CN106673124A - 一种光催化法杀灭污水中细菌的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光催化法去除水中细菌的方法，具体是一种在模拟太阳光照射条件下利用(CuAg)0.15In0.3Zn1.4S2四元硫化物为光催化剂杀灭水中细菌的方法。本发明的目的是解决现有去除水中细菌方法存在的耗时长和成本高的问题。本发明方法包括如下步骤：(1)将光催化剂和含有细菌的污水混合搅拌；(2)使用氙灯照射污水；(3)采用平板计数法测量细菌的死亡率。大肠杆菌的光催化灭菌实验结果表明，本发明的方法能够高效快速去除污水中的大肠杆菌，并且具有能耗低、操作简单、效果明显和杀菌时间短等优点，在污水净化和废水处理中具有十分广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种高效快速杀灭水中大肠杆菌的方法，更具体地说，涉及一种利用(CuAg)0.15In0.3Zn1.4S2四元硫化物为光催化剂在模拟太阳光照射条件下消除水中大肠杆菌污染的方法，属于环境光催化技术领域。
背景技术
大肠杆菌作为自然界的常在细菌而大量存在，是人和许多动物肠道中最主要且数量最多的一种细菌，主要寄生在大肠内。大肠杆菌能够随人畜粪便的排放进入天然水体。大多数大肠杆菌对人体无害，但是致病性大肠杆菌经饮用水被人体摄取后，可引起感染，如腹膜炎、胆囊炎、膀胱炎及腹泻等。人感染大肠杆菌后能够引起胃痛、呕吐、腹泻和发热等症状。由于其常与病毒、球虫或其他细菌合并感染，或继发其他疾病，使治疗难度加大。由于致病性大肠杆菌的存在及耐药性的问题日趋严重，开发出更多安全、高效和快速的杀灭水中大肠杆菌的方法是以后科研的主要趋势和方向。
传统灭菌方法主要有三种：紫外线灭菌、试剂灭菌和加热灭菌。紫外线的穿透能力小，在照射不到的地方消毒效果很差，其杀菌能力随着使用时间的增加而减少，而且灯管寿命短，更换过于频繁，运行费用较高。化学试剂灭菌，剩余的药品直接排入大气，造成对周围环境的污染，需要空调长时间置换新风，从而增加了能耗。例如，环氧乙烷具有强大的杀菌作用，且杀菌谱广，但是该种方法灭菌时间相对较长，环氧乙烷气体易燃易爆，灭菌后有残余毒性，需要通风散气后才能使用。加热灭菌主要存在温度高和能耗大的缺点，对抗性较强的细菌杀菌效果不明显。臭氧灭菌具有杀菌彻底、无死角和杀菌广谱等优点，但是臭氧对人体呼吸道粘膜具有刺激作用，易分解，在使用过程中应该防止泄漏。微波消毒具有加热速度快、不污染环境和不留残毒等优势。但微波直接照射对人体有损害作用，并且微波产生的高能量容易导致炭化。电离辐射灭菌方法穿透力强、杀菌彻底、效果可靠，且灭菌后物品可长时间保存。但该方法耗时较长，一次性投资较大，且射线对人体有伤害作用。
近年来，利用光催化方法杀灭水中大肠杆菌的技术引起了研究学者的广泛关注。当纳米级光催化剂在光子能量大于带隙的光照下，能够产生导带电子(e-)和价带空穴(h+)。e-能够将氧气分子还原为超氧阴离子自由基(O2 ·-)。h+能够将H2O或者OH-氧化为羟基自由基(·OH)。O2 ·-能够经过一系列的光化学反应产生单线态氧(1O2)和过氧化氢。其中，·OH是一种氧化能力极强的自由基，能够高效破坏许多生物大分子，包括糖类、核酸、脂肪和蛋白质等。1O2能够不可逆的破坏生物组织，导致生物膜的氧化和降解。虽然O2 ·-不是很强的氧化剂，但是转化为毒性很强的·OH和1O2后也能够对生物体产生毒性作用。因此，利用纳米光催化剂在光照下产生的活性氧自由基对水中的大肠杆菌进行处理，能够达到净化水体的目的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种以(CuAg)0.15In0.3Zn1.4S2四元硫化物为光催化剂在模拟太阳光照射条件下杀灭污水中细菌的方法，该方法设计简单，能耗低，可实现高效快速杀灭水中大肠杆菌的目的。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种光催化法杀灭污水中细菌的方法，其特征在于：在模拟太阳光照射下利用光催化剂产生活性氧自由基，对细菌污水进行净化；其中，所述方法包括如下步骤：
