CN106334520A - 一种基于纳米ZnO的抗菌净水活性炭及其制备方法和应用 - Google Patents

一种基于纳米ZnO的抗菌净水活性炭及其制备方法和应用 Download PDF

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刘洪均
张瑾
姜晓宇
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Abstract

本发明涉及一种基于纳米ZnO的抗菌净水活性炭及其制备方法和应用。本发明中纳米ZnO抗菌活性炭的制备方法主要包括称取纳米氧化锌及活性炭，将纳米氧化锌溶于适量的氨水中，搅拌并适量加入助剂至完全溶解，加热至一定温度后，将已称量的活性炭加入上述溶有纳米氧化锌的氨水溶液中浸泡0.5～5.5h，过滤后烘干，即得基于纳米ZnO的抗菌净水活性炭。本发明中的纳米ZnO抗菌活性炭，有优良的抗菌性能、可靠的安全性(未有溶出物超标)、优良的长效性，长效避免净水活性炭滋生微生物，将其运用于净水产品与工程中，解决净水产品出水细菌及亚硝酸盐超标的行业问题。

Description

一种基于纳米ZnO的抗菌净水活性炭及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于水净化领域，具体是一种基于纳米ZnO的抗菌净水活性炭及其作为抗菌过滤材料在净水产品和工程中的应用，用于解决普通抗菌净水活性炭的安全性及长效性问题，进而全方位解决净水产品中出水菌落超标与亚硝酸盐超标的问题。
背景技术
近年来，由于我国水污染严重，社会大众的健康意识普遍增强，我国净水行业快速发展，潜在的市场规模巨大，预计将达4000亿元，有媒体称这是21世纪家电行业的最后一块蛋糕。活性炭作为优良的吸附材料，它能除去水中的许多有毒、有害物质，已经被广泛应用与各类净水产品中。
然而，我们需要看到的是净水行业在快速发展的过程中所面临的两大问题便是净水产品出水菌落及亚硝酸盐超标，根据媒体报道及行内技术信息交流显示，当前净水器出水菌落总数通常介于103-105CFU/毫升，有的净水产品在经过一段时间使用后亚硝酸盐含量竟然是普通自来水的8倍。特别需要指出的是：我国《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)中明确规定生活饮用水中菌落总数必须低于100CFU/毫升、亚硝酸盐的含量必须低于0.3mg/L。
行业普遍认为，净水器出水菌落总数严重超标的原因为：
1)净水器为了改善出水口感问题，常常采用活性炭滤料置于出水端，活性炭具有强大的吸附功效，经过一段时间后，内部吸附了大量的有机物，在前端滤膜遭受微生物污染时，活性炭中微生物快速繁殖，造成出水菌落超标；
2)净水器常常与出水龙头直接相连，但净水器不在使用时，空气中大量的微生物会通过水龙头逆向生长，对净水器中的活性炭造成污染，从而导致净水器出水菌落超标。
净水器出水亚硝酸盐超标的原因：活性炭在各类微生物(细菌等)的综合催化作用下，水中蛋白性杂质被分解成肽、氨基酸等，最后形成氨，是有机性氮素化合物逐渐分解成较简单的无机性氮素化合物的氨化过程：
蛋白质→肽→氨基酸......→氨
亚硝酸盐是氨转化成硝酸盐过程的中间产物，若水中有足够的氧，在有亚硝化细菌和硝化细菌的作用下，氨继续氧化分解成亚硝酸盐和硝酸盐，是一种氨的硝化过程，此过程分两个阶段完成：
当净水器或者饮水机中的溶解氧(DO)不足时，厌氧菌中反硝化细菌通过反硝化作用将NO3 -转化为NO2 -，亚硝化细菌比硝化细菌多而且占优势，可使氨的硝化过程进行到第一阶段为止，反之，当净水器或者饮水机中的溶解氧(DO)较高时，硝化细菌即占优势，反硝化细菌的生长即可受到抑制。
