高弹高强度固定化载体填料PVA微球形水凝胶制备研究*

张洛红，王 玥，王凡凡，柴易达，王 瑜

（西安工程大学 环境与化学工程学院，陕西 西安 710600）

固定化微生物技术因其利于提高单位体积生物转化速率，保持优势菌群，提高反应器稳定性及处理效率，使生物反应易于控制而迅速成为研究热点。载体填料作为技术关键，直接影响生物反应处理效果。但现有的固定化技术对材料的研究仍存在填料力学性能与附载微生物性能不能兼备的问题。因此，复合载体因其可以通过多种改性手法使载体特性向研究需要的方向发展的特点，而成为目前众多学者所青睐的载体材料[1]。

本研究从生物处理实际应用需要入手，利用水凝胶弹韧特性，以改进填料物理性能为手段，以提高细菌附载效果为研究立意进行创新。研究发现，为了改善载体的性能，研究者提出多种改善水凝胶机械性能的方法合成复合水凝胶。其中，具有代表性的有双网络水凝胶，纳米复合水凝胶等[2,3]。Sabzi M，以琼脂和PVA分别为网络结构形成互穿水凝胶，并通过PVA结晶及双网络的交织实现能量耗散[4]。Roberta，等人制备出一种互穿网络PC负载水凝胶，发现该凝胶网络稳定性大大提高，并因其粘弹性网络显示出对释放细胞可控的能力[5]。Li等，将ChNWs和Zn2+作为分散相添加到PAAm中，通过双交联形成纳米复合水凝胶。网络结构及纳米粒子共同作用使该材料获得极佳的弹性优势[6]。Boonmahithisud等利用纳米SiO2制备的纳米复合水凝胶材料，可通过调节SiO2的添加量使其具备优秀的力学性能及疏水性能，且使平衡溶胀率有所降低[7]。通过上述研究表明，可以通过多种技术手段实现水凝胶的性能增效，使其满足新型复合载体填料的性能要求，在污（废）水治理中发挥功效。

PVA高分子材料受到越来越多学者的关注。本文采用化学交联法制备高强度孔径适宜工作菌附载的PVA凝胶球填料，寻求反应过程弹性、溶胀性及孔径的最优条件，并初步探讨其合成机理。开发一种在污水处理中弹性（柔韧性）优越，溶胀性优良，具有丰富孔隙率，且孔径（20μm左右）适宜细菌附载的复合微生物载体填料——新型PVA凝胶球填料。通过多个网络依次合成实现填料性能增效。

1 实验部分

1.1 PVA填料的制备方法

PVA链段氢键作用可自发形成水凝胶，但其机械性能弱，利用效果差。通过高聚物共混并改变反应条件，可有效改善复合水凝胶网络结构从而改善凝胶性能。

PVA/SA-成孔剂-抗粘结剂凝胶球的制备过程如下，首先，将PVA与SA完全溶解成凝胶态共混物，添加4wt%的CS，2wt%的PEG搅拌均匀。将抗粘结剂按PVA∶SA：抗粘结剂（简称A:抗粘结剂）为A∶0.2、A∶0.4、A∶0.5 的质量比加入到不同比例高聚物共混液中，在常温下超声，使纳米SiO2均匀分散，既得PVA/SA/（CS-PEG）-纳米SiO2共混液。采用CaCl2-H3BO3/柠檬酸-环氧氯丙烷（碱性）双交联模式化学交联使其逐步成型，形成PVA/SA-（CSPEG）-抗粘结剂凝胶球，即完成PVA微球形水凝胶的制备。

本实验采用3种聚合度PVA（1788，2088,2488）进行平行实验，并控制交联剂添加量，得到聚合度、交联剂及各聚合物含量对PVA水凝胶球各性能的影响。

1.2 仪器及药品

DF-101S型集热式恒温加热磁力搅拌器（上海仪器厂）；BT25S型分析天平（Sartorius）；AE31型光学显微镜（Motic）；DHG-9053A型智能型电热恒温鼓风干燥箱（笃特）。

聚乙烯醇（聚合度1788、2088、2488上海臣启化工科技有限公司）;海藻酸钠（CP）、壳聚糖（BR）、盐酸（AR）、甲醇（AR）、柠檬酸（AR>99.0%）、环氧氯丙烷（AR）,以上试剂均为沪试;聚乙二醇（Mn 4000）和SiO2（纯度99.8%，粒径：20nm）为aladdin；HBO3（AR天津市福晨化学试剂）;无水CaCl2（AR SIGMA）；NaOH（97%）和三聚磷酸钠（AR98%）为沃凯。

