具有可逆润湿性Bi2O3涂层在抗菌和油水分离中的应用

2021-09-18胡晓婧唐其金夏雨飘

材料工程 2021年9期

余芳，胡晓婧，唐其金，夏雨飘，吕中，杨浩

(武汉工程大学环境生态与生物工程学院，武汉 430205)

人类的日常生活和工业生产产生了大量的含油废水，这些含油废水的直接排放会对生态环境造成严重的污染和破坏[1]，因而需要对大量的含油废水进行分离处理。传统的含油废水处理方法包括气浮法、絮凝沉淀法、电化学法、吸附法、氧化法、生物法、膜分离法等[2-3]，然而这些技术仍然面临着诸如制备难度高、污染环境、分离效率低和成本高等巨大挑战[4-5]。近年来，具有特殊润湿性的纳米材料因其在油水分离、石油化工等领域的潜在应用而受到越来越多的关注[6-7]。特殊润湿性材料可通过调控材料表面的微观结构和表面化学组成来实现[8]，因界面对油水两相具有高度选择性的穿透性而具有油水分离性能。应用特殊润湿性材料进行油水分离与传统分离技术相比具有分离效率高、能耗低、不容易造成二次污染等优点[9]。近年来研究者制备出了一系列特殊润湿性材料，如能让水通过油无法通过的超亲水-水下超疏油材料[10]、超亲水-超疏油材料[11]，能让油顺利通过水无法通过的超疏水-超亲油材料[12]，可实现按需油水混合物分离的应激可转换润湿性材料[13-14]等，为高效的油水分离提供了新的途径。

Bi2O3是一种毒性低、具有可见光响应的光催化剂[15]。在前期的工作中，作者发现经疏水改性后的Bi2O3涂层在紫外-可见光光照下可以实现超疏水-超亲水表面的可逆转换[16]，这种智能转换为研究可控油水分离提供了可能。此外，Bi2O3还表现出一定的抗菌活性[17]，因而Bi2O3涂层是潜在的具有抗菌活性的油水分离膜材料。然而到目前为止，在两种极端润湿条件下(超疏水或超亲水)，材料表面与细菌间的相互作用变化情况还不清楚，有待进一步研究。因此，本工作将研究Bi2O3涂层棉布在不同润湿条件下对革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌和革兰氏阴性菌大肠杆菌的抗菌和抗黏附作用，并测试其可控的油水分离的能力和分离效率，为开发具有抗菌活性的智能油水分离网提供理论依据和基础数据。

1 实验材料与方法

1.1 主要试剂与菌种

纯度为98%的Bi2O3购自美国Sigma Aldrich；纯度为97%的硬脂酸购自国药集团化学试剂有限公司；所用纺织物为市售的纯棉棉布(cotton fabrics, CF)。金黄色葡萄球菌(S.aureus, ATCC 9118)由华中师范大学生命科学学院提供；大肠杆菌(E.coli, CCTCC AB 90054)，由武汉大学中国典型培养物保藏中心提供。

1.2 超疏水Bi2O3涂层棉布的制备及可逆润湿调控

将纯棉布超声清洗并烘干后裁剪成6 cm×6 cm的大小。称取0.04 g Bi2O3粉末超声使其均匀分散于20 mL无水乙醇中(此时涂层棉布达到了稳定的超疏水状态)。将上述清洗干净的棉布置于该分散液中继续用FS-600 N型超声波纳米分散仪，在频率20 kHz，功率600 W，效率40%，5 s超声，2 s间断条件下超声10 min后取出棉布，用去离子水清洗掉未黏附上的Bi2O3颗粒，然后在60 ℃烘箱中烘干。配制0.01 mol/L的硬脂酸乙醇溶液，将烘干后的Bi2O3涂层棉布浸泡在该溶液中，30 min后取出置于60 ℃烘箱中，烘干得到超疏水Bi2O3涂层棉布(Bi2O3coated CF)。超疏水-超亲水Bi2O3涂层的可逆转换按照本课题组前期工作进行[16]，具体操作如下：将超疏水Bi2O3涂层棉布置于氙灯下光照，所用的氙灯为500 W，波长为200～800 nm，光垂直照射于样品表面，光源距离样品约为15 cm。光照一定时间后即可得到超亲水涂层棉布，然后将该超亲水涂层棉布置于暗室环境中放置两周，涂层表面又恢复到超疏水。

