具有可逆潤濕性Bi2O3涂層在抗菌和油水分離中的應(yīng)用

余 芳，胡曉婧，唐其金，夏雨飄，呂 中，楊 浩

(武漢工程大學(xué) 環(huán)境生態(tài)與生物工程學(xué)院，武漢 430205)

人類的日常生活和工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生了大量的含油廢水，這些含油廢水的直接排放會對生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染和破壞[1]，因而需要對大量的含油廢水進(jìn)行分離處理。傳統(tǒng)的含油廢水處理方法包括氣浮法、絮凝沉淀法、電化學(xué)法、吸附法、氧化法、生物法、膜分離法等[2-3]，然而這些技術(shù)仍然面臨著諸如制備難度高、污染環(huán)境、分離效率低和成本高等巨大挑戰(zhàn)[4-5]。近年來，具有特殊潤濕性的納米材料因其在油水分離、石油化工等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用而受到越來越多的關(guān)注[6-7]。特殊潤濕性材料可通過調(diào)控材料表面的微觀結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)組成來實現(xiàn)[8]，因界面對油水兩相具有高度選擇性的穿透性而具有油水分離性能。應(yīng)用特殊潤濕性材料進(jìn)行油水分離與傳統(tǒng)分離技術(shù)相比具有分離效率高、能耗低、不容易造成二次污染等優(yōu)點[9]。近年來研究者制備出了一系列特殊潤濕性材料，如能讓水通過油無法通過的超親水-水下超疏油材料[10]、超親水-超疏油材料[11]，能讓油順利通過水無法通過的超疏水-超親油材料[12]，可實現(xiàn)按需油水混合物分離的應(yīng)激可轉(zhuǎn)換潤濕性材料[13-14]等，為高效的油水分離提供了新的途徑。

Bi2O3是一種毒性低、具有可見光響應(yīng)的光催化劑[15]。在前期的工作中，作者發(fā)現(xiàn)經(jīng)疏水改性后的Bi2O3涂層在紫外-可見光光照下可以實現(xiàn)超疏水-超親水表面的可逆轉(zhuǎn)換[16]，這種智能轉(zhuǎn)換為研究可控油水分離提供了可能。此外，Bi2O3還表現(xiàn)出一定的抗菌活性[17]，因而Bi2O3涂層是潛在的具有抗菌活性的油水分離膜材料。然而到目前為止，在兩種極端潤濕條件下(超疏水或超親水)，材料表面與細(xì)菌間的相互作用變化情況還不清楚，有待進(jìn)一步研究。因此，本工作將研究Bi2O3涂層棉布在不同潤濕條件下對革蘭氏陽性菌金黃色葡萄球菌和革蘭氏陰性菌大腸桿菌的抗菌和抗黏附作用，并測試其可控的油水分離的能力和分離效率，為開發(fā)具有抗菌活性的智能油水分離網(wǎng)提供理論依據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 實驗材料與方法

1.1 主要試劑與菌種

純度為98%的Bi2O3購自美國Sigma Aldrich；純度為97%的硬脂酸購自國藥集團化學(xué)試劑有限公司；所用紡織物為市售的純棉棉布(cotton fabrics, CF)。金黃色葡萄球菌(S.aureus, ATCC 9118)由華中師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院提供；大腸桿菌(E.coli, CCTCC AB 90054)，由武漢大學(xué)中國典型培養(yǎng)物保藏中心提供。