据相关资料报导，炭吸附水中氨的硝化作用(第二阶段)通常在三个月后完成，另一方面，原水经活性炭滤芯后，游离性余氯被除去，一部分NH4 +在微生物的作用下，转化成亚硝酸，导致出水中亚硝酸盐超标。
众所周知，亚硝酸盐具有致畸、致癌、致甲状腺肿大等危害。大剂量的亚硝酸盐能够引起高铁血红蛋白症，导致组织缺氧，还可使血管扩张血压降低。人体摄入0.2克～0.5克即可引起中毒，3克可致死。
亚硝酸盐使人体中毒有两条途径：
1)亚硝酸盐为强氧化剂，进人人体后，可使血中低铁血红蛋白氧化成高铁血红蛋白，失去运氧的功能，致使组织缺氧，出现青紫而中毒，轻者头昏、心悸、呕吐、口舌青紫，重者神志不清、抽搐、呼吸急促，抢救不及时可危及生命。
2)亚硝酸盐在人体内外与仲胺类作用形成亚硝胺类，其在人体内达到一定剂量时是致癌、致畸、致突变的物质，可严重危害人体健康。
为此，我们可以看到解决净水行业微生物二次污染问题的核心是发展抗菌型活性炭，避免活性炭滋生细菌，防止出水菌落数超标；同时阻断亚硝酸盐产生路径，从而避免净水产品出水亚硝酸盐超标。
当前，市场上出现的抗菌型活性炭为载银活性炭，其基本工艺为将活性炭在硝酸银中经过浸泡烘干处理所得，此法制得的载银活性炭面临出水银含量超标及银泄露导致不具有长效性两大问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处而提供一种基于纳米ZnO的抗菌净水活性炭及其制备方法和应用，用于解决载银活性炭的安全性及长效性，进而解决净水产品出水菌落超标的问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种基于纳米ZnO的抗菌活性炭的制备方法，所述方法包括以下步骤：
(1)称取纳米氧化锌及活性炭；
(2)将纳米氧化锌溶于适量的氨水中，搅拌并加入适量双氧水至完全溶解，并加热到30～100℃后，将活性炭加入上述溶有纳米氧化锌的氨水中浸泡0.5～5.5h；
(3)过滤后烘干，即得基于纳米ZnO的抗菌活性炭。
优选的，所述纳米氧化锌与活性炭的质量比为1：500～1：2000；更优选的，所述纳米氧化锌与活性炭的质量比为1：1000。
优选的，所述步骤(2)中，在氨水中的浸泡时间为2h。
优选的，所述步骤(3)中，在60℃～150℃的干燥箱中烘干。优选的，所述活性炭为果壳活性炭、椰壳活性炭、木质活性炭、煤质活性炭，还可以包括颗粒活性炭、粉末活性炭或烧结碳棒。
更优选的，所述活性炭为颗粒活性炭、粉末活性炭或烧结碳棒。
本发明采用化学浴沉积法制备基于纳米氧化锌的抗菌净水活性炭，将固体粉末氧化锌溶于氨水溶液中，常压加热浸泡得到纳米氧化锌前驱体，加热分解即得固载颗粒纳米氧化锌的抗菌活性炭，此方法工艺简单，原料利用高，有利于工业化生产。通过此法制备可将纳米ZnO颗粒结合在活性炭的多孔表面，活性炭上诸多的-OH基团可与纳米ZnO形成牢固的螯合作用，从而稳固的将本发明制备的基于纳米ZnO的抗菌净水活性炭应用于净水行业，其具有超低溶出物，即可保证出水安全性与抗菌长效性，且不影响活性炭的吸附性。
本发明还提供一种基于纳米ZnO的抗菌活性炭，由上述方法制得。
本发明还进一步提供了一种通过上述方法制得的纳米氧化锌抗菌活性炭在净水产品中的使用。
本发明是为解决当前净水器出水菌落超标的而开发的一种基于纳米ZnO的抗菌净水活性炭，其被应用于净水产品中，一方面避免活性炭自生滋生微生物，另一方面对前端来水中可能含有的过量细菌过滤、吸附并杀灭，同时阻断净水产品中亚硝酸的形成路径，从而彻底解决净水器出水细菌超标及亚硝酸盐超标的问题。通过本发明制备的纳米ZnO抗菌净水活性炭，有优良的抗菌性、可靠的安全性、优良的长效性，避免活性炭自身滋生细菌，从而帮助解决净水器出水细菌及亚硝酸盐超标的行业问题。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1为本发明纳米ZnO抗菌净水活性炭扫描电子时显微镜照片。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