1.3 抗菌性能测试

样品的抗菌性能测试包括Bi2O3粉末最低抑菌浓度(MIC)和最低杀菌浓度(MBC)测试、Bi2O3/棉布涂层的抑菌圈实验以及涂层的抗细菌黏附性能测试。其中Bi2O3粉末的MIC和MBC测试、涂层的抑菌圈实验分别根据本课题组已报道的方法进行[18-19]。

细菌黏附性测试：在无菌环境下，倾斜夹持样品，往样品的测试表面滴加100 μL菌液，然后用1 mL无菌水冲洗表面以去除未黏附的细菌，并将样品浸泡在Luria-Bertani(LB)液体培养基中(测试面与液体培养基接触)，在37 ℃培养箱中培养，6 h后取出样品，滴加1 mL 2.5%的戊二醛固定30 min，然后依次用0.2 mol/L的无菌Phosphate Buffer Saline (PBS)溶液、无菌水对样品冲洗，最后用2 mL无水甲醇进行脱水，通风放置直到无水甲醇挥发完毕，即得到固定细菌后的样品，待SEM观测。

1.4 油水分离测试

采用石油醚、环己烷、甲苯和二氯甲烷对制备的Bi2O3涂层棉布进行油水分离性能测试，测试方法根据文献[20]进行，具体操作如下：水(20 g)和有机溶剂(10 g)在烧杯中搅拌混合，有机溶剂用油红O染色，水用亚甲基蓝染色。分离装置由布氏漏斗和抽滤瓶组成，其连接处用夹具固定。油水混合物搅拌完成后分别倒入布氏漏斗中进行分离，光致超亲水Bi2O3涂层棉布预先用水润湿，整个分离过程由重力驱动，滤液用烧杯进行收集。待油水完全分离后，取出油样，测定分离效率。分离效率(β/%)按式(1)计算。

(1)

式中：m1为分离后的油质量，g；m0为分离前的油质量，g。

1.5 表征

使用S4800型场发射扫描电子显微镜观察Bi2O3涂层棉布的表面形貌以及大肠杆菌和金黄色葡萄球菌在涂层表面黏附的数量；使用OCA20接触角测量仪测量超疏水/超亲水Bi2O3涂层棉布的油、水接触角(室温)，接触角大小是等液滴在膜表面停留30 s完全稳定后测得的数值；使用Nicolet nexus 470型傅里叶红外光谱仪测量改性前后Bi2O3涂层棉布的红外图；使用STA449 F5型同步热分析仪对原始棉布与Bi2O3涂层棉布进行TG-DSC同步热分析，升温条件为在空气氛围中以10 ℃/min升高到800 ℃/min。

2 结果与分析

2.1 Bi2O3涂层棉布的表征

2.1.1 Bi2O3涂层棉布的SEM分析

图1是制备得到的Bi2O3涂层棉布在不同放大倍数的SEM图，从图1(a)低倍扫描图中可以看出在纤维表面均匀附着Bi2O3颗粒团聚体，通过图1(b)高倍SEM图可以看到这些团聚体是由90～120 nm的小颗粒组成。

图1 Bi2O3涂层的SEM图 (a)低倍；(b)高倍Fig.1 SEM images of the as-prepared Bi2O3 coating(a)low magnification;(b)high magnification

2.1.2 Bi2O3涂层棉布的红外分析

图2为硬脂酸改性前后Bi2O3涂层棉布全反射红外光谱图。在改性前的Bi2O3涂层棉布的红外图谱中，3307 cm-1处的峰是典型的羟基伸缩振动峰，来自于样品表面吸附的水分子。1310，1202，1022 cm-1和890 cm-1处分别出现了Bi—O键的伸缩振动峰，是Bi2O3的特征吸收峰[21]。改性后的Bi2O3涂层棉布与改性前的相比，在2914，2848 cm-1和1699 cm-1处分别出现了新峰，其中2914 cm-1和2848 cm-1分别对应于硬脂酯中—CH2的不对称和对称伸缩振动峰，1699 cm-1对应于硬脂酸的羰基伸缩振动峰[22]。由于硬脂酸具有丰富的疏水性的—CH2基团，所以经硬脂酸改性后涂层具有疏水性能。同时，与改性前的图谱相比，改性后的红外图谱没有峰的消失，说明硬脂酸没有与Bi2O3发生反应。

