CN105724372A - 一种负载型ZnO抗菌复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种负载型ZnO抗菌复合材料，制得的该复合材料以硅酸钠为粘结剂，5～8mm沸石为载体，并在其表面均匀负载片状结构的ZnO层，ZnO晶型为单一的六方纤锌矿相。该复合材料的制备是将5～8mm的沸石用5％的冰醋酸酸化，超声清洗，然后再用蒸馏水洗涤至中性，烘干；将纳米ZnO粉末和粘结剂硅酸钠在蒸馏水中充分分散，配成均匀的悬浮液；然后再将预处理过的沸石置于ZnO悬浮液中浸渍、干燥多次，高温煅烧后得到ZnO/沸石复合材料。该复合材料负载ZnO均匀牢固、对光照条件无特殊要求、抗菌活性高、便于回收再利用。

Description

一种负载型ZnO抗菌复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种活性氧化物无机抗菌材料，具体地说，涉及一种负载型ZnO抗菌复合材料及其制备方法。

背景技术

日益严峻的水污染使得人们愈发关注健康问题。受污染水体中存在的各种病原微生物严重威胁人类健康，是引起水传播疾病爆发的根源。尽管传统的消毒技术对病原菌有良好的杀灭效果，但随之产生的致癌致畸变的消毒副产物却令人生畏。此外，利用传统消毒技术也难以解决细菌复活和再生长问题。因此开发研制安全、长效、广谱的抗菌材料势在必行。活性氧化物产生的活性氧类与细胞中的有机物分子发生化学反应，使细胞分解从而达到抗菌目的，是一类具有良好发展前景的水处理抗菌材料。目前有报道使用TiO₂或改性TiO₂作为抗菌剂，但在水处理的实际应用中存在诸多问题：TiO₂难以在可见光或黑暗环境中发挥其催化活性，抗菌效果较差；采用悬浮反应体系，由于粉末细小、易团聚，难以分离回收，严重影响出水水质。

ZnO是一种化学性质稳定的氧化物，在有氧或水存在的环境中能产生过氧化氢和自由基等具有强氧化性的物质，对于细菌具有很强的杀灭能力。与TiO₂相比，光照对ZnO的抗菌能力的影响很小，即使在黑暗条件下ZnO同样也有良好的抗菌性能。粉末状材料的固定化是其在水处理中应用的必要前提，选择合适的载体进行负载是通用的方法。负载方法主要可以分为两大类：浸渍法和偶联法。浸渍法是利用物理或化学的方法首先对纳米粉体进行分散，制备出纳米粉体的分散液，然后将基体材料加入到分散液中进行负载，最后经过热处理制备出负载材料。这种方法虽然解决了纳米粉末在悬浮体系中易团聚的问题，但由于分散液的制备较为困难且制备出的分散液稳定性较差，易引起二次团聚，使得负载在基体材料上的抗菌剂尺寸较大，不利于抗菌效果的提高，且结合牢固程度低，粉体易脱落。偶联法则是将纳米粉体与偶联剂混合均匀，然后涂敷在载体上，最后经过一定的热处理制备出负载材料。这类方法大都是以高分子有机物为胶粘剂，制备成本较高，且有机粘结剂在长期使用过程中易被分解。

发明内容

针对TiO₂光催化效率低、粉末状抗菌材料难以回收、传统负载方法牢固性差、偶联剂易老化脱落等问题，本发明提供了一种负载型ZnO抗菌复合材料及其制备方法。该制备方法以纳米ZnO为抗菌剂，沸石为载体，硅酸钠为粘结剂，提供一种负载均匀牢固、抗菌活性高、可在黑暗和光照条件下均能有效抗菌、便于在水处理中应用和回收的大粒径ZnO/沸石复合材料。

为了实现上述任务，本发明采取如下技术解决方案：

一种负载型ZnO抗菌复合材料的制备方法，其特征在于：将预处理的沸石置入含有硅酸钠的ZnO悬浮液中多次浸渍，每次浸渍后干燥，然后置于马弗炉中400℃下煅烧1h，得到负载型ZnO抗菌复合材料。

具体按下列步骤制备：

(1)沸石的预处理：将规格为5～8mm的沸石，置于浓度为5％的冰醋酸溶液中浸泡30min，然后将浸泡后的原沸石过滤，超声清洗20min，再用蒸馏水反复洗涤至中性，烘干；