1.2 超疏水Bi2O3涂層棉布的制備及可逆潤濕調(diào)控

將純棉布超聲清洗并烘干后裁剪成6 cm×6 cm的大小。稱取0.04 g Bi2O3粉末超聲使其均勻分散于20 mL無水乙醇中(此時涂層棉布達(dá)到了穩(wěn)定的超疏水狀態(tài))。將上述清洗干凈的棉布置于該分散液中繼續(xù)用FS-600 N型超聲波納米分散儀，在頻率20 kHz，功率600 W，效率40%，5 s超聲，2 s間斷條件下超聲10 min后取出棉布，用去離子水清洗掉未黏附上的Bi2O3顆粒，然后在60 ℃烘箱中烘干。配制0.01 mol/L的硬脂酸乙醇溶液，將烘干后的Bi2O3涂層棉布浸泡在該溶液中，30 min后取出置于60 ℃烘箱中，烘干得到超疏水Bi2O3涂層棉布(Bi2O3coated CF)。超疏水-超親水Bi2O3涂層的可逆轉(zhuǎn)換按照本課題組前期工作進(jìn)行[16]，具體操作如下：將超疏水Bi2O3涂層棉布置于氙燈下光照，所用的氙燈為500 W，波長為200～800 nm，光垂直照射于樣品表面，光源距離樣品約為15 cm。光照一定時間后即可得到超親水涂層棉布，然后將該超親水涂層棉布置于暗室環(huán)境中放置兩周，涂層表面又恢復(fù)到超疏水。

1.3 抗菌性能測試

樣品的抗菌性能測試包括Bi2O3粉末最低抑菌濃度(MIC)和最低殺菌濃度(MBC)測試、Bi2O3/棉布涂層的抑菌圈實驗以及涂層的抗細(xì)菌黏附性能測試。其中Bi2O3粉末的MIC和MBC測試、涂層的抑菌圈實驗分別根據(jù)本課題組已報道的方法進(jìn)行[18-19]。

細(xì)菌黏附性測試：在無菌環(huán)境下，傾斜夾持樣品，往樣品的測試表面滴加100 μL菌液，然后用1 mL無菌水沖洗表面以去除未黏附的細(xì)菌，并將樣品浸泡在Luria-Bertani(LB)液體培養(yǎng)基中(測試面與液體培養(yǎng)基接觸)，在37 ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，6 h后取出樣品，滴加1 mL 2.5%的戊二醛固定30 min，然后依次用0.2 mol/L的無菌Phosphate Buffer Saline (PBS)溶液、無菌水對樣品沖洗，最后用2 mL無水甲醇進(jìn)行脫水，通風(fēng)放置直到無水甲醇揮發(fā)完畢，即得到固定細(xì)菌后的樣品，待SEM觀測。

1.4 油水分離測試

采用石油醚、環(huán)己烷、甲苯和二氯甲烷對制備的Bi2O3涂層棉布進(jìn)行油水分離性能測試，測試方法根據(jù)文獻(xiàn)[20]進(jìn)行，具體操作如下：水(20 g)和有機溶劑(10 g)在燒杯中攪拌混合，有機溶劑用油紅O染色，水用亞甲基藍(lán)染色。分離裝置由布氏漏斗和抽濾瓶組成，其連接處用夾具固定。油水混合物攪拌完成后分別倒入布氏漏斗中進(jìn)行分離，光致超親水Bi2O3涂層棉布預(yù)先用水潤濕，整個分離過程由重力驅(qū)動，濾液用燒杯進(jìn)行收集。待油水完全分離后，取出油樣，測定分離效率。分離效率(β/%)按式(1)計算。

(1)

式中：m1為分離后的油質(zhì)量，g；m0為分離前的油質(zhì)量，g。

1.5 表征

使用S4800型場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察Bi2O3涂層棉布的表面形貌以及大腸桿菌和金黃色葡萄球菌在涂層表面黏附的數(shù)量；使用OCA20接觸角測量儀測量超疏水/超親水Bi2O3涂層棉布的油、水接觸角(室溫)，接觸角大小是等液滴在膜表面停留30 s完全穩(wěn)定后測得的數(shù)值；使用Nicolet nexus 470型傅里葉紅外光譜儀測量改性前后Bi2O3涂層棉布的紅外圖；使用STA449 F5型同步熱分析儀對原始棉布與Bi2O3涂層棉布進(jìn)行TG-DSC同步熱分析，升溫條件為在空氣氛圍中以10 ℃/min升高到800 ℃/min。

