聚胍修飾抗菌型海水提鈾材料

李 昊, 文 君, 汪小琳

(1. 中國工程物理研究院核物理與化學研究所, 綿陽 621900； 2. 中國科學技術大學物理學院工程與應用物理系, 合肥 230026)

1 引 言

隨著全球經濟快速發展, 能源的需求量日益提高, 同時化石燃料的燃燒也帶來了日益嚴重的環境問題, 因此, 發展核能等清潔可持續能源勢在必行. 鈾是核能發展的基礎資源, 但現有的陸地鈾礦儲量較為貧乏, 預計僅夠人類使用一百年左右[1]. 海水中含有超過45億噸的鈾, 幾乎是陸地鈾礦儲量的1 000倍, 海水提鈾有望成為保證核能可持續發展的一種可行方案[2-3]. 近幾十年來, 有多種方法用于海水提鈾: 吸附法[4]、萃取法[5]、離子交換法[6]、沉淀法[7]、生物轉換法[8]和電化學提取法[9]等, 其中吸附法具有操作簡單、高效和成本低等優點, 是應用最廣泛的海水提鈾方法. 吸附劑則是吸附法的核心, 無機材料[10]、高分子材料[11-15]、納米結構材料[16]和生物材料[17]等多種材料都已用于制備海水提鈾吸附劑. 其中偕胺肟基(AO)吸附劑具有制備簡單和物化穩定性高, 以及在海水pH值(8.3)下與鈾進行強配位結合的優點, 且偕胺肟基吸附劑已在21世紀初被用于大規模工程化試驗, 證明了其實用性[18].

海水中鈾濃度很低(約為3.3 μg/L), 導致吸附劑在海水中需要較長的時間才能完成提鈾過程. 材料在吸附過程中, 海水中大量存在的微生物會附著在材料表面, 形成生物污損, 對材料產生腐蝕和破壞, 導致材料的吸附性能和耐用性發生大幅度地降低[19]. 因此, 近年來有學者開始著手制備抗菌型海水提鈾材料, 賦予材料抗生物污損性能, 有效提高材料在海水提鈾過程中的穩定性和耐用性[20-24]. 但是, 現階段抗菌型海水提鈾材料多采用引入無機納米顆粒(如納米TiO2、納米鋅和納米銀等)或單分子抗菌基團(如新霉素和胍基等). 其中無機納米顆粒在長期海水沖刷的條件下有可能發生脫落, 耐用性不足, 而單分子抗菌基團抗菌性有限, 所以采用這兩種途徑所制備的材料, 其抗菌性和耐用性不足以滿足長期的海水提鈾過程. 因此, 開發一種具有高效、穩定抗菌性, 以及良好吸附性能的海水提鈾材料, 仍然是一個重要的挑戰.

聚六亞甲基鹽酸胍(PHGC)是一種通過單分子抗菌基團聚合而成的聚合物抗菌材料, 由于多個抗菌基團之間產生共價鍵和協同效應, 因而聚合物抗菌材料相比其它抗菌材料, 具有高效、廣譜、穩定的抗菌性[25]. 聚六亞甲基鹽酸胍是一種制備簡單、低成本的抗菌材料, 廣泛應用于材料的改性方向[26], 如微球[27]、薄膜[28]和納米復合材料[29]等. 同時, 聚胍中含有大量的胺基, 可以用于提高材料的鈾吸附性能[30]. 因此, 聚六亞甲基鹽酸胍有望賦予海水提鈾材料高效、穩定的抗菌性和良好的吸附性能. 本文依次通過氧化還原聚合反應、胺基在戊二醛中的交聯反應和氰基在羥胺中的肟化反應, 制得了一種聚胍和偕胺肟基雙功能化新型海水提鈾材料(PAM-AO-PHGC). 隨后, 我們對該材料進行了鈾的水溶液和含鈾模擬海水等多種體系的吸附性能測試, 探究各組分含量、吸附時間、鈾溶液pH和鈾溶液鹽離子濃度對材料吸附性能的影響. 此外, 本文還在不同類型的細菌條件下, 對該材料進行了抗菌性能方面的測試.