1.3 测试与表征

（1）力学性能集热式恒温加热磁力搅拌器（DF-101S）于 1200r·min-1条件下持续搅拌 1h，测定凝胶小球保留率随时间的变化，以保留率作为凝胶小球力学强度的指标。

（2）弹性测定在室温条件下，将凝胶测量样本切割为直径20mm，高25mm的矮圆柱体，利用万能测试机测量；卸压后保证矮圆柱体形态可恢复至加压前。

该方法弹性模量计算如下：

式中 E：弹性模量，MPa；F：最大载荷，N；r：圆柱半径，cm。

（3）压缩强度在常温条件下使用万能测试机测试凝胶圆柱体，测试过程中压缩速率保持恒定，为1mm·min-1，凝胶球的压缩强度及压缩应变根据破裂点得到。

压缩强度由下式计算：

式中 σ：压缩强度，MPa；F：最大载荷，N；r：圆柱半径，mm。

（4）表面结构表征 用光学显微镜可直接观察得到PVA凝胶小球表面切片呈现出的孔径情况。

（5）微观形态及孔径表征 将凝胶球及凝胶球切片于液氮中冷冻干燥，后进行喷金处理，采用扫描电子显微镜观察样品的微观形貌并孔径情况。

（6）PVA凝胶球溶胀率的测量 将干燥凝胶球放入模拟污水中至溶胀平衡，后吸取表面水分，计算溶胀率。

式中 Mw：溶胀平衡后凝胶球的质量，g；Ms：干燥凝胶球的质量，g。

（7）红外光谱分析方法 利用烘箱干燥后将固体粉末用KBr压片法进行傅里叶变换红外光谱分析。

2 结果与讨论

2.1 交联剂用量的影响

水凝胶交联是通过氢键、共价键等键合作用使杂乱的高聚物分子形成空间网络结构的重要过程，交联点的键合效果对凝胶性能具有极大影响。其中，交联剂的作用效果是影响交联效果的重要因素。实验结果见图1。

图1 交联剂用量对水凝胶性能的影响Fig.1 Effect of crosslinker dosage on hydrogel performance

由图 1（a）、（c）测试结果可以看出，PVA 凝胶球的弹性模量及力学性能随H3BO3增加快速增强，到达最佳值后逐渐降低。当H3BO3添加量过少时与PVA分子形成分子间键合的硼酸根离子不足，导致交联程度低，交联网络松散，显示出弹性模量和力学性能较差的现象。H3BO3浓度逐渐增加，使更多PVA分子参与交联网络构建，空间网络结构增强了凝胶球的弹性性能，凝胶球抗水力冲刷能力大幅度提高，保留率从6%提高到71%（图1c），使力学性能增加了11倍，说明充分交联形成完整的空间网络结构对凝胶球的功能性及实用性具有极其重要作用。但随着H3BO3的增加，球内部交联密度增大，其刚性增强，受力易破损，保留率减小力学性能降低[8]。图1（b）溶胀性测试结果显示，H3BO3过少时，凝胶球溶胀性能较差，PVA分子大多呈微交联态，分子间交联程度低交联密度小，球内部仅少部分成固态交联，多处于半固体或液体态，产物水溶性大，吸水能力弱，按压易破裂，成球稳定性差[9]。凝胶球的平衡溶胀率随交联剂用量增加而增大，出现最值后减小至基本平稳[8]。H3BO3与PVA分子中的-OH可构建稳定络合物，形成有效空间网络，利于水分子进入。随H3BO3含量继续增加，亲水基团大多构建凝胶网络使凝胶球亲水性降低，同时羟基间以氢键互相缔合，分子规整排列抗水分子能力增强。此外，交联密度增大，空间结构致密，水分子通透性变差，使亲水性减弱溶胀性降低[8,9]。且由图1（c）所示在此范围内PVA凝胶球的力学性能优良，抵抗水力冲击能力较好，利于提高凝胶球的使用寿命。

2.2 SA含量对凝胶球性能的影响

SA分子含有大量的羧基并羟基等易键合基团，在交联剂存在下会结合成稳定的螯合键及氢键，通过价键结合作用来改变水凝胶性能。配制PVA、SA共混溶液，使用CaCl2-H3BO3交联剂分别进行共聚物的交联，即PVA/SA凝胶球并测量其各项性能。结果见图2。