2 結(jié)果與分析

2.1 Bi2O3涂層棉布的表征

2.1.1 Bi2O3涂層棉布的SEM分析

圖1是制備得到的Bi2O3涂層棉布在不同放大倍數(shù)的SEM圖，從圖1(a)低倍掃描圖中可以看出在纖維表面均勻附著Bi2O3顆粒團聚體，通過圖1(b)高倍SEM圖可以看到這些團聚體是由90～120 nm的小顆粒組成。

圖1 Bi2O3涂層的SEM圖 (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涂層棉布的紅外分析

圖2為硬脂酸改性前后Bi2O3涂層棉布全反射紅外光譜圖。在改性前的Bi2O3涂層棉布的紅外圖譜中，3307 cm-1處的峰是典型的羥基伸縮振動峰，來自于樣品表面吸附的水分子。1310，1202，1022 cm-1和890 cm-1處分別出現(xiàn)了Bi—O鍵的伸縮振動峰，是Bi2O3的特征吸收峰[21]。改性后的Bi2O3涂層棉布與改性前的相比，在2914，2848 cm-1和1699 cm-1處分別出現(xiàn)了新峰，其中2914 cm-1和2848 cm-1分別對應(yīng)于硬脂酯中—CH2的不對稱和對稱伸縮振動峰，1699 cm-1對應(yīng)于硬脂酸的羰基伸縮振動峰[22]。由于硬脂酸具有豐富的疏水性的—CH2基團，所以經(jīng)硬脂酸改性后涂層具有疏水性能。同時，與改性前的圖譜相比，改性后的紅外圖譜沒有峰的消失，說明硬脂酸沒有與Bi2O3發(fā)生反應(yīng)。

圖2 硬脂酸改性前后Bi2O3涂層棉布全反射紅外光譜圖Fig.2 ATR-FTIR spectra of Bi2O3 coated CF before and after modification with stearic acid

2.1.3 Bi2O3涂層棉布的TG-DSC同步熱分析

原始棉布和Bi2O3涂層棉布的TG-DSC同步熱分析曲線如圖3所示。當(dāng)溫度達(dá)到269 ℃時，原始棉布開始失重，最大吸熱峰在427 ℃。Bi2O3涂層棉布的初始降解溫度為294 ℃，最大吸熱峰提高到了444 ℃。原始棉布負(fù)載Bi2O3涂層后，棉布的熱穩(wěn)定性有所增加。原始棉布與Bi2O3涂層棉布的殘留量分別為1.56%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)與4.98%，因此，計算出Bi2O3涂層的沉積量約為3.42%。

圖3 原始棉布和Bi2O3涂層棉布的TG-DSC曲線圖Fig.3 TG-DSC curves of original CF and Bi2O3 coated CF

2.2 Bi2O3涂層棉布的潤濕性

圖4(a)為超疏水Bi2O3涂層棉布浸沒在水中的照片。從掠射角看過去，棉布與水的接觸面上呈現(xiàn)出類似銀鏡的光澤，這是因為超疏水Bi2O3涂層由于極強的疏水性在表面空隙中束縛著大量的空氣墊，當(dāng)光照射到這些空氣墊上會發(fā)生全反射，從而產(chǎn)生銀鏡的光澤[23]。這些空氣墊的存在可以有效防止棉布在水中被浸潤。圖4(b)為染色水滴在Bi2O3涂層棉布表面光照前后的照片，其中紅色水滴為羅丹明B染色，黃色水滴為甲基橙染色，藍(lán)色水滴為亞甲基藍(lán)染色。硬脂酸改性后得到的Bi2O3涂層為超疏水涂層，水滴在棉布表面各處均呈均勻完整的球形，靜態(tài)接觸角為154.1°。同時，當(dāng)傾斜棉布時，水滴能很輕易地從樣品表面滾落，沒有任何殘留(圖4(c))，說明涂層棉布同時具有優(yōu)異的動態(tài)疏水性能；當(dāng)棉布在氙燈下光照80 min后，再將水滴滴上去，水滴在棉布表面迅速鋪展，表現(xiàn)為超親水性(圖4(c))。而當(dāng)光致超親水的Bi2O3涂層棉布放置暗室兩周后，水滴又恢復(fù)到球形。