2 實 驗

2.1 試 劑

材料制備所用的鹽酸胍、1,6-己二胺、丙烯酰胺(AM)、丙烯腈(AN)、(NH4)2S2O8、NaHSO3、乙醇、戊二醛、NH2OH·HCl、NaOH和甲醇, 配置鈾溶液所用的UO2(NO3)2·6H2O、NaHCO3、HNO3和NaCl, 以及抗菌測試所用的牛肉膏、蛋白胨、瓊脂、Na2HPO4·12H2O和KH2PO4均購自阿拉丁試劑. 校準電感耦合等離子體發射光譜(ICP-OES)所采用的1 000 μg/mL鈾標準溶液購自西格瑪奧德里奇試劑. 所有原料均為化學純級別或以上且不做任何純化處理.

2.2 制 備

首先采用減壓熔融聚合的方法, 制備聚六亞甲基鹽酸胍(PHGC): 將等摩爾量的鹽酸胍和1,6-己二胺加入三頸圓底燒瓶中并攪拌, 接著在減壓條件下將反應體系加熱至120 ℃并維持2 h, 待放出大量氨氣后, 將溫度提高至155 ℃左右, 維持12 h后, 得到高粘度共聚產物PHGC. 反應過程如圖1所示. 接著通過三步化學合成制備出PAM-AO-PHGC材料, 合成路線如圖2所示.

圖1 聚六亞甲基鹽酸胍(PHGC)的合成Fig.1 Synthesis of Polyhexamethylene guanidine hydrochloride (PHGC)

圖2 PAM-AO-PHGC的合成Fig.2 Synthesis of PAM-AO-PHGC

PAM-AN的合成: 將7 g AM和3 g AN投入圓底燒瓶內, 溶于30 mL去離子水中. 反應溶液在氮氣氛圍下進行磁力攪拌, 并于50 ℃加熱0.5 h. 隨后向燒瓶中加入總質量20 mg且質量比為1∶1的NaHSO3和 (NH4)2S2O8, 繼續加熱12 h, 使混合物充分聚合. 反應結束后使用乙醇和去離子水對產物進行提純和洗滌, 最后在50 ℃下進行真空干燥后得到產物PAM-AN(標記為樣品7, AM: AN質量比6∶4則標記為樣品6, 樣品8、9同理).

PAM-AN-PHGC的合成: 稱取10 g PAM-AN和10 g PHGC加入三頸圓底燒瓶, 并加入100 mL超純水加熱至50 ℃, 同時攪拌混合均勻后, 加入0.5 g 50 %戊二醛溶液, 交聯反應8 h后, 用乙醇和去離子水反復提純和洗滌, 最后在50 ℃下真空干燥, 得到淡黃色交聯產物PAM-AN-PHGC.

PAM-AO-PHGC的合成: 配制100 mL質量分數為10%的鹽酸羥胺溶液, 溶劑為體積比為1∶1的水和甲醇混合溶劑；接著在溶液中加入氫氧化鈉調節pH值至弱堿性, 將配制好的溶液和20 g PAM-AN-PHGC同時加入圓底燒瓶, 在80 ℃油浴中攪拌回流8 h, 得到蓬松固體產物, 用乙醇和水反復提純和洗滌后得到終產物PAM-AO-PHGC.

同時采用相同的肟化方法, 將PAM-AN直接肟化, 制得PAM-AO作對照組.

2.3 表 征

使用Bruker Tensor II傅立葉轉換紅外光譜儀(FT-IR), 通過 KBr固體壓片法測試PAM-AO-PHGC制備過程中各產物在4 000～400 cm-1區間的FT-IR光譜(分辨率4 cm-1). 使用FEI QUANTA250掃描電子顯微鏡(SEM)觀察材料的形貌. 使用Agilent 5110 ICP-OES測定溶液中的鈾濃度. 使用PerkinElmer Lambda 650紫外分光光度儀測試菌液吸光度.