当前市场上出现的抗菌型活性炭为载银活性炭，其基本工艺为将活性炭在硝酸银中经过浸泡烘干处理所得，此法制得的载银活性炭面临出水银含量超标及银泄露导致不具有长效性两大问题。为此，本发明公开了一种基于纳米ZnO的抗菌净水活性炭，通过本发明的技术方案，将纳米氧化锌固载到活性炭上，可有效解决上述问题。
基于纳米ZnO的抗菌净水活性炭的制备方法：
实施例1：
以1:500的质量比称取纳米氧化锌及颗粒活性炭，将氧化锌以1g/100ml的比例溶于适量的氨水中，搅拌并加入适量10ml双氧水至完全溶解，并加热至50℃后，将已称量的活性炭加入上述溶有氧化锌的氨水溶液中浸泡1h，过滤后放于150℃的真空干燥箱烘干即得基于纳米ZnO的抗菌净水活性炭。
实施例2：
以1:1000的质量比称取纳米氧化锌及颗粒活性炭，将氧化锌以1g/100ml的比例溶于适量的氨水中，搅拌并加入适量10ml双氧水至完全溶解，并加热至50℃后，将已称量的活性炭加入上述溶有氧化锌的氨水溶液中浸泡1h，过滤后放于150℃的真空干燥箱烘干即得基于纳米ZnO的抗菌净水活性炭。
实施例3：
以1:1700的质量比称取纳米氧化锌及颗粒活性炭，将氧化锌以1g/100ml的比例溶于适量的氨水中，搅拌并加入适量10ml双氧水至完全溶解，并加热至50℃后，将已称量的活性炭加入上述溶有氧化锌的氨水溶液中浸泡1h，过滤后放于150℃的真空干燥箱烘干即得基于纳米ZnO的抗菌净水活性炭。
实施例4：
以1:1000的质量比称取纳米氧化锌及粉末活性炭，将氧化锌溶于适量的氨水中，搅拌并加入适量双氧水至完全溶解，并加热至50℃后，将已称量的活性炭加入上述溶有氧化锌的氨水溶液中浸泡2h，过滤后放于110℃的真空干燥箱烘干即得基于纳米ZnO的抗菌净水活性炭。
实施例5：
以1:1700的质量比称取纳米氧化锌及果壳活性炭，将氧化锌溶于适量的氨水中，搅拌至完全溶解，并加热至50℃后，将已称量的活性炭加入上述溶有氧化锌的氨水溶液中浸泡5h，过滤后放于90℃的真空干燥箱烘干即得基于纳米ZnO的抗菌净水活性炭。
实施例7：
以1:1000的质量比称取纳米氧化锌及粉末活性炭，将氧化锌溶于适量的氨水中，搅拌并加入适量双氧水至完全溶解，并加热至40℃后，将已称量的活性炭加入上述溶有氧化锌的氨水溶液中浸泡3h，过滤后放于60℃的真空干燥箱烘干即得基于纳米ZnO的抗菌净水活性炭。
实施例8：
以1:1000的质量比称取纳米氧化锌及粉末活性炭，将氧化锌溶于适量的氨水中，搅拌并加入适量双氧水至完全溶解，并加热至60℃后，将已称量的活性炭加入上述溶有氧化锌的氨水溶液中浸泡4h，过滤后放于120℃的真空干燥箱烘干即得基于纳米ZnO的抗菌净水活性炭。
实施例9：
以1:1000的质量比称取纳米氧化锌及粉末活性炭，将氧化锌溶于适量的氨水中，搅拌并加入适量双氧水至完全溶解，并加热至60℃后，将已称量的活性炭加入上述溶有氧化锌的氨水溶液中浸泡2h，过滤后放于120℃的真空干燥箱烘干即得基于纳米ZnO的抗菌净水活性炭。
实施例10：
以1:1000的质量比称取纳米氧化锌及粉末活性炭，将氧化锌溶于适量的氨水中，搅拌并加入适量双氧水至完全溶解，并加热至40℃后，将已称量的活性炭加入上述溶有氧化锌的氨水溶液中浸泡2h，过滤后放于60℃的真空干燥箱烘干即得基于纳米ZnO的抗菌净水活性炭。
实施例11：
以1:1000的质量比称取纳米氧化锌及粉末活性炭，将氧化锌溶于适量的氨水中，搅拌并加入适量双氧水至完全溶解，并加热至30℃后，将已称量的活性炭加入上述溶有氧化锌的氨水溶液中浸泡2h，过滤后放于70℃的真空干燥箱烘干即得基于纳米ZnO的抗菌净水活性炭。
