细菌内毒素是常见的外源性致热原，属于强免疫刺激因子，具有广泛的生物活性，与多种人类疾病密切相关.细菌内毒素主要由菌体死亡解体后释放，由于水中会滋长微生物，因此细菌内毒素广泛存在于水、食品、生物医药制剂等与水接触的物质中[1-2].而抗生素对细菌内毒素几乎没有效果，并且还会由于杀死革兰氏阴性菌导致菌体破裂而产生更多细菌内毒素，引发更严重的炎症[3-4].因此，国家药典对注射用水及注射制剂中细菌内毒素指标有严格的规定.

由于细菌内毒素分子大小约为2～50 nm，比细菌小得多，普通微孔滤膜不能截留.传统的混凝沉淀工艺对细菌内毒素的去除率仅有63%[5].活性炭吸附工艺对细菌内毒素的去除效果与活性炭投加量和处理时间相关，其去除率最高可达95%[6].超滤和反渗透膜技术可以有效去除注射液中的细菌内毒素，去除效率大于97%[7-8].然而，由于这两种膜分离技术的操作压力高、膜通量小[9-10]，因此综合使用成本较高.

由于荷电剂的引入，当溶液中带相反电荷的物质通过荷正电陶瓷膜时，不管这些物质的体积是大于或小于膜孔径，都会在正负电荷相互吸引作用下被吸附在膜表面及膜孔内表面.正是基于静电吸附原理，荷正电陶瓷微孔膜具有的使用成本低、操作压力小、膜通量大等优点，引起了广泛关注[11].Wegmann等[12-13]对硅藻土进行表面修饰，负载荷正电纳米ZrO2膜层，该荷正电膜对水中病毒具有很强的静电吸附作用，对大肠杆菌噬菌体MS2的去除率高达99.9%.朱孟府等[14-15]以纳米MgO为荷电剂制备出荷正电微孔陶瓷膜，通过正负电荷相互吸引作用可高效分离水中有机小分子污染物，对水中达旦黄和四环素的去除率分别可达99.0%和99.7%.

本文采用浸渍-烧结工艺制备了负载纳米Y2O3的荷正电陶瓷微孔膜，利用其特有的静电吸附作用，开展了对水中细菌内毒素的去除性能研究，考察了细菌内毒素初始浓度、流速等工艺参数对去除效果的影响.本研究不仅可为荷正电陶瓷微孔膜在微生物去除领域的应用提供重要技术基础，而且为水中细菌内毒素的去除提供了一种可行的技术方法，其成果可有望应用于制药用水或注射剂中细菌内毒素的去除和分离.

1 实验部分

1.1 材料与试剂

硅藻土微孔陶瓷膜(孔径为0.45 μm，广州净易高科技有限公司)；YCl3·6H2O(上海思域化工科技有限公司)；尿素(天津市风船化学试剂科技有限公司)；细菌内毒素工作标准品(中国药品生物制品检定所)；鲎试剂(湛江博康海洋生物有限公司)；细菌内毒素检测用水(湛江博康海洋生物有限公司).

基膜和荷正电陶瓷膜的元素分析结果如图2所示.由元素分析结果可知，基膜主要包含Si、O元素，同时含有极少量Na、Al、Y等杂质元素，说明基膜的主要成分是SiO2.经过表面化学修饰后，荷正电陶瓷膜中的Y元素含量急剧增加至质量分数25.68%，相应地Si含量大幅降低，O元素含量基本保持不变，说明通过浸渍-烧结工艺成功地在基膜表面及膜孔内负载上Y2O3.荷正电陶瓷膜中Y2O3的引入使得Y和O元素增加，导致SiO2相对含量下降，使Si元素含量降低，O元素含量由于Y2O3中亦含O而基本保持不变.

