纳米银杀菌剂的制备及应用评价

张磊，姚光源，王宁，张迪彦

（中海油天津化工研究设计院，天津　300131）

纳米银杀菌剂的制备及应用评价

张磊，姚光源，王宁，张迪彦

（中海油天津化工研究设计院，天津300131）

以过氧化氢还原硝酸银制备稳定的纳米银颗粒，用紫外可见分光光度计、扫描透射电镜、激光粒度分析仪对该杀菌剂进行表征，并测试了其杀菌性能和粘泥剥离性能。结果表明，纳米银杀菌剂颗粒大小分布均匀，性能稳定，静置90 d后，无团聚发生；该纳米银杀菌剂对硫酸盐还原菌、异氧菌、铁细菌3种细菌的杀菌率都达到99.99%，对粘泥的剥离率为80.36%；将纳米银杀菌剂应用于天津市某大型化工厂，能有效地去除堵塞水冷器的微生物粘泥，杀灭循环冷却水中的总细菌，杀菌率达到99.99%。

循环冷却水；纳米银杀菌剂；粘泥剥离率；化学还原法

纳米银对微生物有强烈的抑制和杀灭作用，而且不会产生耐药性，越来越受到研究者的关注［1-2］。但纳米银粒径微小，比表面积大，很容易发生团聚，大大降低了纳米银的杀菌率。加入硫蒽哌醇、葡聚糖-乙二胺聚合物等稳定剂可提高纳米银的稳定性，但也对纳米银本身产生包覆和掩蔽作用，改变了纳米银的理化性质，降低了抗菌活性［3-5］。文献［6］介绍了一种以改性壳聚糖为还原剂制备纳米银的方法，能防止纳米银团聚，得到稳定的纳米银溶液。Hoang等［7］和Wei等［8］采用壳聚糖作为稳定剂制备了纳米银溶液。He等［9］认为壳聚糖分子链上有大量的羟基和氨基可与纳米银发生作用，从而提高纳米银颗粒的稳定性。Sarma等［10］以过氧化氢为还原剂在水溶液中制备了纳米金颗粒，宋建恒等［11］、魏智强等［12］用过氧化氢作还原剂，制备了纳米银颗粒。

本研究采用过氧化氢作为还原剂，在常温常压下，以壳聚糖为稳定剂，制备出性能稳定的纳米银杀菌剂，用紫外可见分光光度计、扫描透射电镜、激光粒度分析仪对该杀菌剂进行表征，并考察其杀菌性能和粘泥剥离性能。

1　材料与方法

1.1试验仪器和试剂

试验仪器：粘泥剥离评价装置、紫外可见分光光度计754PC、LS13320激光粒度分析仪、Quanta 200透射电子显微镜。

试验试剂：硝酸银：质量分数为99%，分析纯；壳聚糖：质量分数为99%，分析纯；醋酸：质量分数为36%～38%；过氧化氢：质量分数为30%，化学纯。

1.2试验方法

（1）纳米银杀菌剂的制备方法。取1 000 mL圆底四口烧瓶，将1.4 g硝酸银溶于400 mL去离子水中，加入3.0 mL氨水，常温搅拌10 min，然后用恒压滴液漏斗，滴加10.2 mL过氧化氢溶液，常温搅拌30 min，然后加醋酸溶液约3 mL，调节pH值至4～5，滴加含有2.0 g壳聚糖的水溶液500 mL，于60℃下恒温反应4 h，得到金黄色纳米银水溶液。

（2）杀菌性能评价方法。杀菌剂的性能评价方法采用绝迹稀释法的测试瓶法，参照标准为SY/T 5329—2012《碎屑岩油藏注水水质推荐指标及分析方法》和SY/T 5757—2010《杀菌剂性能评价方法》。

硫酸盐还原菌菌种来自吉林油田现场含油水；异养菌和铁细菌菌种来自天津市滨海新区某大型化工厂循环冷却水。菌悬液均采用GB/T 18175—2014《水处理剂缓蚀性能的测定旋转挂片法》附录A推荐标准水稀释。

（3）粘泥剥离性能评价方法。测试药剂的粘泥剥离性能，采用实验室自制的粘泥剥离评价装置。运行参数为：pH值为7.8～8.5，温度为（30±1）℃，流速约为1.0 m/h，时间为28 d。通过测试投加药剂前、后管中粘泥质量的差值，计算粘泥剥离效率。参比药剂为1227、双季铵盐、异噻唑啉酮。