2.4 吸附性能測試

溶液配制: (1) 20 ppm鈾溶液: 稱取適量UO2(NO3)2·6H2O溶于去離子水, 接著用NaHCO3和HNO3調節溶液pH (測試pH對吸附影響時pH = 3～9, 其余情況pH = 8.0；測試鹽離子強度影響時, 分別稱取0～0.5 mol/L NaCl加入溶液體系)；(2) 8 ppm含鈾模擬海水[11]: 稱取適量UO2(NO3)2·6H2O溶于去離子水, 然后加入25 600 ppm NaCl和193 ppm NaHCO3, 含鈾模擬海水pH=7.8.

吸附性能測試: 稱取一定質量的吸附劑和含鈾溶液倒入具塞錐形瓶中, 將錐形瓶置于恒溫振蕩器中震蕩吸附24 h (T= 25 ℃), 以達到吸附平衡. 采用1 000 μg/mL鈾標準溶液分別配制五種不同濃度的校準標液 (0～10 μg/mL), 對ICP-OES進行校準得到線性校準曲線, 之后對吸附前和吸附后的溶液進行鈾濃度測量. 公式1和2分別為吸附劑的吸附容量Qe(mg·g-1)和吸附效率SE(%)的計算公式:

(1)

(2)

式中V(mL)為溶液體積, m(mg)為吸附劑質量, C0和Ce(μg/mL)分別為吸附前和吸附后溶液中的鈾濃度. 所有實驗數據均為三次測量的平均值.

2.5 抗菌性能測試

參考國家標準GB/T 20944—紡織品抗菌性能的評價方法, 測試材料的抗菌性能. 測試過程: 首先將細菌在無菌營養肉湯中進行恒溫震蕩活化(37 ℃、130 rpm、18～22 h)；接著采用無菌營養肉湯和無菌0.03 mol/L PBS溶液將菌液稀釋至105CFU/mL；隨后, 取20 mL稀釋后的菌液和10 mg材料放入滅過菌的三角燒瓶中, 在24 ℃和150 rpm條件下, 震蕩培養20 h, 并采用相同的方式但不放入吸附材料設為對照樣；最后, 采用十倍稀釋法將菌液稀釋至適當濃度, 取0.2 mL涂布到滅過菌的固體培養基上, 在37 ℃下培養36 h后, 對表面菌落進行計數. 測試選用的細菌包括: 抗菌測試常用的革蘭氏陽性菌金黃色葡萄球菌、革蘭氏陰性菌大腸桿菌, 以及兩種海洋中大量存在的細菌—溶藻弧菌和創傷弧菌. 采用公式(3)計算材料的抑菌率(RI):

(3)

式中C0為對照組細菌濃度(CFU/mL), Ca為實驗組細菌濃度(CFU/mL).

此外, 為了進一步驗證材料抑制細菌生長的性能, 取20 mL活化后的菌液, 加入200 mL已滅菌的營養肉湯, 同時加入20 mg材料, 同時設置不加入材料的對照組. 隨后, 每2 h取樣, 并采用紫外分光光度計測試菌液吸光度, 吸光度越低則細菌濃度越低, 材料抑菌性能越好.

3 結果與討論

3.1 PAM-AO-PHGC的表征

利用FT-IR光譜表征制備過程中各產物的化學結構變化, 結果如圖3所示. 材料PAM-AN譜線中2 242 cm-1處的特征峰對應著丙烯腈結構上C≡N的拉伸振動, 1 638 cm-1處的特征峰對應著丙烯酰胺中-NH-CO-的拉伸振動, 這些特征峰表明了PAM-AN聚合成功. PAM-AN-PHGC譜線中2 242 cm-1處的C≡N特征峰明顯降低, 證明了PAM-AN與PHGC交聯成功, 導致材料整體氰基含量降低. PAM-AO-PHGC譜線中2 242 cm-1處的C≡N特征峰消失, 945 cm-1處出現N-O特征峰, 表明材料中的氰基成功肟化成偕胺肟基. 即PAM-AO-PHGC材料制備成功.

