CN100396621C - 抑制藻类生长的新颖复合材料及其用途 - Google Patents
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Abstract
本发明是关于一种用来抑制藻类生长的复合材料，包括一种以多孔基质的载体，和一种覆盖于载体上的纳米金属混合物；其中该混合物包括纳米金属颗粒和将纳米金属颗粒固定在载体上的物质。本发明更进一步提供一种用来抑制藻类生长的方法，将本发明的复合材料，施用于有藻类产生的地方。
Description
技术领域
本发明涉及一种用来抑制藻类生长的复合材料，而且也提供本发明所提及的复合材料用于抑制藻类生长的使用方法。
背景技术
在工业、渔业和一般家庭应用上，非常依赖于水的供应，所以控制水的品质于理想期望下是非常重要的。
用来运输和保存给人类及动物饮用水的装水容器，家庭用水和农业化学药剂喷洒用水，类似这些方面的应用，都需要相当纯度和无污染的水。一个重要的考虑是，藻类生长在残留在储水容器的少量水中的时间，远超过可想象的时间周期，所以藻类生长于储水容器中，是极为棘手的问题。
藻类生长会诱发很多问题，例如阻塞水过滤装置的过滤器，或消耗掉水中的溶氧量，造成鱼类及贝类窒息而死亡。
藻类有多种类型，有微细藻、单胞藻、类似毛发的丝状藻、生长成片状的藻类、看起来象植物的大型藻类；甚至有些藻类可以存活在类似「皮肤」的外层覆盖物内部，或一些珊瑚、海葵和其它称为虫黄藻的无柄无脊椎动物钙化外壳上。而某些看起来象泥泞的藻类，通常并不是藻类，而是进行原始光合作用的生物体所形成的群落，例如蓝绿藻。另外也有一些很难被移除的绿色小点，这些绿色小点有时候会生长在水族箱的面板上，这些绿点也不是藻类，而是由硅藻类(diatom)或是散线虫类(radiolarian)的各类动物群聚(微细的、单胞且带有硬壳的动物)和藻类结合而形成。
藻类生长于水族箱中是不可避免的，藻类会消耗掉水中累积的养分，所以对鱼类是有害的。
控制藻类生长可以分成三或四个类别：一般来说，多数类别是根据基于最低的适当性而考虑，也就是按照长期花费、安全性、和容易使用各方面来考虑，这些类别都是以生物性、机械性、物理性、和化学性来控制藻类生长，在所有控制藻类生长的方法中，很少可完全符合实际需求。
涡螺(Turbo)、星螺(Astrea snails)、某些啤梨鱼(blennies)和某些倒吊(tangs)是很好的食草(藻)者，螺类是最广泛使用的清道夫，而且通常是最好的选择；部份国家似乎喜欢用海胆和矮小神仙鱼(dwarf angels)来清除藻类，前者容易死亡且会移动水族箱内的装饰品，后者的问题是需要喂食昂贵的无脊椎动物。
目前较进步的方法，包括功能性去除蛋白质器材(化氮器材，蛋白质涂抹器)，有些附有臭氧和紫外线杀菌功能；这些物理性过滤器可去除和销毁暴露在水中的藻类，和帮助散布于水中的营养物氧化及循环。
针对安全性和长期的效应来说，使用任何化合物来控制藻类生长是最不希望的途径，市面上有数种品牌的抗生素(红霉素，或是等效的普通名字)；所有观点或说法皆同意应避免使用抗生素。且抗生素只针对症状下药，而没有根除藻类产生的原因。藻类产生的原因可能是源自于水系统的不平衡，所以使用抗生素明显的副作用是改变了水系统化学性的“演化”，不要忘记抗生素(anti-biotic)意味着「对抗-生命」。
在商业及公共水族馆所卖的铜制品，通常以硫酸铜水溶液的形式，来作为杀藻剂，也是一般动物流行病的寄生生物预防物。如果有打算保留无脊椎动物、巨型藻类、活岩石在系统中，不要使用铜制品于水中。这种金属是极好的治疗剂，并可应用于防止水槽、水中悬挂物、只有鱼类的鱼缸中的藻类滋生；市面上广泛的使用铜制品当杀藻剂，但对所有生命是持续性带有毒性的，尤其是非鱼类的生物。
如果使用化学性杀藻剂，需要特别注意使用剂量，应该低于会引发急性中毒副作用的剂量，有数种产品皆标示在「较糟糕的情况」下，剂量可以加倍或是三倍使用，这导致实行藻类控制的不方便性。
