抗金黃色葡萄球菌活性炭的制備及工藝優化

李素瓊

(武夷學院生態與資源工程學院，福建武夷山354300)

活性炭是一種多孔性的含炭物質，具有高度發達的孔隙構造，是一種極優良的吸附劑［1］。它廣泛應用于工農業生產的各個方面，比如石化行業的無堿脫臭、乙烯脫鹽水;化工行業的催化劑及載體、氣體凈化以及浸漬劑液的制備等［2］。

隨著生產技術的快速發展，環境污染日益嚴重，威脅著人類的身體健康。活性炭由于其良好的吸附能力，以及耐酸耐堿性，在治理環境污染中發揮著越來越重要的作用。在水處理中，由于其表面的疏水性，且比表面積巨大，因而可有效地去除水體中的各種雜質［3］。

活性炭在使用的過程中，其表面容易繁殖一些微生物而造成污染，因此使用活性炭時就需要其具有良好的吸附及抗菌性。目前已應用于諸多領域的所有的金屬離子抗菌劑中，銀離子的應用最為廣泛，它是一種高效低毒的廣譜抗菌劑。但是銀的使用成本高，且銀離子見光或受熱極易還原成金屬銀，非常不穩定;此外，Ag+還易與水體中的 Cl－、HS－、S2－和 SO42－等陰離子發生反應，形成沉淀物，造成抗菌性能的缺失。與銀相比，銅價格低廉，而且化學穩定性和環境安全性較高，這些都是載銅無機抗菌材料的優勢［4］。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本實驗制備載銅活性炭所采用的原料是活性炭，抗菌測試時所采用的菌種是金黃色葡萄球菌。

1.2 主要儀器

AVATAR330FT－IR Thermo Nicolet傅里葉紅外光譜儀(NEXUS公司);XQM－2L變頻行星式球磨機(南京科析實驗儀器研究所)。

1.3 實驗設計

通過單因素、Plackett－Burman設計和中心組合設計(BBD)，考察氯化銅濃度、浸漬比、浸漬時間、活化溫度、活化時間等操作參數對載銅活性炭抗菌率的影響;并根據響應面法原理，對相關影響因素進行試驗優化設計，并進行試驗驗證分析，確定制備抗菌的載銅活性炭的最佳工藝條件，并利用傅立葉紅外光譜儀、比表面積及孔徑分析儀對活性炭的孔結構及表面官能團進行表征。

1.4 單因數實驗設計

通過篩選試驗，以氯化銅為活化劑制備載銅活性炭，研究了氯化銅濃度、浸漬比、浸漬時間、活化溫度、活化時間對載銅活性炭抗菌率的影響。

1.5 試驗優化設計

在本研究中，先利用Plackett－Burman實驗設計篩選出關鍵影響因子，然后在單因數試驗和Plackett－Burman實驗設計的基礎上，利用Box－Behnken設計來對影響活性炭的抗菌率進行優化［5］。

1.6 載銅活性炭制備流程

圖1 制備載銅活性炭的流程圖

具體步驟:

(1)活性炭用5%氫氧化鈉浸漬24h，烘干;

(2)再用5%硝酸浸漬24h，洗至中性，烘干，研磨成粉狀;

(3)配置氯化銅溶液，分別為0.01mol·L－1、0.03mol·L－1、0.05mol·L－1、0.07mol·L－1、0.09mol·L－1;(4)加入一定濃度的氯化銅溶液，浸漬一定時間后烘干;

(5)將浸漬好的載銅活性炭用馬弗爐活化，設定一定活化溫度;

(6)將活化完的活性炭冷卻至室溫后，稱重后裝于密封袋，放入真空干燥器。

1.7 活性炭樣品的性能表征

1.7.1 紅外光譜分析

活性炭和溴化鉀在1∶100～1∶200的瑪瑙研缽充分磨細，混合，少數在壓片機中壓成一個透明的圓形片，使用掃描次數為32次·s－1，分辨率為4 cm－1，掃描譜的限度為400～4000 cm－1的紅外光譜儀測定其紅外譜圖。

1.7.2 比表面積和孔徑分析

以氮氣為吸附質，在液氮溫度下(77K)測定了各個工藝優化條件下的活性炭樣品的比表面積。通過N2吸附等溫線的BET法測定活性炭的比表面積。按照實驗測得的吸脫附等溫線，活性炭的比表面積和孔徑，分別采用BET方程和BJH方程計算。