圖3 FT-IR光譜: PAM-AN、PAM-AN-PHGC、PAM-AO-PHGC和PAM-AO-PHGC-U

Fig.3 FT-IR spectra: PAM-AN, PAM-AN-PHGC, PAM-AO-PHGC and PAM-AO-PHGC-U

使用SEM對PAM-AO-PHGC以及在鈾溶液吸附后的材料形貌進行表征. 如圖4所示: 合成的PAM-AO-PHGC呈現出較為松散的片層結構, 松散的結構利于材料吸附；且材料在鈾溶液中吸附后, 微觀形貌未發生明顯變化. 因此, 吸附過程未對材料產生破壞, 材料具有較好的穩定性.

圖4 PAM-AO-PHGC吸附前后的SEM圖像: (a)吸附前；(b)吸附后

Fig.4 SEM images of PAM-AO-PHGC: (a) before adsorption; (b) after adsorption

3.2 PAM-AO-PHGC的配比優化

通過調控AM和AN的比例, 可以控制材料中PHGC和AO的含量, 進而優化材料的吸附性能和抗菌性能. 不同配比的材料在20 ppm鈾溶液中的吸附容量如圖5所示. 吸附實驗結果表明: 樣品7具有最好的吸附性能, 即AM與AN質量比為7∶3時材料吸附性能最佳. 此外樣品7的吸附容量為341.0 mg·g-1, 而PAM-AO的吸附容量為262.7 mg·g-1, 證明由于PHGC的引入, 使PAM-AO-PHGC材料的吸附容量相比PAM-AO提高了29.8%. 這可能是因為PHGC中含有大量的胺基, 有效提高了材料的親水性和吸附性能.

圖5 不同配比PAM-AO-PHGC和PAM-AO在20 ppm鈾溶液中的吸附容量

(C0=20 ppm, T=25 ℃, t=24 h, V=500 mL, m=15 mg, pH = 8.0)

Fig.5 Adsorption capacities of PAM-AO-PHGC with different ratios and PAM-AO in 20 ppm U solution

(C0=20 ppm, T=25 ℃, t=24 h, V=500 mL, m=15 mg, pH=8.0)

不同配比材料的抗菌性能測試結果如圖6所示. 結果表明: 材料6～9對金黃色葡萄球菌(圖6a)和大腸桿菌(圖6b)抗菌性能均依次遞增, 證明材料中丙烯酰胺含量越高, 相對應的PHGC含量也越高, 材料的抗菌性能越好, 材料的性能表現與化學組分相對應. 由上述吸附實驗和抗菌測試的初步篩選結果可知, 樣品7具有最好的綜合性能, 后續均采用樣品7作為PAM-AO-PHGC的代表, 進行更深入的實驗和研究.

圖6 不同配比PAM-AO-PHGC對(a)金黃色葡萄球菌和(b)大腸桿菌的抗菌活性

Fig.6 Antibacterial activities of PAM-AO-PHGC with different ratios to (a) S. aureus and (b) E. coli