图2 （a）SA含量对PVA/SA凝胶球平衡溶胀性能影响；（b）Poly-p凝胶球平衡溶胀曲线Fig.2 Effect of SA content on the properties of PVA/SA gel spheres（a）equilibrium swelling performance （b）Poly-p spherical gel equilibrium swelling curve

因SA分子上具有与PVA线性分子不同的环状基团，而使SA具有一定的刚性，增强了交联后PVA/SA凝胶球的抗压缩能力。此外，溶胀平衡性能如图2（a），在添加量较小时SA参与使PVA分子间的氢键降低，凝胶球显示出较弱的溶胀性能。SA含量较高且控制在一定范围时平衡溶胀率明显增加，反映出凝胶球内部水分子进入空隙明显增多，使PVA与SA分子间形成大量的氢键交联，凝胶球内部网络增强，表现为平衡溶胀率升高。当SA过高时，核壳结构加剧导致凝胶球内部很难形成互穿的网络，出现分层使空间结构消失[10]。在溶胀行为上呈现出相应下降趋势[11]。因此，适量的SA可以有效的创建空间网络结构，提高凝胶球的弹性及在水中的稳定性能。通过研究单一PVA制备的凝胶球Poly-p发现（图2b），因PVA分子含有大量亲水基团，易与水分子键合，使水分子能够快速进入凝胶内部。不同聚合度PVA凝胶球均呈现较好的溶胀现象。前期溶胀迅速，趋近平衡处速率减慢。且Poly-p（2088）因其亲水性结构单元较多的优势而得到更高的溶胀性。分子量越高，支化度越大，溶胀过程越慢[12]。同时，因 Poly-p（2488）内部结构较紧密而对水分子抗力大，使其溶胀受到部分限制。

2.3 孔结构表征

如图3（a）光学显微镜对成孔剂添加前后凝胶球剖面观察，成孔剂的添加使凝胶球孔结构逐渐明显，随着CS浓度升高孔径明显增加。通过扫描电子显微镜（scanning electron microscope，简称 SEM）（如图3），采用双交联法制备的PVA/SA-成孔剂（CSPEG）凝胶球切片内部通过光滑的孔壁连接形成发达通道，高分子凝胶通过化学交联过程相互连接形成互穿三维网络结构且在成孔剂的作用下形成孔径≤20μm的孔隙。

一般，真核微生物细胞直径在10～100μm左右，在污水中大量存在并以细菌为食的轮虫、钟虫等微型后生动物一般细胞直径可达0.02～4cm，而细菌大小一般约为0.5～5μm[13]。因此，孔径的控制便于阻拦除细菌外的微生物进入凝胶球占据孔道，适宜污水生物处理设施中工作细菌在其上附着。凝胶球凭借丰富的孔结构及20μm左右孔径可以成为微生物附着生长的良好载体。

图3 PVA/SA-成孔剂（CS-PEG）凝胶球成孔效果Fig.3 PVA/SA-pore-forming agent（CS-PEG）spherical hydrogel pore-forming effect

2.4 红外光谱分析

如图4所示，PVA红外吸收光谱主要锋形为3410cm-1出现的O-H伸缩振动宽峰，说明PVA链有大量氢键存在。SA在2928cm-1出现的是SA六元环上C-H伸缩振动峰，1617和1423cm-1处出现COO-的对称伸缩振动和不对称伸缩振动峰，1086cm-1处的吸收峰为C-O伸缩振动峰。CS的红外光谱中，3431cm-1处出现一个由-OH伸缩振动和-NH2伸缩振动峰重叠而成的宽峰；1152cm-1处的吸收峰属于β-糖苷键的特征峰；2890cm-1处的是-CH3和-CH2伸缩振动峰。1300cm-1为-OH的变形振动吸收峰。664cm-1为CS的结晶敏感峰。PVA/SA的O-H伸缩振动峰较单一PVA向高波数移动，说明SA减弱了PVA分子间的氢键作用；1731cm-1出现大分子六元环上羰基伸缩振动峰，且SA原有COO-的对称伸缩振动和不对称伸缩振动有所减弱，说明交联过程Ca2＋与COO-发生螯合作用。对比PVA/SA-CS光谱与CS谱图可以看到，由于PVA/SA的加入，CS在3430cm-1处的-OH和-NH2的伸缩振动峰向低波数的方向移动，表明CS、PVA、SA之间形成了强烈的氢键作用。1152cm-1β-糖苷键的特征吸收峰几乎消失不见，且664cm-1结晶敏感峰明显减弱，这说明PVA和SA的加入，破坏了CS分子链的规整性，降低了其结晶度。此外，在引入环氧氯己烷后，凝胶球在1130cm-1处出现-C-O-C-吸收峰，1300cm-1处-OH的变形振动吸收峰较未添加CS的凝胶球明显减弱，说明O-H与O-H间产生醚化反应。PVA/SA-CS在3426cm-1处的O-H和N-H宽带吸收峰明显变窄增强，较PVA/SA向高波数移动，说明CS与SA、PVA间羟基进行交联反应。并且664cm-1结晶敏感峰减弱，说明交联降低了凝胶球内部的结晶度。