2 結果與討論

2.1 單因素實驗結果與討論

2.1.1 不同氯化銅溶度的選擇

完成活化時間為1h，浸漬比為3，活化溫度為400℃，浸漬時間為24h，氯化銅濃度不同的抗菌測試。

圖2－1 不同氯化銅濃度制備載銅活性炭的抗菌率影響

圖2－2 0.05mol·L－1氯化銅濃度制備載銅活性炭的吸光度變化

從圖2－1可知，隨著氯化銅濃度的增大，載銅活性炭的抗菌率顯著增大。當濃度達到0.05mol·L－1時，抗菌率達到最大，為63.0%;當濃度大于0.05mol·L－1時，抗菌率緩慢降低。所以選取氯化銅濃度為0.05 mol·L－1，載銅活性炭的抗菌率最好。選取0.05mol·L－1的氯化銅做紫外分光光度測試，從圖2－2可知，隨著時間的增加，吸光度緩慢增大，說明溶液中的氯化銅濃度增加，但吸光度較小，活性炭上的銅離子脫附較弱。

2.1.2 不同浸漬比的選擇

完成活化時間1h，活化溫度400℃，浸漬時間2h，氯化銅濃度為0.05mol·L－1、浸漬比變化的抗菌測試。

圖3－1 不同浸漬比制備載銅活性炭的抗菌率影響

圖3－2 浸漬比為3氯化銅制備載銅活性炭的吸光度變化

從圖3－1可知，隨著浸漬比的增大，載銅活性炭的抗菌減少，浸漬比為3時，載銅活性炭的抗菌率最大，為64.7%，所以選取浸漬比為3的載銅活性炭做紫外分光光度測試。從圖3－2可知，隨著時間的增加，吸光度緩慢增大，說明溶液中的氯化銅濃度增加，但吸光度較小，說明活性炭上的銅離子脫附較弱。

2.1.3 不同浸漬時間的選擇

完成活化時間1h，浸漬比3，活化溫度400℃，氯化銅濃度為0.05mol·L－1、浸漬時間變化的抗菌測試。

圖4－1 不同浸漬時間制備載銅活性炭的抗菌率影響

圖4－2 浸漬時間為2h氯化銅制備載銅活性炭的吸光度變化

從圖4－1可知，隨著浸漬時間的增加，載銅活性炭的抗菌率增大，當浸漬時間達到2h時，抗菌率達到最大，為70.5%。所以浸漬時間為2h時，抗菌率最好。選取浸漬時間為2h，做紫外分光光度測試，從圖4－2可知，隨著時間的增加，吸光度緩慢增大，說明溶液中的氯化銅濃度增加，但吸光度較小，說明活性炭上的銅離子脫附較弱。

2.1.4 不同活化溫度的選擇

完成活化時間1h，浸漬比3，浸漬時間24h，氯化銅濃度為0.05mol·L－1、活化溫度變化的抗菌測試。

圖5－1 不同活化溫度制備載銅活性炭的抗菌率影響

圖5－2 活化溫度為600℃氯化銅制備載銅活性炭的吸光度變化

從圖5－1可知，隨著活化溫度的增大，抗菌率增大;當活化溫度達到600℃時，抗菌率最大，為81.5%;之后抗菌率又下降。所以活化溫度為600℃時，抗菌效果最好。選取活化溫度為600℃，做紫外分光光度測試，從圖5－2可知，隨著時間的增加，吸光度緩慢增大，說明溶液中的氯化銅濃度增加，但吸光度較小，說明活性炭上的銅離子脫附較弱。

2.1.5 不同活化時間的選擇

完成浸漬比3，活化溫度400℃，浸漬時間24h，氯化銅濃度為0.05mol·L－1、活化時間變化的抗菌測試。表5是進行試驗的條件及結果。

圖6－1 不同活化時間制備載銅活性炭的抗菌率影

圖6－2 活化時間為2h氯化銅制備載銅活性炭的吸光度變化

從圖6－1可知，隨著活化時間的增加，載銅活性炭的抗菌率也隨著增加;當活化時間達到2h時，抗菌率最大;之后抗菌率又下降。所以活化時間為2h時，抗菌率最大，為80.9%。選取活化時間為2h，做紫外分光光度測試，從圖6－2可知，隨著時間的增加，吸光度緩慢增大，說明溶液中的氯化銅濃度增加，但吸光度較小，說明活性炭上的銅離子脫附較弱。