表一：不同添加比例的纳米ZnO的抗菌净水活性炭抗菌测试
氧化锌与活性炭质量比 抗菌率(％)
1:500 91.99
1:1000 99.99
1:1700 99.18
表二：相同比例不同温度纳米ZnO的抗菌净水活性炭抗菌测试
添加比例1:1000
温度(℃) 抗菌率(％)
30 98.08
40 99.21
50 99.99
60 99.99
选择最佳添加比例1:1000，反应温度50℃，性能测试如下：
表三：基于纳米ZnO的抗菌净水活性炭性能指标测试如下表：
分析项目 结果
碘吸附值 1106mg/g
强度 95％
目数 8-16目
灰份 1.45％
水份 4.6％
PH值 6.7
基于纳米ZnO的抗菌净水活性炭的长效性测试
取一台普通家用反渗透净水器，将其后置T33取下，将装有基于纳米ZnO的抗菌净水活性炭的T33安装于此净水器上，对基于纳米ZnO的抗菌净水活性炭进行安全性和长久性测试，每日出水100L，跟踪70天，分别在2000L、5000L、7000L取样进行测试，其出水含锌量均小于国家饮用水标准(1.0mg/L)，显示基于纳米ZnO的抗菌净水活性炭解决载银活性炭的安全性及长效性，从而解决净水器出水超标的问题。
表四：基于纳米ZnO的抗菌净水活性炭安全性测试
备注：
1.Zn元素的MDL为0.05mg/L；
2.硝酸盐的MDL为0.2mg/L；
3.亚硝酸盐的MDL为0.1mg/L；
4.N.D表示测试结果小于MDL。
表五：基于纳米ZnO的抗菌净水活性炭长效性测试
以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于纳米ZnO的抗菌净水活性炭的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：
(1)称取纳米氧化锌及活性炭；
(2)将纳米氧化锌溶于适量的氨水中，搅拌并加入双氧水至完全溶解，并加热到30～100℃后，将活性炭加入上述溶有纳米氧化锌的氨水中浸泡0.5～5.5h；
(3)过滤后烘干，即得基于纳米ZnO的抗菌活性炭。
2.根据权利要求1所述的一种基于纳米ZnO的抗菌活性炭制备方法，其特征在于：步骤(1)中纳米氧化锌与活性炭的质量比为1：500～1：2000。
3.根据权利要求2所述的一种基于纳米ZnO的抗菌活性炭的制备方法，其特征在于：所述纳米氧化锌与活性炭的质量比为1：1000。
4.根据权利要求1所述的一种基于纳米ZnO的抗菌活性炭的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，加热到50℃。
5.根据权利要求1所述的一种基于纳米ZnO的抗菌活性炭的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，在氨水中的浸泡时间为2h。
6.根据权利要求1所述的一种基于纳米ZnO的抗菌活性炭的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中在60℃～150℃的干燥箱中烘干。
7.根据权利要求1～6任一项所述的一种基于纳米ZnO的抗菌活性炭的制备方法，其特征在于：所述活性炭为果壳活性炭、椰壳活性炭、木质活性炭或煤质活性炭。
8.根据权利要求7所述的一种基于纳米ZnO的抗菌活性炭的制备方法，其特征在于：所述活性炭为颗粒活性炭、粉末活性炭或烧结碳棒。
9.一种采用如权利要求1～8任一所述制备方法制备得到的纳米ZnO抗菌活性炭。
10.如权利要求9所述的纳米ZnO抗菌活性炭作为抗菌剂在净水产品与工程中的应用。
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