在市面上的大部分杀藻剂是以水溶液的形式存在。以水溶液形式确实有些缺点，然而并非在于根除藻类的效率；举例来说，液态的杀藻剂成份，包括钠次氯酸盐，这限制了杀藻剂保存期限，一般期限是六到八个月；但如果需要很大数量的杀藻剂成分，以水溶液形式运输则较昂贵且较为不利的(一般而言，一加仑水溶液包含大约百分之十的钠次氯酸盐)。若以浓缩的固态杀藻剂型式，可能更加容易地运输。
发明内容
本发明是关于一种用来抑制藻类生长的复合材料，包括一种以多孔基质的载体，和一种覆盖于载体上的纳米金属混合物；其中该混合物包括纳米金属颗粒和将纳米金属颗粒固定在载体上的物质。
本发明的组成中，载体可以是任何适于用来携带本发明的纳米金属混合物，举例如下：粘土、陶瓷、氧化金属、塑料和聚合物，都可以运用于本发明上。本发明较佳实施例是载体为多孔基质载体；更佳的实施例是基质载体为陶瓷；最佳的实施例是，此载体为陶瓷陨石型式的滤水器。
纳米银
长久以来都知道，银可以抑制细菌的氧气交换，而杀死细菌。纳米银可以直接进入细菌内和氧代谢酵素(-SH)结合，而使细菌无法呼吸，结果导致与纳米银接触的大部分微生物死亡，包括细菌、附生植物、霉菌和孢子。纳米银具有完整的抗生素活性，可对抗抗药性的致病性细菌，例如：抗药性肠杆菌(colibacillus)、抗药性金黄色葡萄球菌(staphylococcUSaureus)、抗药性绿脓杆菌(pseudomonas aeruginosa)、化脓球菌(pyococcus)、抗药性肠道杆菌(enteric bacilli)和厌氧菌(anaerobes)。纳米银可以杀死附着于烫伤或是创伤伤口上的细菌，如：金黄色葡萄球菌、肠杆菌、绿脓杆菌、白色念珠菌、其它格兰氏阳性或是格兰氏阴性的致病菌；也可以实质性杀死在生殖道繁殖的致病菌，如淋病双球菌。
用在本发明中的纳米金属是纳米银；其中纳米金属颗粒具有直径10nm到100nm的结晶体颗粒。
物质
本发明的复合材料中，用来固定颗粒在载体上的物质，是指适合固定纳米金属在基本载体上的任何物质。本发明中较佳的实施例是该物质是纳米氧化锌，且纳米氧化锌呈针状、树枝状或是线状。最佳的实施例是指由纳米氧化锌形成单一型式的四针状，例如氧化锌晶须(Zinc Oxide Whisker，ZnOw)。
氧化锌晶须，微观下是具有四针的形状，宏观状态下则是具有孔洞的外表。氧化锌晶须具有好的广泛性特征，例如：高强度、半导电性、耐磨性、防震、吸收微波和抗菌效能，是可以被广泛运用的功能性和结构性物质，因为带有单一晶态的独特形状而显著。
纳米氧化锌具有裂解能力，如同光触媒，可摧毁致病菌(例如细菌)残留于水中的碎屑的能力，而提高水的纯度和品质。
电气石
本发明的复合材料，其中该混合物进一步包括电气石；该电气石选自黑色(黑电气石)、棕色(镁电气石)、蓝色(蓝电气石)、粉红色(红电气石)、绿色、黄色、橘色、多色或无色电气石。
电气石是一种自然矿物，是属于带有多种元素的硅石矿物，化学组成主要是硅、硼、镁、铝和对人有益的微量元素，例如镁、铁和铯等。一般化学式是NaR3Al6[Si6O18][BO3]3(OH，F)4，它的结晶属于一群，称为环状结构硅矿形成的3D立体结晶系统，化学式中的R是指带正电离子的金属，R的种类和组成会影响电石的颜色，当R是二价镁离子、三价铁离子、或是(一价锂离子，三价铝离子)是分别代表镁电气石、黑电气石、和锂电气石三个成员。
电气石大部分和气化作用有关，一般电气石的来源是伟晶花岗岩和变性的变质岩中，电气石结晶具有压电性，可以运用于无线电工业上，带有明亮颜色和光泽的晶体，做成珠宝就成为中国皇帝的碧玺。当电气石加热时，晶体两端会弯曲、变形而诱发正负静电，因为热电特性(加热产生电)，这种种类的矿物称为「电石」，其英文名字就是“Tourmaline”，取自于斯里兰卡人祖先语言“Turmali”，意指混合宝石、混合宝玉。
因为其组成不同，电气石有着不同颜色，带有大量的铁就是黑色，带有大量的锂、镁或铯，就分别是蔷薇色、或是深蓝色，带有大量的镁，就是棕色或是黄色，带有铬就是深绿色。