2.1.6 單因素試驗小結

根據單因素實驗的結果，得到單因素最佳工藝參數為:氯化銅濃度為0.05mol·L－1，浸漬比3，浸漬時間2h，活化溫度600℃、活化時間2h。

2.2 篩選實驗設計——Plackett－Burman 設計［6］結果和分析

在本次實驗中，對實驗過程5個主要因素，即氯化銅濃度、浸漬比、浸漬時間、活化溫度和活化時間，外加6個虛擬因素，共進行12次實驗，以確定每個因素的影響因子(表1)。

表1 Plackett－Burman設計因子水平

表2 抗菌率偏回歸系數及影響因素的顯著性分析

由表2可知，氯化銅濃度(A)、浸漬時間(B)、活化時間(D)、浸漬比(C)為主要的影響因子。

2.3 中心組合設計(BBD)結果與響應面結果分析

2.3.1 中心組合設計(BBD)實驗設計和方差分析

根據Box－Behnken中心組合設計原理，在單因素的基礎上，以氯化銅濃度(A)、浸漬時間(B)、浸漬比(C)、活化時間(D)四個因素為自變量，以抗菌率(Y)為響應值，做四因素三水平的響應面分析試驗，共29個實驗點。設計結果見表3、表4。

表3 試驗自變量因素編碼及水平

表4 BBD優化設計結果

用Design Expert7.0對實驗結果進行方差分析和回歸模型R2分析，結果見表5、表6。

表5 抗菌率方差分析

注:P＜005顯著;P＞0.1不顯著;P＜0.0001極顯著。

由表5抗菌率方差分析可知，模型中F=8.51，P=0.0001，表明實驗所采用的二次模型是極顯著的，在統計學上是有意義的。失擬項用來表示所采用模型與實驗擬合的程度。本例P=0.1881＞0.05，不存在失擬因素。

因素A氯化銅濃度、B浸漬時間、C活化溫度的P值均小于0.05，且A的P值小于0.0001，D浸漬比的P值大于0.05。說明因素A影響極顯著，因素B和C影響顯著，因素D影響不顯著。

交互項AB、AC、AD、BC、BD、CD的P值均大于0.05，所以交換項對抗菌率沒有影響。

因素A的二次項P值小于0.05，大于0.0001，B、C、D的二次項P值均大于0.05，說明A2對抗菌率影響顯著，B2、C2、D2對抗菌率影響不顯著［7］。

表6 抗菌率回歸模型R2分析表

由表6可知，決定系數等于0.8948，表明因變量與自變量之間的非線性關系顯著，證明這種試驗方法是可靠的，在試驗范圍內，該數學回歸模型具有良好的預測。此外，R2校正值為0.7897，表明該模型可以解釋78.97%響應值的變化，因此該模型擬合程度良好。

2.3.2 影響因素的響應面曲線圖

2.3.2.1 氯化銅濃度與浸漬時間對抗菌率交互影響

圖7 氯化銅濃度與浸漬時間對抗菌率交互影響的等高線圖和三維響應曲面圖

從圖7可知，氯化銅濃度與浸漬時間對抗菌率的等高線幾乎成平行，說明兩者的交互作用非常明顯響;氯化銅濃度比浸漬時間響應面曲線較陡，說明氯化銅濃度對抗菌性的影響比浸漬時間對抗菌率的影響較明顯。

2.3.2.2 氯化銅濃度與活化溫度對抗菌率的交互影響

圖8 氯化銅濃度與活化溫度對抗菌率交互影響的等高線圖和三維響應曲面圖

從圖8可知，氯化銅濃度及活化溫度對抗菌率的等高線圖較平行，說明交互作用較明顯;氯化銅濃度比活化溫度的響應面曲線較陡，說明氯化銅濃度對抗菌率的影響比活化溫度對抗菌率的影響較明顯。

2.3.2.3 氯化銅濃度與浸漬比對抗菌率的交互影響

圖9 氯化銅濃度與浸漬比對抗菌率交互影響的等高線圖和三維響應曲面圖

從圖9可知，氯化銅濃度與浸漬比抗菌率的等高線圖，較為圓，說明交互作用較不明顯;氯化銅濃度比浸漬比的響應面曲線較陡，說明氯化銅濃度對抗菌率的影響比活化溫度對抗菌率的影響較明顯。

2.3.2.4 浸漬時間與活化溫度對抗菌率的交互影響

圖10 浸漬時間與活化溫度對抗菌率交互影響的等高線圖和三維響應曲面圖

從圖10可知，浸漬時間與活化溫度對抗菌率的等高線圖較為平行，說明兩者交互影響較明顯;活化溫度比浸漬時間的響應面曲線較陡，說明活化溫度對抗菌率的影響比浸漬時間對抗菌率的影響較明顯。