为此，综合考虑设备维护中的可靠性与经济性关系，采取弹性计划检修模式，本文建立了有限时间内基于可靠度约束的单设备动态不完全预防性维护模型。首先采用混合故障率函数，考虑了预防维修对役龄回退因子的动态调整作用和设备老化耗损对其故障率增长速度的动态影响；然后在确保单设备高可靠运用条件下，确定最佳预修次数与弹性维修周期以实现总维修费用率最低；最后将本维护模型的维修优化结果与无可靠度约束等维修周期维护模型进行了对比。

1.2 荷正电陶瓷膜的制备

首先，将YCl3·6H2O和尿素按摩尔比1∶50于去离子水中溶解混合，加热至85 ℃后搅拌反应2 h，制得涂膜液.然后，将经过预处理的硅藻土微孔陶瓷膜(简称“基膜”)浸渍于涂膜液中，约0.5 h后取出，置于干燥箱中50 ℃干燥1 h，将干燥充分的膜再经涂膜，反复3次.最后，将膜转移至马弗炉中700 ℃煅烧1 h，即得到负载纳米Y2O3的荷正电陶瓷微孔膜(简称“荷正电陶瓷膜”).

1.3 荷正电陶瓷膜的表征

利用扫描电镜(SEM，1530VP，德国LEO公司)对膜的表面形貌进行分析.运用能谱分析仪(EDS，Trident，美国EDAX公司)对膜的元素组成与含量进行表征.使用X射线衍射仪(XRD，Mini Flex600，日本Rigaku公司)对膜的组成和物相进行分析.运用Zeta电位分析仪(Zetasizer Nano ZS，英国Malvern公司)对膜的表面电性能进行分析.

1.4 细菌内毒素去除性能评价

利用扫描电镜对基膜与荷正电陶瓷膜的表面形貌结构进行观察，结果如图1所示.基膜具有微孔结构，表面微孔大小不规则，排列无序.与基膜相比，荷正电陶瓷膜的孔结构基本保持不变，但是在荷正电陶瓷膜的表面可以清楚地看到分散着大量纳米颗粒，这说明纳米颗粒附着在荷正电陶瓷膜的表面，并没有堵塞膜孔，改变膜的微孔结构.而且，附着在膜表面的纳米颗粒增大了膜的比表面积，从而使膜的有效吸附面积增加，有利于荷正电陶瓷膜吸附性能的提高.

在基于静电吸附原理的膜分离过程中，待分离组分的电性能亦是影响分离效果的重要因素，因此又对细菌内毒素的电性能进行了分析.由图4可知，在溶液pH为3～10范围内，细菌内毒素显示较强负电性.这是因为细菌内毒素是存在于革兰氏阴性菌细胞壁外膜的一种物质，其化学成分为脂多糖，脂多糖是由称为脂质A的磷脂质和多糖组成的高分子物质，在其磷脂质部位带有负电荷，使整个分子带负电，因此细菌内毒素分子在水中显负电性[19].

2 结果与讨论

2.1 荷正电陶瓷膜的组成结构

采用细菌内毒素测定仪(BET-72，天津市天大天发科技有限公司)测定水中细菌内毒素含量.首先，取浓度100 EU/mL的细菌内毒素工作标准品，按10倍稀释法，用鲎试剂溶解水稀释为10、1.0、0.1、0.01 EU/mL标准系列水溶液，以鲎试验法操作[16]，在细菌内毒素测定仪上测定凝胶时间(t)，仪器可根据凝胶时间的对数(lgt)对细菌内毒素浓度对数(lgc)绘制出标准曲线.然后，以相同方法检测在一定操作条件下荷正电陶瓷膜过滤前后水中细菌内毒素含量，计算去除率.基膜及荷正电陶瓷膜的有效过滤面积均为2.8 cm2，厚度为5 mm.

电性能实验表明，在中性水溶液中，荷正电陶瓷膜带正电，细菌内毒素带负电，可以通过正负电荷之间的静电吸附作用，吸附分离水中细菌内毒素.