圖4 超疏水/超親水Bi2O3涂層的潤濕性測試(a)超疏水Bi2O3涂層棉布在水中的鏡面現(xiàn)象；(b)染色水滴在Bi2O3涂層棉布光照前、暗室回復(fù)后以及光照后的照片(插圖為水滴的接觸角)；(c)水滴從傾斜的Bi2O3涂層表面滾落的照片F(xiàn)ig.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涂層棉布的抗菌性能

在實驗過程中，本課題組發(fā)現(xiàn)涂層表面的Bi2O3顆粒對一些細(xì)菌具有一定的抗菌活性。表1為Bi2O3納米顆粒對常見細(xì)菌的抗菌活性，通過Bi2O3對革蘭氏陰性菌大腸桿菌(E.coli)和革蘭氏陽性菌金黃色葡萄球菌(S.aureus)的MIC，MBC測定值可知，Bi2O3對大腸桿菌的MIC值和MBC值均大于1000 μg/mL，說明Bi2O3對大腸桿菌沒有明顯的抗菌效果，而Bi2O3對金黃色葡萄球菌的MIC和MBC測定值分別為64 μg/mL和128 μg/mL，說明Bi2O3對金黃色葡萄球菌有較高的抗菌活性。

表1 Bi2O3納米顆粒對常見細(xì)菌的抗菌活性Table 1 Antimicrobial activities of Bi2O3 nanoparticles against the common bacteria

圖5是不同潤濕性Bi2O3涂層棉布對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌圈結(jié)果，其中A為超疏水Bi2O3涂層棉布，B為光致超親水Bi2O3涂層棉布，C為空白棉布。由于Bi2O3對大腸桿菌沒有抗菌效果，因此A，B，C三個樣品均沒有表現(xiàn)出抑菌圈(圖5(a))，但與B，C樣品不同的是，A樣品涂層與培養(yǎng)基接觸的表面沒有觀察到大量的大腸桿菌菌落。這是因為細(xì)菌的繁殖生長是通過菌液在表面的擴散完成的，由于超疏水表面對水具有完全的排斥性，菌液無法侵入到涂層棉布表面，因而限制了細(xì)菌的繁殖生長；當(dāng)選用金黃色葡萄球菌來測定涂層棉布的抑菌圈時，由于Bi2O3對金黃色葡萄球菌有較高的抗菌活性，因此超疏水和光致超親水Bi2O3涂層棉布與培養(yǎng)基接觸的表面上均未見細(xì)菌生長，而空白棉布與培養(yǎng)基接觸的表面則能觀察到大量菌落(圖5(b))。相比較而言，光致超親水Bi2O3涂層棉布表現(xiàn)出明顯的抑菌圈，而超疏水Bi2O3涂層棉布則幾乎沒有，這是因為抑菌圈的形成是通過抗菌劑的擴散形成的，而超疏水Bi2O3由于具有較強的非浸潤性，抗菌劑無法以材料為中心通過水溶液向外擴散，因而無法觀察到明顯的抑菌圈。該實驗證明，超疏水Bi2O3涂層雖然沒有抑菌圈，但能抑制細(xì)菌在表面的生長，而超親水Bi2O3涂層對細(xì)菌的抑制作用則主要通過材料的抗菌活性起作用。

圖5 不同潤濕性Bi2O3涂層棉布的抑菌圈測試結(jié)果 (a)大腸桿菌；(b)金黃色葡萄球菌Fig.5 Inhibition zone test results of Bi2O3coated CF with different wettability (a)E.coli;(b)S.aureus