2.3.2.5 浸漬時間與浸漬比對抗菌率的交互影響

圖11 浸漬時間與浸漬比對抗菌率交互影響的等高線圖和三維響應曲面圖

從圖11可知，浸漬時間與活化溫度對抗菌率的等高線圖較為平行，說明兩者交互影響較明顯;活化溫度比浸漬時間的響應面曲線較陡，說明活化溫度對抗菌率的影響比浸漬時間對抗菌率的影響較明顯。

2.3.2.6 活化溫度與浸漬比對抗菌率的交互影響

圖12 活化溫度與浸漬比對抗菌率交互影響的等高線圖和三維響應曲面圖

從圖12可知，活化溫度與浸漬比對抗菌率的等高線圖幾乎成圓，說明兩者交互影響非常不明顯;此外，活化溫度比浸漬比的響應面曲線較陡，說明活化溫度對抗菌率的影響比浸漬比對抗菌率的影響較明顯。

綜上分析，可知氯化銅濃度、活化溫度對抗菌率影響最為顯著，響應面曲線較陡，浸漬時間次之，浸漬比影響最弱，曲線較平滑。

2.3.2.7 驗證實驗

按照優化的活性炭制備工藝條件為:活化時間2h，氯化銅濃度為0.07mol·L－1，浸漬時間2h，活化溫度700℃，浸漬比為3時，此優化條件下的抗菌率高達100.058%，考慮實際情況，抗菌率在以上參數條件下，抗菌率高達100%。在最優條件下，抗菌率達到100%，與預測值相符。

2.4 活性炭樣品的紅外光譜分析

根據紅外光譜圖上吸收峰的位置及形狀可以推斷未知物的表面所含有官能團。

對負載銅離子后的活性炭表面基團進行了紅外光譜測定，結果如圖13所示。各活性炭樣品的紅外譜圖吸收峰均出現在1235、1510、1693、3475cm－1附近。其中紅外譜圖在1235cm－1的吸收峰對應于C－O、C－C骨架的伸縮振動，1510－1的吸收峰歸屬于＞C=C＜伸縮振動、活性炭中的芳環的骨架振動，1693－1的吸收峰對應于苯環的C=C鍵伸縮振動、＞C=O伸縮振動［8］。而紅外譜圖在3470－1附近的強而寬的吸收峰可能是炭活化產物中的酚羥基或羧酸等官能團的O－H伸縮振動峰。因此，除活性炭因其較大的比表面積和孔容表現為較強的物理吸附外，其表面基團存在較多的含氧基團，表面的化學吸附主要是氫鍵吸附。

圖13 載銅活性炭紅外光譜圖

2.5 載銅活性炭樣品的孔結構

我們選用3個有代表性的載銅活性炭樣品，它們的制備條件如表7所示。

表7 載銅活性炭制備條件

圖14、圖15是在最優條件下制備的載銅活性炭的氮吸附－脫附等溫線和孔徑分布曲線。

圖14 載銅活性炭的N2吸附－脫附等溫線

圖15 孔徑分布

由圖14可知，每個制備條件的載銅活性炭的氮氣吸附－脫附等溫線的形狀很相似，根據國際純粹化學和應用化學協會(IUPAC)的分類，該類吸附等溫線屬于典型的IV型吸附等溫線。活性炭吸附分支上的氮氣吸附量隨著相對壓力的增大而增加。在滯后回線上開始的相對壓力小于0.4左右時等溫線的脫附分支與吸附分支重合，意味著這些孔隙沒發生毛細凝聚，已經完全被充滿了，表明有發達的微孔存在，也說明了每個樣品在制備過程中，除了微孔生成，也產生不少數量的中孔［9］。

不同條件下制備載銅活性炭利用BJH算法得到孔徑分布，結果如圖15所示。樣品內部絕大部分孔容的半徑小于2nm，其次是2～3nm的中孔，說明各樣品的總體結構以微孔為主，小部分是中孔。孔徑分布是指按空隙的有效半徑大小變化的孔容積的分布，它對了解活性炭的吸附性能是至關重要的。

3 結論

本研究以抗菌率為響應目標，采用單因素實驗、Plackett－Burman(PB)和Box－Behnken Design(BBD)中心組合設計方法，以抗菌率為響應值，探索了活化時間、氯化銅濃度、浸漬時間、活化溫度、浸漬比等因素對抗菌率的影響;確定制備載銅活性炭的最佳工藝條件為活化時間2h，氯化銅濃度為0.07mol·L－1，浸漬時間2h，活化溫度700℃，浸漬比3時，抗菌率達100%。另外，通過傅立葉紅外光譜儀分析得知其表面基團存在較多的含氧基團，通過孔徑及表面積分析可知活性炭主要以微孔為主，也有不少數量的中孔存在。

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