图 4 PVA，SA，CS，PVA/SA，PVA/SA-成孔剂（CS-PEG）红外吸收光谱图Fig.4 Infrared absorption spectrum of PVA,SA,CS,PVA/SA,PVA/SA-pore former（CS-PEG）

2.5 纳米SiO2投加量的影响

通过添加纳米SiO2考察其不同浓度配比下对凝胶球各性能影响。纳米SiO2通过与高分子链相互缠结形成独特的相互作用，在受到应力时高分子链通过挤压或拉伸释放缠结的纳米SiO2，利用隐藏链长产生熵弹性以耗散更多的能量，使弹性增强，受力能力提升，见图 6（a）。

图5 纳米SiO2添加量对凝胶球性能影响Fig.5 Effect of nano-SiO2 polymerization degree on hydrogel performance

图6 纳米SiO2作用性能提升Fig.6 Performance of nano-silica is improved

由图6（a）可见，嵌套于材料表面的纳米SiO2粒子建立了疏水层，图6（b）所示，减小材料间因表面亲水水分子相互作用导致的粘黏聚集情况并增强了材料在水中的稳定性。

纳米SiO2的引入使凝胶球弹性性能得到明显提升，较未添加的凝胶球弹性性能最佳值增加了0.9MPa，力学性能增加了25.9%，压缩应力较单一PVA由0.8MPa提升到5.76MPa，且PVA/SA-（CSPEG）-SiO2凝胶球在应变到达90%以前未发生破裂。图5（a,b）结果显示，适量添加纳米SiO2可增强凝胶网络形成，使各性能得到大幅提升，但浓度过高会造成原有交联网络负担，在原交联网络本身达到较好交联效果后，纳米SiO2继续通过与高分子链缠结形成除价键间作用外的额外的网络点，使凝胶球交联密度过于致密，使聚合物网络更具刚性，而导致弹性性能出现大幅度降低[14]。同时，交叉连接点和交联密度的增加与纳米SiO2的疏水表层限制了水分子的进入，使平衡溶胀率降低。因此，纳米SiO2的引入在确保少剂量高聚物交联凝胶球成型稳定不拖尾的同时，一定程度上限制了聚合物网络在水中扩展，提升了凝胶球在水中的稳定性，增强了使用寿命[15,16]。

3 结论

聚合度为1788的PVA凝胶球弹性模量较高，弹性最佳；在PVA∶硼酸为5∶6及5∶7时弹性模量较高且溶胀优越；单一PVA水凝胶刚性强弹性弱，易脆裂，天然SA的加人使复合PVA/SA凝胶球弹性性能及溶胀性能能得到有效改善。在适宜浓度下力学性能提升65%，弹性模量提45.3%，网络结构增强使溶胀平衡速率加快；通过成孔剂（CS-PEG）添加可得到≤20μm孔径，同时，引入纳米SiO2制备纳米复合水凝胶PVA/SA-成孔剂-抗粘结剂凝胶球，根据“荷叶效应”利用抗粘结剂使凝胶球形成疏水表层，通过电荷斥力减弱小颗粒间的团聚作用[17]。发现抗粘结剂纳米SiO2的引入，明显增强了凝胶球颗粒的分散性，疏水表层保证了溶胀稳定。此外，研究发现，纳米SiO2与高分子链间独特的缠结作用，使PVA凝胶球的弹性模量增加了5.9倍，力学性能增加了25.9%，压缩应力较单一PVA提升了6.2倍。