根据其形状，电气石有结晶电气石、纤维电气石和工艺电气石，从电石颜色和特殊光学效应，可以分类成红色电气石(也称为红碧玺)、绿色电气石(也称为绿碧玺)、黄色电气石(也称为黄碧玺)、紫色电气石(也称为紫碧玺)、透明电气石(也称为透明碧玺)、黑色电气石(也称为碧玺)、多种颜色电气石(也称为多种颜色碧玺或是杂色碧玺)，和电气石、蛋白石、猫眼石等等。
电气石可活化和还原水分子，通过物理作用增加自然矿物质，例如离子化、远红外线(far infrared ray)和水电解，电气石如何活化水的纯化作用与矿物化作用，达到益于人体的效果，将在下面陈述：
A.产生负离子
负离子，又称为「空气的维他命」，负离子可以调控人体离子平衡，具有活化细胞、增加自然治愈能力、抑制氧化或是老化的功能，也可以去除臭味。
B.电解水
水电解化后可以获得很多效能，例如接口的活化作用、氯稳定作用、钝化处理(防止铁氧化和红色锈水产生)、水去氧化作用、去除二氧化硅和其结合物(微生物聚集物)等。当电气石和水作用，可以解决化学水溶液和化学物质难以溶解的问题。
C.还原水分子团
水分子(H2O)不能单独存在，水分子必须和其它分子结合，而形成分子束，这种分子束可以去除，或是过滤杂质，而增加身体的渗透性。
D.放射远红外线(far infrared ray)(4-14micronmeter ray)
增加水中的溶氧量，促进血液循环和代谢，有益于人体吸收。调节和平衡水中酸碱值，而加强抵抗力。
E.包含有效的微量矿物质
水透过了电气石，可以分离出对人体有益的矿物质，和微量元素，例如锌、钙、镁、钾和锶等，容易被人体吸收，是最好的矿物质来源。本发明中的较佳实施例是该电气石为粉红色电气石。
浓度
当纳米金属混合物覆盖子载体上，该混合物包括根据载体的总量计1000至3500ppm的纳米银和500至2000ppm的氧化锌。较佳浓度为纳米银的浓度为1000～2500ppm，更佳浓度为1000～2000ppm，最佳浓度是2000ppm。氧化锌的浓度介于500～2000ppm，更佳浓度为1000～2000ppm，最佳浓度是1500ppm。
本发明的最佳实施例是，该混合物包括根据载体的总量计100至1000ppm的电气石，电气石的较佳浓度为150～500ppm，更佳浓度为150～300ppm，最佳浓度是250ppm。
真正实施是指本发明的复合材料足够让水在外观上从绿色转变成无色。
本发明更进一步提供一种用来抑制藻类生长的方法，是将本发明的复合材料，施用于有藻类产生的地方。
藻类产生的地方包括储水容器，例如水族箱、游泳池，较佳的实施例是该地方为水族箱，且该水族箱包含动物在内，如：鱼类。
本发明中所提及的方法，其中纳米银从经覆盖的多孔物质所释放出来的浓度，足以将水的颜色由绿色转变成无色。
附图说明
图1可显示使用本发明的复合材料抑制藻类生长的效果。(A)为刚将氧化锌晶须和红色电气石混合物陶瓷陨石载体6公克，放入2公升的水槽的情况，(B)为24小时后，(C)为48小时后的情况。
具体实施方式
提供以下实施例不意欲限制发明的范围，但可说明本发明的各种各样的观点。
实施例一：制备覆盖有纳来银的陶瓷陨石-氧化锌晶须-粉红色电气石混合物
步骤一：
制备基本载体-多孔陶瓷陨石
1.材料
材料：黏土；纳米氧化铝nano-Al2O3；纳米氧化锆nano-ZrO2；纳米氧化硅nano-SiO2和纳米碳化硅nano-SiC
控制因素：纯度、密度、化学组成、粉末颗粒大小、穿孔、磨损、吸收性、形状和数量。
2.铸作模型
倒入厚实的液体塑造：滑动铸件，压退出，刮边切削，刮刀成形，射出成形。
控制因素：有机物质撤除(例如粘着剂)
3.烧结
快烧，迅速反应烧结，热均压烧结。
控制因素：烧结电容器、曲线控制和收缩率。
4.处理加工
纳米银涂布和分离控制。
步骤二：
制备纳米银-氧化锌晶须-粉红色电气石混合物
纯水中的一种均质混合物根据以下配方制备：
组成：
(a)纳米银→2000ppm
(b)氧化锌晶须→1500ppm
(c)红色电气石→250ppm
室温25℃下组成物(a)，(b)，和(c)加入纯水中混合，然后混合物维持3到5个小时，而产生均质的混合物，容易使用于下一步骤。
步骤三：
将陶瓷陨石载体覆盖上氧化锌晶须和红色电气石混合物