3. 3 吸附性能測試

3.3.1 pH對材料吸附性能的影響 由于鈾溶液的初始pH影響著鈾酰離子在溶液中的種態, 以及材料與鈾酰離子的配位能力, 因此pH是影響材料吸附性能的重要因素, 海水提鈾材料需在海水pH下具有良好的吸附性能. 為探索pH對PAM-AO-PHGC吸附性能的影響, 采用NaHCO3和HNO3調節鈾溶液的pH在2～9之間, 接著分別進行吸附實驗, 實驗結果如圖7所示. 實驗結果表明: 材料在pH=2的酸性條件下吸附性能較差, 吸附效率僅68%, 這可能是因為酸性條件下, 材料表面的配體基團發生質子化, 無法有效吸附鈾酰離子；但隨著pH的升高, 材料表面的質子化程度降低, 材料表面配體基團吸附活性不斷提高, 當pH在3～8范圍內吸附效率均高于99%, 當pH = 9時, 吸附效率略微下降至97%. 因此, PAM-AO-PHGC吸附劑在弱酸性、中性和弱堿性條件下均保持較高的吸附效率, 可適用于在真實海水條件下進行鈾的吸附. 后續的吸附實驗均在pH=8.0條件下進行.

3.3.2 鹽離子強度對材料吸附性能的影響 海水中NaCl含量很高(0.44 mol/L), 高鹽離子強度有可能對材料的吸附性能產生影響. 為了研究鹽離子強度對材料吸附性能的影響, 向鈾溶液中加入濃度為0.01～0.5 mol/L的NaCl后, 進行吸附實驗. 實驗結果如圖8所示, PAM-AO-PHGC材料在NaCl濃度為0.01～0.5 mol/L范圍內, 鈾吸附效率始終保持在95%以上. 因此, 鹽分對PAM-AO-PHGC的鈾吸附性能沒有顯著影響, 材料具有良好的耐鹽離子強度性能.

圖7 PAM-AO-PHGC在不同pH下的吸附效率

(C0=20 ppm, T=25 ℃, t=24 h, V=20 mL, m=5 mg)

Fig.7 Adsorption efficiencies of PAM-AO-PHGC at different pH

(C0=20 ppm, T=25 ℃, t=24 h, V=20 mL, m=5 mg)

圖8 PAM-AO-PHGC在NaCl濃度鈾溶液中的吸附效率

(C0=20 ppm, T=25 ℃, t=24 h, V=20 mL, m= 5 mg)

Fig.8 Adsorption efficiencies of PAM-AO-PHGC in U solutions with different NaCl concentrations

(C0=20 ppm, T=25 ℃, t=24 h, V=20 mL, m=5 mg)

3.3.3 吸附動力學 為了探究材料的飽和吸附時間, 分別測試了材料在8 ppm含鈾模擬海水和20 ppm鈾溶液中的吸附動力學, 實驗結果如圖9所示. 實驗結果表明, 材料無論是在模擬海水還是鈾溶液中, 前240 min材料吸附速率較快, 并在360 min內可完成90%以上的吸附, 在24 h后達到吸附平衡, 在8 ppm模擬海水和20 ppm鈾溶液中飽和吸附容量分別為229.6和314.2 mg·g-1. 由于鈾的吸附是一種動態平衡過程, 因此在兩種不同溶液中飽和吸附容量的差異主要來源于溶液初始鈾濃度不同, 高濃度的鹽離子也會帶來一部分影響. 為了研究PAM-AO-PHGC材料的吸附動力學機理, 采用準一階動力學模型(4)和準二階動力學模型(5)擬合吸附過程:

ln(Qe-Qt)=lnQe-k1t

(4)

(5)

式中Qt(mg/g)為時間t時的吸附容量, Qe(mg·g-1)為平衡吸附容量, k1(min-1)和k2(mg·g-1·min-1)分別為準一階和準二階動力學的吸附速率常數.

PAM-AO-PHGC吸附劑的動力學參數如表1所示. 結果表明, 在模擬海水和鈾溶液體系中, 準二階動力學模型的相關系數(R2)均大于準一階動力學模型, 即準二階動力學模型對該材料的吸附過程擬合程度更高, 表明材料吸附過程為化學吸附. 材料在模擬海水和鈾溶液體系下, 準二階動力學模型擬合所得的飽和吸附容量理論值分別為231.0和310.6 mg·g-1, 與實驗結果相近. 此外, 在圖3的FT-IR譜圖中, 材料吸附后在885 cm-1處產生新的U-O特征峰, 進一步證明了材料吸附過程為化學吸附這一結論.