粘泥剥离率按下式计算：

式中：G0——剥离前粘泥加测试管的质量，g；G——剥离后粘泥加测试管的质量，g；G1——测试管的初始质量，g。

2　结果与讨论

2.1纳米银杀菌剂的制备机理

此反应分为两步，首先硝酸银在弱碱条件下，与氨水发生反应，然后在弱酸条件下生成纳米银颗粒［11］，同时壳聚糖成为纳米银颗粒的稳定剂，主要方程式见式①和式②。由于壳聚糖在弱酸条件下才能溶解，而硝酸银与氨水的反应，条件为弱碱性，因此反应的主要影响因素为反应过程的酸碱度。

2.2紫外-可见光谱分析

取1 mL制备的纳米银水溶液，以高纯水稀释至50 mL，微波振荡器振荡混合均匀，紫外可见分光光度计在200～600 nm波长范围内进行紫外扫描，结果见图1。由图1可知，制备得到的纳米银水溶液，其银粒子吸收波长为400 nm，此波长吸收峰为纳米银粒子的特征吸收峰［5］。

图1 纳米银紫外分析Fig.1　UV-Vis spectrum of nano-si1ver

2.3TEM分析

将制备的纳米银水溶液，用纳米激光粒度仪测试其粒度大小及分布情况，结果见图2。由图2可知，纳米银粒子的粒径范围为3～8 nm，平均粒径为4.5 nm，大小较均一。

图2 纳米银粒度分布情况Fig.2　Partic1e size distribution of nano-si1ver

将纳米银水溶液常温放置90 d后，取制备的纳米银水溶液10 mL，用高纯水及容量瓶定容至100 mL，滴到敷有Formva膜的400目铜网上，滴加2%磷钨酸负染，静置空气中干燥，放置于透射电子显微镜下观察形貌和团聚情况。试验结果显示，纳米银粒子在静置90 d后，并没有出现大规模的团聚现象。分析原因为：壳聚糖与纳米银粒子两者之间存在静电作用，同时，壳聚糖具有足够大的立体位组效应，从而避免了纳米银粒子发生团聚，起到了稳定纳米银粒子的作用［13］。

2.4杀菌性能测试

在纳米银杀菌剂投加量为30 mg/L的条件下，考察接触时间对纳米银杀菌剂杀菌性能的影响，结果见图3。

图3　不同接触时间下纳米银对不同细菌的杀菌率Fig.3　Ki11ing rates of different kinds of bacterium by nanosi1ver under different contact time

由图3可知，在接触时间为24 h时，纳米银杀菌剂对异养菌的杀菌率能达到99.9%；在接触时间为48 h时，对硫酸盐还原菌和铁细菌的杀菌率达到99.9%；在接触时间为72 h后，对3种细菌的杀菌率都达到99.99%。

2.5粘泥剥离性能测试

在药剂投加量均为50 mg/L的条件下，不同药剂的粘泥剥离率见表1。

表1　不同药剂的粘泥剥离率Tab.1　Stripping rates of s1ime by different agents

由表1可知，在药剂投加量相同的条件下，纳米银杀菌剂对粘泥的剥离率可达到80.36%，高于常用季铵盐类药剂及异噻唑啉酮等药剂。

3　纳米银杀菌剂现场试验研究

选择天津市滨海新区某大型化工厂的循环冷却水系统进行现场应用评价试验。该循环冷却水系统采用城市中水及海水淡化混合水作为补充水水源，微生物滋生严重，粘泥大量附着。现场采用冲击式加药方式，纳米银杀菌剂投加量为70 mg/L，取样点为循环冷却水回水取样口，连续监测96 h，循环冷却水浊度监测结果见图4。

图4 浊度随时间变化情况Fig.4　Changes of turbidity a1ong with time

由图4可知，在投加纳米银杀菌剂后48 h时，浊度升高至60 NTU，比未处理时增加了45 NTU，管壁上的粘泥被大量剥离，说明纳米银杀菌剂具有极高的粘泥剥离性能。

以总细菌为监测对象，连续96 h测试水样中总细菌数目，结果见表2。由表2可知，在投加纳米银杀菌剂48 h后，细菌个数为1.9×102个/mL，杀菌率高于99.99%，并能持续至60 h。在72 h后，细菌数目逐渐增多，此时需要再次投加纳米银杀菌剂。

表2　不同接触时间的细菌总数Tab.2　Tota1 bacteria1 count at different contact time

4　结论

（1）以过氧化氢做还原剂，壳聚糖为稳定剂，还原硝酸银制备的纳米银杀菌剂性能较稳定，静置90 d后无团聚现象，纳米银粒子的粒径范围为3～8 nm，平均粒径为4.5 nm。

