快速灭菌99.9%:高效在线水消毒电杀菌材料研发取得突破
2020-05-14 16:18:42 作者:本网整理 来源:知社学术圈 分享至:

众所周知,生活用水安全与人体健康息息相关,而水必须通过严格的消毒杀菌处理才能使用,否则水中存在的细菌、病毒等微生物将会导致腹泻等人体不适甚至更严重的生命健康威胁。生活用水中对细菌总数、大肠杆菌总数两项常规指标进行严控,若干针对城镇生活用水水质安全的调查研究发现:相比其他毒理指标、物化指标,微生物指标超标是导致绝大部分地区水质不合格的首要原因。


近期,中国海洋大学材料学院陈守刚教授课题组关于在线高速水处理消毒技术研究领域取得重要进展,该材料组装器件首次实现在外接电压10 V,水流速度每分钟1升的情况下,实现了水中细菌99.9%的高效杀灭。相关成果分别发表在国际著名化工期刊Chemical Engineering Journal和环境纳米材料著名期刊Environ. Sci.: Nano等学术期刊上。该电杀菌器件简单经济,杀菌高效,环保安全,有望在饮用水、热水器和养殖废水等杀菌领域得到应用(国家发明专利公开号:201810511044.9;201910804761.5)。


当前一般水处理的方法主要包括氯系消毒法、臭氧处理等化学方法和紫外杀菌等物理方法。氯系消毒试剂由于其强氧化性、价格低廉、易储存运输等优目前在水处理中应用广泛,但水处理的同时会产生较多的有毒副产物,对人们健康存在致癌隐患;臭氧水解时会释放具有强氧化性的羟基自由基,使细菌失活,但这种气体不稳定,易对人体造成危害,另外较高的消毒成本也限制了其规模使用,紫外杀菌技术在水处理方面对水体澄清度有较高要求,且消毒能力不持久,设备花费较高。


随着纳米材料的不断发展,为解决传统水消毒技术的弊端,新型的纳米材料及处理技术被不断研究和探索。电穿孔杀菌技术在水消毒领域应运而生,由于其消毒速度快、不可逆、无副产物等优势得到广泛的认可。然而电穿孔杀菌技术需要施加一个极高的外电压(103 V~106 V),这也带来了高能耗以及安全性隐患问题。近期研究发现可以通过导电纳米线尖端实现电场的高度集中,在一定的外加电压下实现大肠杆菌的杀菌;自此,越来越多的研究人员开始将一维纳米线结构应用到电穿孔杀菌领域。但目前电杀菌技术应用中存在两个共性的问题:采用纳米线电杀菌技术后,外加电压明显降低,但该电杀菌材料的导电性不足,所以主要面向静态水或者低流速的水净化处理,实际上生活用水的流速每分钟一般在 0.5 升到 3.0升,而目前材料是不满足实际流速需求的。因此如何保证低电压下实现对高速菌液的快速原位杀菌的材料选择和制备就成为需要解决的实际应用的关键科学问题。


此外基于实际应用需求,电杀菌材料同时要满足如下几个条件:1) 选择材料通透性和耐腐蚀性能要好,不影响水的流速;2) 材料表面具有针状突起结构且导电性能要好,更容易放电;3) 结构设计简单,成本可控;4)材料要环境友好,水处理后的各项离子要符合国标。

640?wx_fmt=png&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1.jpg

图1. 泡沫铜上纳米线及嵌银碳膜材料不同倍数扫描电镜和透射电镜照片


基于实际需求,课题组选择泡沫铜材料进行改性研究,并据此设计了电杀菌器件进行实际应用测试。利用刻蚀工艺在泡沫铜上获得针状氧化亚铜纳米线(图 1),为了提升纳米线的导电性,利用简单的浸泡-烧结方法在纳米线上制得包覆镶嵌的纳米银颗粒的导电碳膜,外加金属颗粒明显提升功能涂层的导电性(图 2),且碳膜的固定使其耐水流冲刷的稳定性大大增强,即使外加低的电压也可达到好的瞬时强放电杀菌。

640?wx_fmt=png&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1.jpg

图2. 泡沫铜改性材料的能奎斯特测试和有限元模拟外加电压下电场效应示意图。注:标尺= 1 μm。


利用此材料组装的器件如图 3 所示,器件中间空隙也为菌液的杀菌提供了缓冲时间,杀菌效率大大提升。该技术器件可在外接电压 8-10 V,水流速度在1升 每分钟的情况下,实现水中细菌 99.9%的杀灭。此消毒过程无副产物生成,ICP测试经过器件水溶液离子浓度符合国家标准,同时消毒之后无细菌复活现象发生。

640?wx_fmt=png&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1.jpg

图3. 抑菌性能测试过滤装置示意图。(a)杀菌实验实际装置图,(b,c)过滤装置模型及实物图,(c)两电极间的绝缘橡胶圈,(d) 改性泡沫铜材料的电极实物图。

640?wx_fmt=png&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1.jpg

图 4 活死菌检测试剂盒对 C/Cu2O-AgNPs 电极过滤前后的菌液染色结果:E. coli(a,b)和 S. aureus(c,d),注:标尺= 20 μm。


课题研究得到国家自然科学基金和山东省重点研发计划项目的支持。

免责声明:本网站所转载的文字、图片与视频资料版权归原创作者所有,如果涉及侵权,请第一时间联系本网删除。