图2 硬脂酸改性前后Bi2O3涂层棉布全反射红外光谱图Fig.2 ATR-FTIR spectra of Bi2O3 coated CF before and after modification with stearic acid

2.1.3 Bi2O3涂层棉布的TG-DSC同步热分析

原始棉布和Bi2O3涂层棉布的TG-DSC同步热分析曲线如图3所示。当温度达到269 ℃时，原始棉布开始失重，最大吸热峰在427 ℃。Bi2O3涂层棉布的初始降解温度为294 ℃，最大吸热峰提高到了444 ℃。原始棉布负载Bi2O3涂层后，棉布的热稳定性有所增加。原始棉布与Bi2O3涂层棉布的残留量分别为1.56%(质量分数，下同)与4.98%，因此，计算出Bi2O3涂层的沉积量约为3.42%。

图3 原始棉布和Bi2O3涂层棉布的TG-DSC曲线图Fig.3 TG-DSC curves of original CF and Bi2O3 coated CF

2.2 Bi2O3涂层棉布的润湿性

图4(a)为超疏水Bi2O3涂层棉布浸没在水中的照片。从掠射角看过去，棉布与水的接触面上呈现出类似银镜的光泽，这是因为超疏水Bi2O3涂层由于极强的疏水性在表面空隙中束缚着大量的空气垫，当光照射到这些空气垫上会发生全反射，从而产生银镜的光泽[23]。这些空气垫的存在可以有效防止棉布在水中被浸润。图4(b)为染色水滴在Bi2O3涂层棉布表面光照前后的照片，其中红色水滴为罗丹明B染色，黄色水滴为甲基橙染色，蓝色水滴为亚甲基蓝染色。硬脂酸改性后得到的Bi2O3涂层为超疏水涂层，水滴在棉布表面各处均呈均匀完整的球形，静态接触角为154.1°。同时，当倾斜棉布时，水滴能很轻易地从样品表面滚落，没有任何残留(图4(c))，说明涂层棉布同时具有优异的动态疏水性能；当棉布在氙灯下光照80 min后，再将水滴滴上去，水滴在棉布表面迅速铺展，表现为超亲水性(图4(c))。而当光致超亲水的Bi2O3涂层棉布放置暗室两周后，水滴又恢复到球形。

图4 超疏水/超亲水Bi2O3涂层的润湿性测试(a)超疏水Bi2O3涂层棉布在水中的镜面现象；(b)染色水滴在Bi2O3涂层棉布光照前、暗室回复后以及光照后的照片(插图为水滴的接触角)；(c)水滴从倾斜的Bi2O3涂层表面滚落的照片Fig.4 Wettability tests of superhydrophobic/superhydrophilic Bi2O3 coating(a)mirror phenomenon of superhydrophobic Bi2O3 coated CF in water;(b)photos of the stained water droplets on Bi2O3 coated CF before illumination,after dark storage and after illumination(the insets are the corresponding contact angles);(c)photos of water droplets rolling off the surface of the slanted Bi2O3 coated CF

2.3 Bi2O3涂层棉布的抗菌性能

在实验过程中，本课题组发现涂层表面的Bi2O3颗粒对一些细菌具有一定的抗菌活性。表1为Bi2O3纳米颗粒对常见细菌的抗菌活性，通过Bi2O3对革兰氏阴性菌大肠杆菌(E.coli)和革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌(S.aureus)的MIC，MBC测定值可知，Bi2O3对大肠杆菌的MIC值和MBC值均大于1000 μg/mL，说明Bi2O3对大肠杆菌没有明显的抗菌效果，而Bi2O3对金黄色葡萄球菌的MIC和MBC测定值分别为64 μg/mL和128 μg/mL，说明Bi2O3对金黄色葡萄球菌有较高的抗菌活性。

表1 Bi2O3纳米颗粒对常见细菌的抗菌活性Table 1 Antimicrobial activities of Bi2O3 nanoparticles against the common bacteria