  

图1 基膜和荷正电陶瓷膜的SEM图Fig.1 SEM images of base membrane and charged ceramic membrane

说话间，已走进主任室，蒋利学坐到办公桌后说：对不起，我也不喝茶。随手端起桌上一杯水，喝了一口说：我只喝凉白开。你们谁是病人？

荷正电陶瓷膜的表面电性能是影响其吸附分离性能的重要指标.图4为基膜与荷正电陶瓷膜的表面Zeta电位，结果表明，在pH测试范围内，基膜始终显示负电性，说明基膜为带负电性的微孔膜.相比之下，荷正电陶瓷膜的等电点是8.3，所以在实验pH为2～8.3时，荷正电陶瓷膜表现出很强的正电性，而当pH大于8.3时，荷正电陶瓷膜转变为负电性.这是因为Y2O3表面具有更多的可供正电荷结合的位点，所以其更容易吸附水中的质子H+而使表面带正电荷.纳米Y2O3被涂覆在基膜表面后，当溶液pH小于膜表面等电点时，pH越小，溶液中H+浓度越高，Y2O3颗粒周围聚集的H+就越多，且其会在Y2O3颗粒表面微小范围内形成一个个正电场，则膜表面正电性越强；而当溶液pH大于膜表面等电点时，则与之相反.这表明荷正电陶瓷膜在酸性和弱碱性条件下呈正电性，可以利用静电吸附作用去除水中带负电的杂质.

  

图2 基膜和荷正电陶瓷膜的EDS谱图Fig.2 EDS results of base membrane and charged ceramic membrane

  

图3 基膜和荷正电陶瓷膜的XRD图谱Fig.3 XRD patterns of base membrane and charged ceramic membrane

2.2 荷正电陶瓷膜的电性能

采用XRD对基膜与荷正电陶瓷膜的晶型结构进行分析，结果如图3所示.基膜的主要衍射峰与方石英(JCPDS Card No. 39-1425)一致，说明基膜的化学成分主要是SiO2.而在荷正电陶瓷膜的XRD谱图中除了方石英的特征衍射峰之外，还在2θ=29.1°、48.9°和58.1°处发现了立方相Y2O3(JCPDS Card No. 41-1105)的特征衍射峰，其分别对应于立方相Y2O3的(222)、(440)和(622)晶面[17-18].由荷正电陶瓷膜XRD谱图中出现的立方相Y2O3和方石英的特征衍射峰，并结合之前的SEM、EDS分析，证明荷正电陶瓷膜上已经负载了纳米Y2O3颗粒，且Y2O3的晶型为立方体型，Y元素质量分数为25.68%.

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洛巴堆组大理岩主要分布帮浦东段矿区中部，地表形态极不规则，厚度变化极大，且在大理岩中见紫红色安山岩的夹层，大理岩中片理化发育，片理产状和与之接触的安山岩的片理化方向一致，为帮浦矿区的主要赋矿层位。

  

图4 不同pH下基膜、荷正电陶瓷膜和细菌内毒素的Zeta电位Fig.4 Zeta potentials of base membrane, charged ceramic membrane and bacterial endotoxin

2.3 对细菌内毒素的去除性能

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在过滤水量为100 mL、pH为7的实验条件下，进行了细菌内毒素初始浓度对荷正电陶瓷膜去除细菌内毒素性能的影响实验，结果如图5所示.基膜对细菌内毒素去除效果很差，最大去除率仅为16.3%.其原因主要是基膜的孔径远大于细菌内毒素，基膜不能通过筛分作用来截留细菌内毒素.在实验测定的细菌内毒素浓度范围内，荷正电陶瓷膜对细菌内毒素的去除效果非常好，当细菌内毒素的初始浓度为5.3 EU/mL时，其去除率可高达99.6%.而且随着细菌内毒素初始浓度的增大，细菌内毒素的去除率变化很小，去除率均大于95.0%.由此可见，细菌内毒素的初始浓度对荷正电陶瓷膜的去除效果影响不大.这是因为荷正电陶瓷膜的表面负载了大量荷正电的纳米Y2O3颗粒，该纳米颗粒作为吸附位点有利于充分吸附水中带负电荷的细菌内毒素.

