CN101791572A - 一种室温条件下催化消毒的高效介孔硅抗菌材料及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种室温不需要加热和光照条件高效催化消毒的抗菌材料。该催化抗菌材料由负载在SBA-15介孔硅分子筛载体上的金、银、铜、铁、镁、铈金属群中的一种或多种金属组分构成，各金属组分的负载量分别为0.5-6％(质量百分含量)。SBA-15由硅源和表面活性剂在盐酸或硝酸溶液中反应得到，活性金属组分通过初湿浸渍、浸渍、共缩合法负载到SBA-15上。该催化抗菌材料可以按照不同的使用要求预先加工成任何形状，涂敷于中央空调、大楼通风过滤系统，或室内墙壁、纱窗、口罩和防护服上使用，也适用于饮水机、净水器、矿泉壶等物品的滤网、滤芯等过滤净化装置。本发明的催化抗菌材料使用时不需要其它附加的外部条件，节约能源，经济环保，具有推广的价值。
Description
技术领域
本发明属于环境催化技术领域，涉及金属负载的介孔硅抗菌材料及其室温条件下对致病性微生物的催化氧化去除，实现对空气和饮用水的消毒和净化，减小疾病对人体的危害。
技术背景
由于空气和水中的细菌、病毒及其它污染物的存在，给人类的生活带来极大的危害。世界卫生组织的调查显示出当前人类80％以上的疾病与室内空气污染和水污染有关，而其中的致病性微生物污染则是引起疾病的主要杀手。2003年的SARS病毒以及紧随其后的禽流感疫情的肆虐和目前甲型H1N1流感的全球蔓延，更唤起了公众对自身居住环境杀菌、消毒的强烈意识，推动了环境及医疗领域对抗菌材料的开发和研究。
目前应用较多的空气和饮用水消毒技术有臭氧消毒法、紫外线消毒法、氯气消毒法以及化学药剂消毒等。其中应用时间最久的传统的氯气消毒法经最新研究表明极易与水中的有机污染物反应产生三氯甲烷等致癌副产物，臭氧消毒法则易于将水中的溴离子氧化为对人体有害的溴酸根等副产物，另外消毒过程中所使用的紫外线和臭氧均需要现场制备，设备复杂，化学药剂消毒方法在有效破坏有害微生物的同时，大量毒性物质残留，对人体和物品都有很大的破坏性。
近年来，催化氧化技术尤其是以半导体材料如无毒无害的TiO2为催化剂的光催化氧化技术成为空气和饮用水消毒技术的研究热点，但其在实际应用中存在的问题是，为保证较高的催化活性，除了要以TiO2纳米粉体或薄膜作为光催化剂外，仍需使用紫外光或近紫外光激发TiO2产生强氧化性中间体杀死微生物，这就使得该种技术不仅原料制备方法复杂，技术要求高，而且整体设备复杂导致成本较高，如专利96197457.5和98240831.5。这些明显的不足限制了该种技术大规模的推广应用。
现代表面科学和催化的研究结果表明，利用氧化物担载的纳米金属比如Ag和Au等催化剂在室温条件下能有效吸附有机分子，同时可以高效解离空气中的氧分子形成具有较强氧化能力的氧负离子，用以催化有机体的水解和氧化，从而达到对致病微生物的高效吸附和灭活作用[Catalysis Communications，5(2000)170-172，Dental Materials，24(2008)244-249，Carbobydrate Polymers，78(2009)54-59].但这些抗菌材料存在容易变色、在杀菌过程中向水中溶出的金属离子量较大的缺点，限制了它们的广泛应用。近期，研究发现以具有纳米级孔结构和较高比表面的纳米介孔分子筛为载体能够大大减少金属离子的溶出[Carbon，39(2001)1607-1610]。
发明内容