覆盖上氧化锌晶须和红色电气石混合物的步骤列于下面：
a.完全地浸泡陶瓷颗粒于步骤二所制备的氧化锌晶须和红色电气石混合物中一个小时内不加以干扰。
b.取出陶瓷颗粒。
c.于液态氮下加热80到120℃处理陶瓷颗粒15到30分钟。
d.于散热器500℃烘干陶瓷颗粒。
实施例二：对陶瓷陨石的性能分析
陶瓷陨石样本特性于下面表一和表二中列出。
表一.陶瓷陨石化学分析结果
表二.陶瓷陨石物理分析结果
实施例三：陶瓷陨石滤水器的杀菌效果
陶瓷陨石的抑制微生物能力被展示出来。
陶瓷陨石的抗菌特性利用ASTM E2149-011(American Society forTesting and Materials，2001)来评估，为一个定量抗菌测试方法，在动态接触情况下执行。大肠杆菌(ATCC 11229)被用来作为测试有机体，培养测试实验是在营养的培养液下，用0.3mM磷酸盐缓冲(pH 7.2)稀释成105～106菌落形成单位(CFU/ml)，用来作为执行培养测试试验时的细菌稀释溶液。
每一个陶瓷陨石(1.08克，纳米银处理和没有纳米银处理，也就是对照组)首先用紫外线杀菌，然后装入已经装有3毫升的细菌稀释溶液的10毫升试管中，使被试验的物质(大肠杆菌)充分暴露于陶瓷陨石下。
所有的试管盖不要转紧，放入培养箱中，在37℃下利用培养箱震荡器(New Brunswick Scientific，NJ，USA)以120rpm转速震荡，当离心管震荡1分钟加减5秒时，每一个管子被当成“0”接触时间，直接从每一管中取出0.2毫升加减0.002毫升的混合物，装入1.5毫升离心管中，连续稀释并涂抹于培养基上。取出上述样本后，盖上盖子，将管子放入机械式震荡器中3和6小时；如同“0”接触时间的菌液涂抹技术，执行连续稀释及涂抹陪养基而定出每一个样本(3和6小时)的细菌浓度。培养基在37℃下培养18小时后，计算培养基上的菌落数，并按照稀释倍数回推出每毫升中的菌落，算出重复样本的平均值。
抗菌能力就是以大肠杆菌与纳米银接触后，减少的菌落数百分比来呈现，利用下面的公式算出：
减少的菌落百分比(CFU/ml)＝(B-A/B)×100％
A是指纳米银(NMA-HTCC treated cotton)处理3或是6小时后存活的菌落数(CFU/ml)，B是指“0”接触时间的存活菌落数，测试结果列于表三和表四。
表三
| 组别 | “0”接触时间的存活菌落数(CFU/ml) | 处理3小时的存活菌落数(CFU/ml) | 减少率(％) |
| 控制组 | 8.15×105 | 1.06×108 | - |
| 纳米银处理 | 8.9×105 | ＜10 | ＞99.99 |
＊＊培养基于37℃下培养3小时，独立的试验和计数出存活菌落数。
表四
| 组别 | “0”接触时间的存活菌落数 | 处理6小时的存活菌落数(CFU/ml) | 减少率(％) |
| 控制组 | 8.15×105 | 6.9×109 | - |
| 纳米银处理 | 8.9×105 | ＜10 | ＞99.99 |
＊＊培养基于37℃下培养6小时，独立的试验和计数出存活菌落数。
在本试验中，纳米银处理的陶瓷陨石，具有很好的杀菌效能，减少百分之99.99的细菌生长的能力。
实施例四：本发明复合材料用来抑制藻类生长的效果
将实施列一所制备的覆盖上氧化锌晶须和红色电气石混合物陶瓷陨石载体，放入2公升的水槽中(图1A)测试抑制藻类生长的能力。
放入6公克陶瓷陨石到2公升的水槽。24小时后的情况如图1B所示，绿色明显减少；陶瓷陨石处理48小时后的情况如图1C所示，令人惊讶的结果是，水几乎呈现清澈颜色，鱼类在水槽里也活得很好。
Claims (19)
1.一种用来抑制藻类生长的复合材料，其特征是包括一种以多孔基质的载体，和一种覆盖于载体上的纳米金属混合物；其中该混合物包括纳米金属颗粒和将纳米金属颗粒固定在载体上的物质。
2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征是该基质载体为陶瓷。
3.根据权利要求1所述的复合材料，其特征是该物质是纳米氧化锌。