圖9 PAM-AO-PHGC吸附動力學模型擬合

Fig.9 Fits of adsorption kinetic models of PAM-AO-PHGC

(T=25 ℃, t=24 h, V=500 mL, m=15 mg)

表1 準一階和準二階動力學模型的動力學參數

3.4 抗菌測試

參考國家標準GB/T 20944—紡織品抗菌性能的評價方法, 測試了材料對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、以及兩種海洋中常見細菌—溶藻弧菌和創傷弧菌的抑菌率, 結果如圖6和圖10所示. 實驗

圖10 PAM-AO-PHGC和PAM-AO對(a)溶藻弧菌和(b)創傷弧菌的抗菌活性Fig.10 Antibacterial activities of PAM-AO-PHGC and PAO-AO to (a) V. alginolyticus and (b) V. vulnificus

結果表明, PAM-AO-PHGC材料對四種細菌都有較好的抗菌效果, 抑菌率幾乎達到了100%, 相比未接枝PHGC的對照樣品PAM-AO, 材料的抑菌率有顯著的提高. 為了進一步驗證材料對海洋細菌具有較好的抑菌性, 在細菌培養過程中取出一部分營養肉湯培養液, 進行紫外吸光度測試, 得到空白對照組、PAM-AO對照組合PAM-AO-PHGC實驗組的細菌生長曲線如圖11所示, 證明了PAM-AO-PHGC材料對海洋細菌具有極高的抑菌性.

圖11 PAM-AO-PHGC(紅色，三角)和PAM-AO(藍色，圓圈)對(a)溶藻弧菌和(b)創傷弧菌生長曲線的影響Fig.11 Effects of PAM-AO-PHGC (red, triangle) and PAM-AO (blue, circle) on growth curves of (a) V. alginolyticusand (b) V. vulnificus

為了進一步驗證材料的抗菌性來源于PHGC的引入, 測試每一步反應產物對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抗菌性能, 結果如圖12所示. 實驗結果表明: PHGC和PHGC交聯后的材料, 均具有良好的抗菌性能, 且材料的抗菌性在肟化反應后, 依然可以得到很好的保持. 因此, 可以得到結論: PHGC的引入賦予了材料優異的抗菌性能.

圖12 制備過程中不同階段PAM-AO-PHGC對(a)金黃色葡萄球菌和(b)大腸桿菌的抗菌活性(0: 對照組, N: PAM-AN, C: PAM-AN-PHGC, 7: PAM-AO-PHGC, G: PHGC)Fig.12 Antibacterial activities of PAM-AO-PHGC at various stages in its synthesis to (a) E. coli and (b) S. aureus(0: 對照組, N: PAM-AN, C: PAM-AN-PHGC, 7: PAM-AO-PHGC, G: PHGC)

4 結 論

1) 通過戊二醛交聯胺基的方法可以將PHGC接枝在PAM-AN基體上, 在完成胺肟化處理后, 得到聚胍修飾海水提鈾材料PAM-AO-PHGC；PHGC的引入不僅賦予材料優異的抗菌性能, 還有效提高了材料的吸附性能.

2) 聚胍修飾海水提鈾材料在廣泛pH范圍內(pH = 3～9)鈾溶液中均保持高吸附效率, 適用于海水提鈾研究；且材料表現出良好的耐鹽性能, 在含高濃度NaCl (0.5 mol/L)的鈾溶液中依然保持95%以上的吸附效率.

3) 聚胍修飾海水提鈾材料在8 ppm模擬海水中的平衡吸附容量達到231.0 mg·g-1, 吸附過程符合準二階吸附動力學模型, 為化學吸附.

4) 聚胍修飾海水提鈾材料對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、溶藻弧菌和創傷弧菌具有良好的抗菌性能, 抑菌率接近100%.