為了進(jìn)一步驗證Bi2O3涂層對細(xì)菌的抑制作用，對涂層棉布進(jìn)行了細(xì)菌黏附性測試。圖6(a-1)，(b-1)分別為大腸桿菌和金黃色葡萄球菌在超疏水Bi2O3涂層棉布表面黏附的SEM圖；圖6(a-2)，(b-2)分別為大腸桿菌和金黃色葡萄球菌在光致超親水Bi2O3涂層棉布表面黏附的SEM圖。超疏水Bi2O3涂層棉布由于菌液在接觸表面時完全滾落，細(xì)菌無法在其表面黏附，因此培養(yǎng)6 h后表面既無明顯的大腸桿菌也無金黃色葡萄球菌。這一結(jié)果與超疏水Cu2O報道的基本一致[24]。而光致超親水Bi2O3涂層棉布由于其良好的吸水性吸收了大量的菌液，因此可觀察到大量的大腸桿菌(圖6(a-2)中所示長約2～4 μm、寬約 0.8～1.5 μm的桿狀細(xì)菌) 在上面生長。但由于Bi2O3涂層對金黃色葡萄球菌有較好的抗菌活性，因此光致超親水的Bi2O3涂層棉布雖然吸收了大量的菌液，但涂層能將表面的金黃色葡萄球菌殺死，即便培養(yǎng)6 h后，表面只能觀察到極少量的金黃色葡萄球菌(圖6(b-2)中所示的直徑約1 μm的球狀細(xì)菌)。該實驗說明超疏水Bi2O3涂層對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均具有良好的抗黏附性，而超親水Bi2O3涂層僅對金黃色葡萄球菌有抑制作用，表現(xiàn)出選擇性的抗菌活性。

圖6 大腸桿菌(a)和金黃色葡萄球菌(b)在超疏水(1)和光致超親水(2) Bi2O3涂層棉布表面黏附的SEM圖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涂層棉布的油水分離性能

圖7為用于油水分離的超疏水和光致超親水Bi2O3涂層棉，可以看出，超疏水Bi2O3涂層棉布由于其超疏水和超親油性能,油可以穿透棉布流到下方的燒杯中，而水則被涂層截留在上方的玻璃管中，從而快速地將油水混合物分離開來(圖7(a))。而光致超親水的Bi2O3涂層棉布預(yù)先用水充分潤濕，棉布表面有一層水膜，這層水膜將使棉布具有水下超疏油的性能[25]，因此油無法穿透水膜流到下方燒杯，被截留在上方玻璃管中，而水可以穿透水膜從而流到下方燒杯，實現(xiàn)油水混合物的可控分離。綜上所述，超疏水Bi2O3涂層棉布以其超疏水-超親油的性能，可以使油穿透涂層而截留水，而光致超親水的Bi2O3涂層棉布在預(yù)潤濕狀態(tài)下具有超親水和水下超疏油的性能，可以使水穿透涂層而截留油，從而實現(xiàn)油水混合物的可控分離。

圖7 用于油水分離的超疏水(a)和光致超親水(b) Bi2O3涂層棉布Fig.7 Oil-water separation of superhydrophobic (a) and light-induced superhydrophilic (b) Bi2O3coated CF

以超疏水Bi2O3涂層棉布為例，分別對石油醚、環(huán)己烷、甲苯和二氯甲烷四種有機溶劑進(jìn)行油水分離實驗，結(jié)果如圖8所示，超疏水Bi2O3涂層棉布對四種有機溶劑的分離效率均在93%以上，其中對環(huán)己烷的分離效率達(dá)到了96.3%，說明超疏水Bi2O3涂層棉布具有良好的油水分離性能。

圖8 超疏水Bi2O3涂層棉布對不同有機溶劑的油水分離效率Fig.8 Oil/water separation efficiency of superhydrophobic Bi2O3 coated CF for various organic solvents

3 結(jié)論

(1)超疏水Bi2O3涂層棉布對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均表現(xiàn)出優(yōu)異的抗黏附性能，此時涂層可以使油通過而阻隔水，可用于含水廢油的處理。

(2)光致超親水Bi2O3涂層棉布則表現(xiàn)出選擇性的抗菌活性，對金黃色葡萄球菌有較高的抗菌活性，而對大腸桿菌無明顯作用，此時涂層在用水預(yù)潤濕條件下可以使水通過而阻隔油，可以用于含油廢水的處理。

(3)通過油水分離實驗證明了所制備的超疏水Bi2O3涂層棉布具有良好的油水分離性能，因此該涂層可作為一種智能的抗菌油水分離膜材料，實現(xiàn)可控油水分離。