（2）试验室试验结果表明，在纳米银杀菌剂投加量为30 mg/L的条件下，72 h时对硫酸盐还原菌、异氧菌和铁细菌的杀菌率都达到99.99%；在纳米银杀菌剂、1227、双季铵盐、异噻唑啉酮投加量相同的条件下，纳米银杀菌剂对粘泥的剥离率为80.36%，高于常用季铵盐类药剂及异噻唑啉酮。

（3）现场试验结果表明，在纳米银杀菌剂投加量为70 mg/L的条件下，72 h时可杀灭循环冷却水中的总细菌，杀菌率达到99.99%。纳米银杀菌剂的杀菌效果和粘泥剥离效果显著。

［1］董耀华，郭娜，刘涛.纳米银的制备及其抑菌机理［J］.上海海事大学学报，2013，34（1）：80-83.

［2］熊旭华，胡勇有，洪学森，等.纳米银对水中大肠杆菌的杀菌性能研究［J］.工业用水与废水，2014，45（3）：39-43.

［3］Sondi I，Goia DV，Matijevic E.Preparation of high1y concentrated stab1e dispersions of uniform si1ver nanopartic1es［J］.J Co11oid Interface Sci，2003，260（1）：75-81.

［4］Masd，Limc，Liangds，et al.The preparation of si1ver nanopartic1es by dextran-ethy1en diamine as the carrier［J］.Chem Pes App1，2008，20（10）：1282-1285.

［5］马守栋，李明春，叶勇，等.纳米银的制备与表征［J］.中国药学杂志，2011，46（13）：1007-1009.

［6］赵兵.改性壳聚糖为还原剂制备纳米银的方法［P］.中国专利：CN201410565387.5，2014-10-22.

［7］Hoang V T，Lam D T，Cham T B.Physicochemica1 and engincering aspects［J］.Co11oids and Surfaces，2010，360（3）：32-40.

［8］Wei D W，Sun W Y，Qian W P，et al.E1ectrochemica1 synthesis of si1ver nanopartic1e［J］.Carbohydate Reaearch，2009，344 （17）：2357-2382.

［9］He J H，Kunitake T，Nakao A.Preparation and characterization of meta1-chitosan nanocomposites［J］.Chemistry of Materria1s，2003，15（23）：4401-4406.

［10］Sarma T K，Chowdhury D，Pau1 A，et al.Preparation and characterization of heparin-stabi1ized go1d nanopartic1es［J］.Radiation Physics and Chemistry，2002，12（5）：1048-1049.

［11］宋建恒，郑学军.过氧化氢还原制备超细银粉［J］.中国有色金属学报，1998，8（2）：242-244.

［12］魏智强，夏天东，冯旺军，等.纳米银粉的制备及表征［J］.贵金属，2006，27（2）：1-3.

［13］Sugunan A，Thanachayanont C，Dutta J，et al.Heavy-meta1 ion sensors using chitosan-capped go1d nanopafic1es［J］.Sci Tech Adv Mater，2005，6（3/4）：335-337.

Synthesis of nano-silver bactericidal agent and its application evaluation

ZHANG Lei，YAO Guang-yuan，WANG Ning，ZHANG Di-yan
（CNOOC Tianjin Chemical Research and Design Institute，Tianjin 300131，China）

Stab1e si1ver nanopartic1es was prepared by reduction of si1ver nitrate with hydrogen peroxide and was characterized by UV-Vis spectrophotometer，scanning transmission e1ectron microscope and 1aser partic1e size ana1yzer；besides，its bactericida1 and s1ime stripping performance were tested at the same time.The experimenta1 resu1ts showed that，the prepared nanopartic1es presented uniform size distribution，further more，its performance was a1so stab1e，no reunion occurred even after it had been standed for 90 d.The ki11ing rates of SRB，TGB and FB by the said nano-si1ver bactericida1 agent were a11 reached 99.99%，and the stripping rate of s1ime was 80.36%.The nano-si1ver bactericida1 agent was app1ied in a 1arge chemica1 p1ant in Tianjin，the microorganism s1ime which caused water coo1er b1ocking was effective1y wiped out，and the tota1 bacteria in the circu1ating coo1ing water was ki11ed with a steri1izing rate of 99.99%.

circu1ating coo1ing water；nano-si1ver bactericida1 agent；stripping rate of s1ime；chemica1 reduction method

TQ455.1+9；X703.5

A

1009-2455（2016）02-0051-04

张磊（1983-），男，天津人，工程师，硕士，主要从事油田水处理、工业水处理药剂的研发，（电话）022-26689399（电子信箱）1352247954@qq.com。

2016-02-16（修回稿）