饮用水中含银掺氮碳材料的抑菌效果研究

　　近年来随着水环境的变化，尤其是在一些发展中国家和欠发达地区，水质受到不同程度的污染，生活饮用水资源匮乏，严重影响了人类生存环境及人体安全。饮用水中细菌等微生物的污染占有非常大的比重，因此水体净化和消毒对保障饮用水的安全非常重要。对于饮用水体的灭菌消毒，传统工艺方法对终端饮用水均暴露出或多或少的缺点与不足。

　　活性炭 （ Activated carbon,AC） 由于具有较高比表面积、良好的吸附性能，被广泛应用于终端饮用水的净化[1-4].但由于其具有良好的生物相容性和化学相容性[5-6],水中微生物很容易在吸附有机物的活性炭上繁殖，导致终端饮用水中微生物数量明显增加，而某些微生物还可将水中的氨类物质转化为亚硝酸盐，致使饮用水中亚硝酸盐含量增加[7-8],威胁人体健康。为消除饮用水净化过程中由于微生物所带来的二次污染，通常使用具有杀菌性能的物质负载在 AC 表面。银系杀菌材料是其代表之一，因其具有广谱抗菌、杀菌效率高、不易产生抗药性等优点，可以用来杀死或者抑制细菌、病毒、藻类和真菌[9-14].常见的活性炭载银的材料大都是以简单的掺杂，共混使 Ag 吸附在活性炭的表面，而这种方法获得的含银炭材料中银和碳的结合能微弱，易释放于水体，也会危害人类的健康。

　　本研究以聚希夫碱为框架，银离子以配位键与聚希夫碱结合，高温碳化后制备出一种新型的含银掺氮碳材料，银离子在热解过程中原位还原负载在碳材料内部。研究中使用透射电子显微镜（ Transmissionelectron microscopy,TEM） 观察碳材料表面形貌，X 射线衍射（ X-ray diffraction,XRD） 考察碳材料结晶性能，X 射线光电子能谱（ X-ray photoelectron spectroscopy,XPS） 分析材料中各元素的结合能，傅立叶变换红外光谱仪（ Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR） 观察材料官能团的变化。该碳材料被应用于饮用水的抑菌，并研究其对大肠杆菌（ E.coil） 的抑菌性能。

　　1 实验部分

　　1.1 材料的制备

　　含银掺氮碳材料制备过程如图1 所示。称取5 mmol 对苯二胺溶于25 mL 去离子水中，磁力搅拌器上搅拌 30 min,至固体完全溶解。加入 40%乙二醛 5 mmol,搅拌 1.5 h.抽滤并多次洗涤后得希夫碱聚合物。

　　将抽干的固体加入 25 mL 去离子水中，同时加入 5 mL、1 mol·L-1的 AgNO3溶液，避光搅拌 1.5 h,抽滤，固体避光置于 40 ℃恒温干燥箱中 24 h.避光研磨至粉末状固体，装入瓷舟中，放入管式炉。密封好后，先通30 min 氮气，将温度设置为 100 ℃ ,保温 1 h,再设置为 200 ℃ ,保温 1 h,以此类推至 400 ℃ 保温 1 h 后，将温度设置为 800 ℃。并以电压旋钮来控制升温速度为 5 ℃·min-1.待温度达到 800 ℃ 后，保温 3 h.之后，关闭电源，当温度降至 400 ℃以下时，停止通入氮气，待温度降至 70 ℃以下时，取出瓷舟，得含银掺氮碳材料，将材料密封保存。

　　1.2 材料的表征

　　使用 D/Max-3c 型 X 射线衍射仪（ XRD） 测定碳材料的结构（ 测定条件为室温 Cu Kα 射线，管电压40 kV,管电流 30 mA） .日本岛津 IRPrestige-21 型傅立叶红外变换光谱仪（ FT-IR） 被用来分别对材料在常温下及 600 ℃、800 ℃、1000 ℃、1200 ℃碳化后在 500-4000 cm-1范围内进行扫描，通过吸收峰的位移和强度变化探讨碳化前后含银量不同配比材料的化学键的结合情况，及不同温度的碳化对材料化学键的影响。通过日本岛津公司 AXIS ULTRA 型的多功能成像光电子能谱仪（ XPS） 分析，获得材料中各原子间的化学键，原子的轨道分布以及各元素的种类与含量的信息。利用日本电子公司的 JEM-2100 型透射电子显微镜（ TEM） ,对材料进行透射电镜分析，确定材料的形态以及银离子的结合状态。本研究以第三代大肠杆菌（ E.coil） 为研究对象进行抑菌试验，以平板菌落法进行细菌生长情况的探究，研究材料的抑菌性能。

　　1.3 材料应用实验

　　取 100 mL 蒸馏水和 2.0 g 载银活性炭放入 250 mL 的锥形瓶中，于 25 ℃条件下以 150 r·min-1恒温振荡，并每隔一段时间测 1 次水中银的浓度，银的浓度通过双硫肿分光光度法于 TU-1900 型紫外-可见分光光度计上测量[8].并分别对陕西省渭南市白水县林皋水库水样与陕西省铜川市印台区姜女泉水样，通过滤膜法检测其抑菌效果。

　　2 结果与讨论

    2.1 X 射线衍射分析

    图 2 为含银掺氮碳材料在 800 ℃和 600 ℃的 X 射线衍射图谱，经过对图谱的分析发现其主要在衍射角 2θ 为 38.18°、44.34°、64.46°和 77.40°处有明显的衍射峰，其分布与银单质的标准 PDF 卡片 04-0783中的衍射峰位置一致[8-9].Ag 单质在 800 ℃ 时结晶度更好，X 射线衍射强度更大，其晶粒尺寸通过谢乐公式计算为 100 nm 左右。此外，图中银的衍射峰窄且尖，说明银的结晶度较好。