本发明针对上述问题，提供一种不需要紫外光源也不需要任何能源在室温下就可实现对致病微生物彻底催化氧化去除的抗菌材料，在环保和节能的前提下达到杀灭微生物和净化空气以及水源的目的。该催化剂使用SBA-15介孔硅分子筛和少量金属为原料，制备方法简单，且能快速杀菌，不需要复杂的附属设备和外在条件。
本发明的科学原理叙述如下：室温下氧气吸附在很多金属表面可以解离成吸附状态的氧原子或带电荷的过氧或超氧自由基。这些自由基具有极强的氧化性，因而抗菌活性极高。同时进一步的研究表明，具有高比表面积的介孔硅分子筛载体可以有效抑制活性金属组分的团聚，促进其在载体表面的分散，使得催化剂性能更加稳定而不易变色。而且这种催化氧化消毒作用，不会对人体和环境产生任何副作用。
本发明的抗菌材料以SBA-15介孔硅分子筛为主体，活性金属组分为金、银、铜、铁、锌、镁、铈金属群中的一种或多种金属组分。前述SBA-15介孔硅分子筛由硅源与表面活性剂在盐酸或者硝酸溶液中制得。前述按一定摩尔比混合成的溶液于40～60℃搅拌20～24h，然后在80～100℃高压反应釜中老化20～24h，再用超纯水洗剂，80℃烘干过夜，最后经马弗炉于550℃空气中焙烧3～6h，即得SBA-15介孔硅分子筛。在实验条件下现场制备的SBA-15载体具有更大的比表面积和活性。活性组分负载采用初湿浸渍法、浸渍法、共缩合法，例如，选用浸渍法，按照0.5～6％(金属元素重量换算值)负载量的比例将该金属的硝酸盐溶液直接加入到SBA-15溶液中，在室温条件下充分混匀反应1～2h。负载完成之后，用旋转蒸发仪在60℃去掉水分，再放入烘箱中于100℃烘干过夜，最后经马弗炉于600℃空气中焙烧3～5h即制得催化剂抗菌材料。
本发明的催化抗菌材料可以按照不同的使用要求预先加工成任何形状，如负载在各种金属制成的蜂窝或筛网结构壁表面上，以及纤维质的滤网、滤布上，或开孔泡沫体也可以用作催化剂的结构性载体。可以涂敷于中央空调、大楼通风过滤系统、或独立空调空气过滤介质上，或涂敷在室内墙壁、纱窗、口罩和防护服上使用，还可以用于各种饮水机、净水器以及矿泉壶等物品的过滤净化装置，可自动进行空气消毒，不需要加热和光照。
本发明的催化抗菌材料及其应用和现有技术相比，具有如下优点：
(1)本发明的催化抗菌材料制备原料低廉易得，制备工艺简单，可有效应用于室温条件下空气和饮用水中致病微生物的氧化去除，且耐热耐高温，不易变色，性能稳定。
(2)本发明的催化抗菌材料可以利用与空气和水中氧气分子的接触催化氧化，高效、持久的消毒净化空气和饮用水，不需要紫外光源和热源，设备简单，运行成本低廉。
(3)本发明的催化抗菌材料在实验条件下较短作用时间内对目标微生物大肠杆菌和金黄色葡萄糖球菌可达到100％的杀菌率。
(4)本发明催化抗菌材料用量少，水中溶出的各种金属离子量少，安全经济，不会对人体和生态环境造成任何危害。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，列举以下实施例，但其对本发明的范围无任何限制。
【实施例1】
取10克Pluronic P123溶解于300mL 0.35mol/L的盐酸溶液中，搅拌均匀后，在不断搅拌下缓慢加入21.25mL正硅酸已酯，在40℃搅拌20h后，置于100℃高压反应釜中老化24h，然后用超纯水洗剂，80℃烘干过夜。将烘干后的材料在空气气氛中，以1℃每分钟的升温速度，从20℃升温到550℃，在550℃焙烧5小时。
【实施例2】