4.根据权利要求3所述的复合材料，其特征是该物质是纳米氧化锌，呈针状、树枝状或是线状。
5.根据权利要求3所述的复合材料，其特征是该纳米氧化锌具有裂解能力。
6.根据权利要求3所述的复合材料，其特征是该纳米金属是纳米银。
7.根据权利要求1所述的复合材料，其特征是该混合物进一步包括电气石。
8.根据权利要求7所述的复合材料，其特征是该电气石选自黑色、棕色、蓝色、粉红色、绿色、黄色、橘色、多色或无色电气石。
9.根据权利要求8所述的复合材料，其特征是该电气石是粉红色电气石。
10.根据权利要求6所述的复合材料，其特征是该混合物包括根据载体的总量计1000至3500ppm的纳米银和500至2000ppm的氧化锌。
11.根据权利要求10所述的复合材料，其特征是该混合物包括根据载体的总量计100至1000ppm的电气石。
12.根据权利要求1所述的复合材料，其特征是其足够将水的外观颜色由绿色转变成无色。
13.根据权利要求1所述的复合材料，其特征是纳米金属颗粒具有直径10nm到100nm的结晶体颗粒。
14.一种用来抑制藻类生长的方法，其特征是将权利要求1所述的复合材料，施用于有藻类产生的地方。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征是该地方包括储水容器。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征是该地方为水族箱。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征是该水族箱包含动物。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征是该动物是鱼类。
19.根据权利要求14所述的方法，其特征是纳米银从经覆盖的多孔物质所释放出来的浓度，足以将水的颜色由绿色转变成无色。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: JIANDUAN NANO SCIENCE AND TECHNOLOGY CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: TAIGANY SCIENCE AND TECHNOLOGY CO., LTD. Effective date: 20110920 Free format text: FORMER OWNER: JIANDUAN NANO SCIENCE AND TECHNOLOGY CO., LTD. |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20110920 Address after: Nangang Road, Nangang District Chinese Taiwan Taipei three period 130 Lane 3 Lane 5 Building No. 5 Patentee after: Jianduan Nano Science and Technology Co., Ltd. Address before: Taiwan Taipei City Road 4 China Lane 46 Lane 11, 553 Co-patentee before: Jianduan Nano Science and Technology Co., Ltd. Patentee before: Taigang Tech Co., Ltd. |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20080625 Termination date: 20150706 |
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| EXPY | Termination of patent right or utility model |