  

图5 细菌内毒素初始浓度对去除率的影响Fig.5 Removal rate of bacterial endotoxin with different initial concentration

图6为在过滤水量为100 mL、pH为7、细菌内毒素浓度为123.5 EU/mL时过滤流量对荷正电陶瓷膜去除细菌内毒素性能影响实验结果.由图6可知，随着过滤流量的增加，细菌内毒素去除率逐渐降低，相应的滤液中细菌内毒素含量增加.当过滤流量为390.5 L/(m2·h)时，去除率可达94.7%，此时滤液中细菌内毒素含量仅为6.6 EU/mL，这说明荷正电陶瓷膜对细菌内毒素的吸附效果受水在膜中停留时间的影响显著.这是由于过滤流量的增加，水在膜孔内的停留时间减少，导致细菌内毒素与荷电剂的接触机会减小.因此，适当地降低过滤流量可有利于提高细菌内毒素去除率.

  

图6 过滤流量对细菌内毒素去除率的影响Fig.6 Removal rate of bacterial endotoxin with different flux

另外，为了研究荷正电陶瓷膜对细菌内毒素的吸附容量，还进行了细菌内毒素连续过滤吸附实验，实验结果如图7所示(实验条件为pH为7、细菌内毒素浓度为123.5 EU/mL).从图7可以看出，荷正电陶瓷膜可以连续有效地处理1 500 mL细菌内毒素水溶液，此时去除率均保持在97.0%以上.当溶液过滤总量超过1 500 mL后，去除率开始急剧下降.这是因为随过滤量的增加，荷正电陶瓷膜表面的荷电吸附位点逐渐被细菌内毒素占据，致使荷正电陶瓷膜的荷电吸附能力相应地逐步减弱，因此细菌内毒素去除率下降.当溶液过滤总量达到5 300 mL时，细菌内毒素去除率接近于0，表明此时荷正电陶瓷膜对细菌内毒素的吸附容量已经达到饱和.根据膜的有效过滤面积和厚度，经过计算得到荷正电陶瓷膜吸附细菌内毒素的饱和吸附容量为2.68×105 EU/cm3.

  

图7 过滤水量对细菌内毒素去除率的影响Fig.7 Removal rate of bacterial endotoxin with different filtration volume

由图7可知，已经吸附饱和的荷正电陶瓷膜对细菌内毒素没有去除效果，因此荷正电陶瓷膜的再生对其实际应用具有重要意义.结合图4荷电膜的等电点数据，本文使用NaOH配制碱性洗脱液，采用反冲洗的方法进行荷电膜的再生.随后在过滤水量为100 mL、pH为7、细菌内毒素初始浓度为5.3 EU/mL的条件下进行过滤实验，经过再生的荷正电陶瓷膜对细菌内毒素的去除率可达99.2%.与新制备的荷电膜相比，去除效率能够基本恢复，这说明再生后的荷电膜仍保持较强的正电性，能有效吸附去除水中细菌内毒素.

3 结论

以硅藻土陶瓷膜为基膜，YCl3·6H2O和尿素为原料，采用浸渍-烧结工艺制备了一种Y2O3/SiO2荷正电陶瓷微孔膜.研究结果表明，浸渍-烧结工艺没有改变膜的微孔结构，荷正电陶瓷膜表面负载有作为荷电剂的纳米Y2O3颗粒，且Y2O3为立方体晶型，在酸性及中性条件下显示出较强的正电性，膜的等电点为8.3.基于静电吸附原理，荷正电陶瓷微孔膜可以有效地吸附水中带负电荷的细菌内毒素，细菌内毒素的饱和吸附容量为2.68×105 EU/cm3，在实验条件下最高去除率可达99.6%.荷正电陶瓷微孔膜对细菌内毒素吸附性能的研究，可为水及药液中细菌内毒素的去除提供一种可行的技术方法，有望应用于制药用水及注射剂中细菌内毒素的去除和分离，具有很好的应用前景.

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