(2)ZnO悬浮液的配制：准确称取硅酸钠8g，充分溶解到80mL蒸馏水中，然后在其中加入纳米ZnO粉末4g，磁力搅拌30min，使得纳米ZnO粉末在蒸馏水中充分均匀分散，制得ZnO的悬浮液；

(3)沸石负载ZnO：将适量预处理过的沸石浸渍于步骤(2)所配制的ZnO悬浮液中，浸渍时间30min，浸渍后取出，105℃干燥1h；

(4)在悬浮液中补充投加纳米ZnO粉末，磁力搅拌30min；再次将第一次浸渍、干燥后的沸石进行第二次浸渍，浸渍时间30min，浸渍后取出，105℃干燥1h；如此对沸石进行四次重复浸渍和干燥，最后于马弗炉中400℃下煅烧1h，即得到负载型ZnO抗菌复合材料。

本发明制备的负载型ZnO抗菌复合材料，结合偶联法和浸渍法的优点，以硅酸钠作为粘结剂，利用悬浊液浸渍法制备ZnO/沸石复合材料，沸石表面均匀负载片状结构的ZnO层，ZnO晶型为单一结构的六方纤锌矿相。该抗菌复合材料能够有效地去除污废水中的致病菌，且易于回收再利用；同时该方法能够有效地使纳米ZnO粉末保持原有形貌，均匀地负载在沸石表面，这为粉末状抗菌剂的负载提供了一种途径。

附图说明

图1为本发明的负载型ZnO抗菌复合材料(以下简称ZnO/沸石复合材料)的制备工艺流程；

图2为负载在ZnO/沸石复合材料表面的抗菌剂ZnO的X射线衍射图谱；

图3为抗菌剂ZnO粉末、预处理过的沸石、ZnO/沸石复合材料的SEM(扫描电子显微镜)照片；其中，图(a-1)、图(a-2)、图(a-3)分别为抗菌剂ZnO经5000、10000、20000倍放大图，图(b-1)、图(b-2)、图(b-3)分别为ZnO/沸石复合材料经100、5000、10000倍放大图，图(c-1)、图(c-2)、图(c-3)分别为预处理过的沸石经100、5000、10000倍放大图；

图4为ZnO/沸石复合材料的抗菌性能测试结果；

图5为不同初始菌浓度条件下ZnO/沸石复合材料的抗菌活性。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

本发明针对TiO₂光催化效率低、粉末状抗菌材料难以回收、传统负载方法牢固性差、偶联剂易老化脱落等问题，结合浸渍法和偶联法的优点，以环境友好、原料丰富易得、且可在黑暗条件下有效杀灭细菌的ZnO为抗菌剂，以机械强度高、化学性质稳定的5～8mm的沸石颗粒为载体，以热稳定性好、粘结牢固的硅酸钠为粘结剂，利用悬浊液浸渍法制备出具有高抗菌活性的大粒径负载型ZnO抗菌复合材料(以下称ZnO/沸石复合材料)。

1.设备和试剂

(1)电热恒温鼓风干燥箱

(2)陶瓷纤维马弗炉

(3)X射线衍射仪

(4)扫描电子显微镜

(5)水浴恒温振荡器

(6)立式电热压力蒸汽灭菌锅

(7)台式小型高速冷冻离心机

(8)电热恒温培养箱

(9)纯水机

(10)微量移液器

(11)氧化锌

(12)硅酸钠

(13)营养琼脂

(14)LB肉汤

(15)吐温80

(16)磷酸二氢钾

(17)磷酸氢二钠

(18)氢氧化钠

(19)盐酸

(20)大肠杆菌(ATCC25922)

2.试剂配制

普通营养琼脂培养基的配制：称取3.3g营养琼脂培养基干粉溶于100mL水中，煮沸，高压蒸汽灭菌121℃，20min。

LB肉汤的配制：称取1gLB肉汤培养基干粉溶于40mL水中，煮沸，高压蒸汽灭菌121℃，20min。

磷酸盐缓冲液(PBS，0.03mol/L，pH7.2～7.4)的配制：称取2.83g磷酸氢二钠(Na₂HPO₄，无水)、1.36g磷酸二氢钾(KH₂PO₄)溶于1000mL蒸馏水中，高压蒸汽灭菌121℃，20min。

含0.1％(体积分数)吐温-80的磷酸盐缓冲液(PBS，0.03mol/L，pH7.2～7.4)的配制：称取2.83g磷酸氢二钠(Na₂HPO₄，无水)、1.36g磷酸二氢钾(KH₂PO₄)、1g非离子表面活性剂吐温-80溶于1000mL蒸馏水中，高压蒸汽灭菌121℃，20min。