图5是不同润湿性Bi2O3涂层棉布对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌圈结果，其中A为超疏水Bi2O3涂层棉布，B为光致超亲水Bi2O3涂层棉布，C为空白棉布。由于Bi2O3对大肠杆菌没有抗菌效果，因此A，B，C三个样品均没有表现出抑菌圈(图5(a))，但与B，C样品不同的是，A样品涂层与培养基接触的表面没有观察到大量的大肠杆菌菌落。这是因为细菌的繁殖生长是通过菌液在表面的扩散完成的，由于超疏水表面对水具有完全的排斥性，菌液无法侵入到涂层棉布表面，因而限制了细菌的繁殖生长；当选用金黄色葡萄球菌来测定涂层棉布的抑菌圈时，由于Bi2O3对金黄色葡萄球菌有较高的抗菌活性，因此超疏水和光致超亲水Bi2O3涂层棉布与培养基接触的表面上均未见细菌生长，而空白棉布与培养基接触的表面则能观察到大量菌落(图5(b))。相比较而言，光致超亲水Bi2O3涂层棉布表现出明显的抑菌圈，而超疏水Bi2O3涂层棉布则几乎没有，这是因为抑菌圈的形成是通过抗菌剂的扩散形成的，而超疏水Bi2O3由于具有较强的非浸润性，抗菌剂无法以材料为中心通过水溶液向外扩散，因而无法观察到明显的抑菌圈。该实验证明，超疏水Bi2O3涂层虽然没有抑菌圈，但能抑制细菌在表面的生长，而超亲水Bi2O3涂层对细菌的抑制作用则主要通过材料的抗菌活性起作用。

图5 不同润湿性Bi2O3涂层棉布的抑菌圈测试结果 (a)大肠杆菌；(b)金黄色葡萄球菌Fig.5 Inhibition zone test results of Bi2O3coated CF with different wettability (a)E.coli;(b)S.aureus

为了进一步验证Bi2O3涂层对细菌的抑制作用，对涂层棉布进行了细菌黏附性测试。图6(a-1)，(b-1)分别为大肠杆菌和金黄色葡萄球菌在超疏水Bi2O3涂层棉布表面黏附的SEM图；图6(a-2)，(b-2)分别为大肠杆菌和金黄色葡萄球菌在光致超亲水Bi2O3涂层棉布表面黏附的SEM图。超疏水Bi2O3涂层棉布由于菌液在接触表面时完全滚落，细菌无法在其表面黏附，因此培养6 h后表面既无明显的大肠杆菌也无金黄色葡萄球菌。这一结果与超疏水Cu2O报道的基本一致[24]。而光致超亲水Bi2O3涂层棉布由于其良好的吸水性吸收了大量的菌液，因此可观察到大量的大肠杆菌(图6(a-2)中所示长约2～4 μm、宽约 0.8～1.5 μm的杆状细菌) 在上面生长。但由于Bi2O3涂层对金黄色葡萄球菌有较好的抗菌活性，因此光致超亲水的Bi2O3涂层棉布虽然吸收了大量的菌液，但涂层能将表面的金黄色葡萄球菌杀死，即便培养6 h后，表面只能观察到极少量的金黄色葡萄球菌(图6(b-2)中所示的直径约1 μm的球状细菌)。该实验说明超疏水Bi2O3涂层对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均具有良好的抗黏附性，而超亲水Bi2O3涂层仅对金黄色葡萄球菌有抑制作用，表现出选择性的抗菌活性。

图6 大肠杆菌(a)和金黄色葡萄球菌(b)在超疏水(1)和光致超亲水(2) Bi2O3涂层棉布表面黏附的SEM图Fig.6 SEM images of E.coli (a) and S.aureus (b) attached to superhydrophobic (1) and light-induced superhydrophilic (2) Bi2O3coated CF

2.4 Bi2O3涂层棉布的油水分离性能

图7为用于油水分离的超疏水和光致超亲水Bi2O3涂层棉，可以看出，超疏水Bi2O3涂层棉布由于其超疏水和超亲油性能,油可以穿透棉布流到下方的烧杯中，而水则被涂层截留在上方的玻璃管中，从而快速地将油水混合物分离开来(图7(a))。而光致超亲水的Bi2O3涂层棉布预先用水充分润湿，棉布表面有一层水膜，这层水膜将使棉布具有水下超疏油的性能[25]，因此油无法穿透水膜流到下方烧杯，被截留在上方玻璃管中，而水可以穿透水膜从而流到下方烧杯，实现油水混合物的可控分离。综上所述，超疏水Bi2O3涂层棉布以其超疏水-超亲油的性能，可以使油穿透涂层而截留水，而光致超亲水的Bi2O3涂层棉布在预润湿状态下具有超亲水和水下超疏油的性能，可以使水穿透涂层而截留油，从而实现油水混合物的可控分离。