。由于HNO3的氧化性强于H2O2，因此经过HNO3改性处理后AC表面的还原电位升高较多，这使得Ag/AC-HNO3对Ag的吸附能力弱于Ag/AC-H2O2；同时，HNO3的酸性较强，这使得AC孔道结构被腐蚀而坍塌，银大多吸附在AC表面，没有进入孔道内，因此银流失较快。而H2O2改性后的AC表面含氧官能团增加，增强了Ag/AC-H2O2与Ag颗粒之间的结合作用，银流失较慢。对比可得：抗银流失性能Ag/AC最差，Ag/AC-HNO3次之，Ag/AC-H2O2最好，Ag/AC-H2O2能很好地实现银的控释。

3 结论

纳米银离子被还原成10～40 nm的单质银均匀分布在AC表面，Ag/AC的比表面积、平均孔容与总孔容较AC均减小。本研究通过对活性炭进行改性处理制备载银改性活性炭，与未经改性的活性炭相比，由抑菌性能测试的抑菌圈大小可以看出改性过后的载银活性炭抑菌性能更好；同时，通过震荡法可以看出其抗银流失性能更强。Ag/AC-H2O2载银量为0.64 %，晕圈试验法测得其抑菌宽带为4.01 mm，在25 ℃下震荡15 d银流失量为0.035%。对比相同条件下的Ag/AC-HNO3（载银量0.27 %，抑菌宽带3.38 mm，银流失量1.30%）和未经改性的Ag/AC-0（载银量0.24 %，抑菌宽带3.27 mm，银流失量2.68%）可知，Ag/AC-H2O2的银含量最高，抑菌性能最强，银控释效果最好，在保持高抑菌性能的前提下实现了银控释，利于饮用水的深度净化。

【参 考 文 献】

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