3.制备方法：

按图1所示的工艺流程，本实施例给出一种负载型ZnO抗菌复合材料的制备方法，具体按下列步骤进行：

①沸石的预处理：

称取规格为5～8mm的原沸石颗粒，置于5％的冰醋酸溶液中浸泡30min，然后将酸化后的沸石放入超声波清洗仪中清洗20min，再反复用蒸馏水洗涤至中性，过滤，烘干至恒重，于干燥器中密封待用。

②ZnO悬浮液的配制：

准确称取8g粘结剂硅酸钠，充分溶解到80mL蒸馏水中，然后加入纳米ZnO粉末4g，磁力搅拌30min，使得纳米ZnO粉末在水中充分均匀分散，制得ZnO的悬浮浸渍液。

③沸石负载ZnO：

称取预处理过的沸石50g，浸渍于②中配制的ZnO悬浮浸渍液中30min，过滤，105℃干燥1h，再在滤后的浸渍液中继续投加纳米ZnO粉末1g，磁力搅拌30min，继续对第一次浸渍、干燥后的沸石进行第二次浸渍30min，取出，105℃干燥1h，如此共重复四次。最后在马弗炉中400℃煅烧1h，即可得到ZnO/沸石复合材料。

4.材料的表征

以Cu靶Kα线为辐射源，加速电压和应用电流分别为40kV和40mA，扫描范围为20°～80°，采用德国Bruker公司D8Advance型X射线粉末衍射仪对ZnO/沸石复合材料表面的抗菌剂ZnO进行X射线衍射图谱测定分析。采用日本JOEL公司生产的JSM-6700F冷场发射扫描电子显微镜对制备ZnO/沸石复合材料所用的前驱物ZnO和制备出的ZnO/沸石复合材料的表面形貌进行观察，分析时加速电压为5kV。采用Zeta电位仪对制备负载材料所用的前驱物纳米ZnO粉末进行粒径分析，测定时称取一定量纳米ZnO粉末分散在含0.1％吐温-80PBS中，配制成5g/L的悬浮液，超声混匀30min后进行测定。

图2为负载在ZnO/沸石复合材料表面的抗菌剂ZnO的X射线衍射图谱，由图可以看出，负载在材料表面的ZnO粉末的XRD谱图中的峰位与六方晶系纤锌矿结构的ZnO(结构索引卡片No.36-1451)相吻合，分别对应六方晶系纤锌矿结构的(100)、(002)、(101)、(102)、(110)、(103)、(200)、(112)、(201)、(004)、(202)晶面，没有任何杂质峰出现，且衍射峰尖锐，说明负载在材料表面的为纤锌矿结构的ZnO。

图3为抗菌剂ZnO粉末、预处理过的沸石、ZnO/沸石复合材料的SEM照片，由图可以看出，预处理过的沸石表面粗糙不平，有较多孔隙，为抗菌剂的负载提供了较大的比表面积，ZnO/沸石复合材料表面呈现不规则的片状结构。对比图(b-2)、(b-3)与(a-1)、(a-2)可以发现，ZnO/沸石复合材料表面的片状结构与抗菌剂ZnO粉体的表面形貌一致，说明经过反复浸渍、干燥、煅烧后，负载在沸石上的ZnO形貌并未发生改变，且没有因为粘结剂的存在而发生团聚结块现象。

此外，利用Zeta电位仪对抗菌剂ZnO粉末的粒径大小进行测定。准确称取一定量ZnO粉末分散在含0.1％吐温-80PBS中，配制成5g/L的悬浮液，超声混匀30min后进行测定。结果显示，ZnO粉体的平均粒径为27.65nm，与SEM图像基本吻合。

5.抗菌性能测试

以大肠杆菌(ATCC25922)为受试菌种，抗菌性能测试的步骤依据“纳米无机材料抗菌性能检测方法”(GB/T21510-2008)进行。

采用悬浊液浸渍法制备ZnO/沸石复合材料，以及硅酸钠/沸石复合材料(不含ZnO)。以95mL含0.1％吐温-80PBS加5mL菌液作为空白对照，其它两组分别加入ZnO/沸石复合材料和硅酸钠/沸石复合材料，进行抗菌性能测试。菌液初始浓度为10⁵CFU/mL，体积为100mL，ZnO/沸石复合材料的投加量约为20g，在150r/min、37℃条件下振荡接触4h，分别在0h接触时间和振荡接触4h后测总菌落数和活菌数，并按照下式计算除菌率。