取100克实施例1中制备的SBA-15粉末与其孔容体积相当的所定浓度的硝酸银、硝酸铁和硝酸铜均匀混合，在100℃过夜干燥后，在马弗炉中于600℃焙烧3小时，降至室温，即获得实施例2催化剂。制成品催化抗菌材料的银组分负载量为2％，铁组分负载量为2％，铜组分负载量为2％。
【实施例3】
取100克实施例1中制备的SBA-15粉末徐徐加入到所定浓度的硝酸银、硝酸铁和硝酸铜的混合水溶液中，搅拌1小时，将混合溶液加入旋转蒸发仪于60℃蒸发掉水分，在100℃过夜干燥后，在马弗炉中于600℃焙烧3小时，降至室温，即获得实施例3催化剂。制成品催化抗菌材料的银组分负载量为2％，铁组分负载量为2％，铜组分负载量为2％。
【实施例4】
取实施例2中银组分含量为2％的催化抗菌材料0.2g，在20大气压下，压成直径1厘米的圆片，在室温25℃条件下，将菌液浓度为1E+06CFU/mL的大肠杆菌菌液与加热后的琼脂培养基在培养皿中均匀混合，待冷却至室温培养基凝固后，将催化剂圆片和作为空白对照的同样大小的滤纸圆片按一定间距放在培养皿中的琼脂表面，经37℃培养24h后，催化剂周围无菌生长，且抑菌作用持续48h未见有菌长出，而作为空白对照的滤纸片周围则同其他部位一样均匀生长大量菌落。
【实施例5】
将0.2克实施例2中银组分含量为2％的催化抗菌材料在20大气压下压成直径1厘米的圆片，室温25℃下大气中，将大肠杆菌悬液(108，20μL)滴在催化剂表面。培养实验结果显示，5分钟的杀菌效率达到100％。对照实验显示，同样条件下滤纸没有杀菌效果。
【实施例6】
分别取实施例2和实施例3中银组分负载量为2％的催化抗菌材料各0.005g，加入盛有100mL无菌去离子水的100mL锥形瓶中，即催化剂浓度为50mg/L，向其中加入大肠杆菌初始菌液，调整最终的菌液浓度为1E+07CFU/mL，于室温25℃进行杀菌活性测试，反应过程中采用磁力搅拌装置对体系不断进行搅拌。培养实验结果显示，实施例2和实施例3中的载银催化抗菌材料，在反应10min后杀菌率即可达到100％，且杀菌作用持久，48h内未见有菌生长。而对照实验显示，同样条件下不加催化抗菌材料则没有杀菌效果。
【实施例7】
取实施例2中铜含量为2％的催化抗菌材料0.2g，在20大气压下，压成直径1厘米的圆片，将琼脂培养基经高温灭菌后倒入无菌培养皿中，待其自然冷却凝结为固态平面后，在室温25℃条件下，用无菌玻璃刮刀将浓度为1E+06CFU/mL的金黄色葡萄球菌和霉菌菌液均匀涂布在其表面，将催化剂圆片和作为空白对照的同样大小的滤纸圆片按一定间距放在培养皿中的琼脂表面，经37℃培养24h后，催化剂周围无菌生长，且抑菌作用持续48h未见有菌长出，而作为空白对照的滤纸片周围则同其他部位一样均匀生长大量菌落。
Claims (4)
1.一种在室温条件下对致病性微生物污染的空气和水源进行催化氧化消毒的高效催化抗菌材料，其特征在于该催化抗菌材料是在SBA-15介孔硅分子筛载体上负载0.5～6％(质量百分含量)具有杀菌活性的金属组分。
2.如前述权利要求1所述的催化剂，其特征在于，前述活性金属组分是银、金、铜、锌、镁、铈中的至少一种。
3.如前述权利要求1所述的催化剂，其特征在于，前述活性金属组分通过初湿浸渍、浸渍法、共缩合法负载在介孔硅载体上。
4.如前述权利要求1所述的催化剂，其特征在于，致病性微生物是指大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、霉菌。
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