$R=\frac{A-B}{A}\×100\%$

式中：R——除菌率，％；

A——空白样振荡接触4h后平均回收菌数，单位为CFU/mL；

B——试验样品与受试菌接触4h后平均回收菌数，单位为CFU/mL。

结果如图4所示，由图可以看出，经4h振荡接触后对照组回收菌落数高于0h接触时间回收菌落数的10％，故实验有效；制备出的ZnO/沸石复合材料有良好的除菌效果；将仅粘附有硅酸钠的沸石投入菌液中，除菌率仅有10.57％，可以看出粘结剂硅酸钠和沸石并无明显的抗菌作用，主要起作用的是抗菌剂ZnO。

另外，在不同初始菌浓度10⁵、10⁶、10⁷、10⁸CFU/mL的条件下进行抗菌性能测试，结果如图5所示。由图可以看出，ZnO/沸石复合材料对浓度在10⁵～10⁸CFU/mL之间的菌液均有较高的灭活效果，初始菌浓度在10⁵～10⁷CFU/mL之间时，ZnO/沸石复合材料的对数灭活率随初始菌浓度的增加而增加，继续增加菌浓度至10⁸CFU/mL时，灭活率才有所下降。这说明该材料具有良好的抗菌性，可应用于地表水、再生水以及污废水的消毒处理中。

本发明所制备的ZnO/沸石抗菌复合材料以及负载方法的显著优势在于：

(1)制备方法简单经济

制备ZnO/沸石复合材料的前驱物为纳米ZnO粉末和沸石，原料来源广泛、价格低廉，且制备过程仅涉及简单的搅拌混合、过滤、热处理等操作，操作过程简单，便于推广应用。

(2)在黑暗或光照条件下均可应用

大量研究表明，ZnO在黑暗和光照条件下均有较好的除菌效果，故以纳米ZnO作为抗菌剂所制备的负载材料可不受光照条件制约，实施例可以证明抗菌效果，这有助于推广活性氧化物抗菌材料的应用。

(3)负载均匀牢固

以无机物硅酸钠为粘结剂来制备负载材料，硅酸钠的存在提高了分散液的稳定性以及负载的牢度，同时克服了有机偶联剂长期使用会老化脱落的问题，又结合浸渍法的悬浊液浸渍方式，使抗菌剂均匀牢固负载。

(3)抗菌活性高

通过悬浊液浸渍法制备出的ZnO/沸石抗菌复合材料对细菌含量在10⁵～10⁸CFU/mL之间的水样均有较高的灭活效果，最高可达6.64-log。

(4)粒径大，使用方便、易于回收再利用

通过悬浊液浸渍法制备出的ZnO/沸石复合材料粒径大小为5～8mm，可以直接作为填料、垫层等，便于在水处理中使用及回收。

Claims (4)

1.一种负载型ZnO抗菌复合材料的制备方法，其特征在于，该方法将预处理的沸石置入ZnO悬浮液中多次浸渍，浸渍后干燥，然后置于马弗炉中400℃下煅烧1h，得到负载型ZnO抗菌复合材料。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，具体按下列步骤制备：

(1)沸石的预处理：将规格为5～8mm的沸石，置于浓度为5％的冰醋酸溶液中浸泡30min，然后将浸泡后的原沸石过滤，超声清洗20min，再用蒸馏水反复洗涤至中性，烘干；

(2)ZnO悬浮液的配制：准确称取硅酸钠8g，充分溶解到80mL蒸馏水中，然后在其中加入纳米ZnO粉末4g，磁力搅拌30min，使得纳米ZnO粉末在蒸馏水中充分均匀分散，制得ZnO的悬浮液；

(3)沸石负载ZnO：将适量预处理过的沸石浸渍于步骤(2)所配制的ZnO悬浮液中，浸渍时间30min，浸渍后取出，105℃干燥1h；

(4)在滤后的浸渍液中补充投加纳米ZnO粉末，磁力搅拌30min；再次将第一次浸渍、干燥后的沸石进行第二次浸渍，浸渍时间30min，浸渍后取出，105℃干燥1h；如此对沸石进行四次重复浸渍和干燥，最后于马弗炉中400℃下煅烧1h，即得到负载型ZnO抗菌复合材料。

3.权利要求1和2所述方法制备的负载型ZnO抗菌复合材料。

4.如权利要求3所述的负载型ZnO抗菌复合材料，其特征在于，所述的沸石表面均匀负载片状结构ZnO层，ZnO的晶型为单一结构的六方纤锌矿相。