1)将含有细菌的污水分散于磷酸盐缓冲溶液中得到待处理的细菌污水；
2)向玻璃容器中添加所述容器容积的三分之二量的细菌污水；
3)向所述细菌污水中加入光催化剂溶液，得到混合体系；
4)将上述混合体系在避光条件下进行超声处理，使所述光催化剂均匀分散于所述细菌污水中，得到混合溶液；
5)采用氙灯照射所述混合溶液，在搅拌条件下进行灭菌处理，同时所述混合溶液的温度通过水浴保持恒温；
6)定期抽取样品，稀释后统计菌落数，计算细菌的死亡率，至满足处理要求后，停止步骤5)的处理。
进一步的，所述细菌为大肠杆菌。
进一步的，所述步骤1)中，所述磷酸盐缓冲溶液的浓度为2毫摩/升，pH＝7.2。
进一步的，所述步骤2)中，所述细菌污水中细菌的初始浓度是105-107CFU/毫升。
进一步的，所述步骤3)中，所述的光催化剂为(CuAg)xIn2xZn2(1-2x)S2四元硫化物，其在所述混合体系中添加浓度为100-500毫克/升。优选所述光催化剂为(CuAg)0.15In0.3Zn1.4S2四元硫化物，优选浓度为300毫克/升。该种催化剂在模拟太阳光照射下能够产生最多的羟基自由基，因此对细菌具有最高的抗菌活性。更高浓度的催化剂虽然能够提供更多与细菌接触的表面积，但同时催化剂的散射作用导致光照穿透反应体系的深度降低，从而降低了光催化剂对细菌的抗菌活性。
进一步的，所述步骤4)中，所述超声处理的时间为5-15分钟，优选时间为10分钟。短时间无法使催化剂充分分散于细菌污水中，超声时间过长能够引起光催化剂释放金属离子，导致抗菌活性降低。
进一步的，所述步骤5)中，所述氙灯的波长为300-800纳米、功率为300瓦，所述搅拌的速率为600转/分钟，所述水浴的温度为(20±2)℃，灭菌处理的时间为1-3小时，优选时间为2小时。参见附图所示，处理时间短于1小时，无法达到最高的抗菌率。处理时间3小时后，细菌的死亡率达到最大值，因此最长光照时间为3小时。使用水浴保持反应体系的温度，该温度下光催化剂具有最优的抗菌活性。
本发明中，所采用的光催化装置由直流电源、镇流器和氙灯组成，其他部件包括石英反应器、水浴锅和磁力搅拌器等，所用部件均可从相关设备供应商获得，也可自行设计搭建。
本发明所采用的四元硫化物具有很高的光催化活性，能吸收更广的可见光范围、性能稳定，可作为一种新型的杀菌光催化剂。
本发明提供的对大肠杆菌活性的分析方法如下：
在光照一定时间后取样，稀释100倍，然后将50微升样品涂于琼脂板上(Sautons液体培养基，加入1.5％琼脂)，每个稀释的样品均涂5个平行板，在37℃下过夜培养，统计光催化剂暴露的存活细菌数量(Nt)和相同实验条件下没有光催化剂暴露的存活细菌数量(N0)。灭菌效果使用细菌的死亡率表示，计算方法为(1-Nt/N0)×100％。
本发明提供的在模拟太阳光照射条件下光催化净化污水中大肠杆菌的方法具有如下优点：
1.采用光能杀灭水中大肠杆菌，高效利用清洁能源；
2.能够高效快速去除水中大肠杆菌的污染；
3.该方法流程短、操作简单、抗菌效率高，在污水净化和废水处理中具有广阔的应用前景；
该方法在光催化剂用量为500毫克/升处理100毫升初始浓度为107CFU/毫升的大肠杆菌污水2小时后，固体培养基上几乎观察不到存活的细菌，并且光催化剂能在不降低催化效果的前提下重复使用5次以上。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为在E.coli初始浓度为106CFU/毫升，反应体系100毫升不同初始浓度的(CuAg)0.15In0.3Zn1.4S2四元硫化物光催化剂在模拟太阳光照射条件下细菌的死亡率-时间曲线。
具体实施方式
下面将更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然列举了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
实施例1
将含细菌的污水分散于100毫升浓度为2毫摩/升的磷酸盐缓冲溶液(pH＝7.2)，使得E.coli初始浓度为107CFU/毫升，加入10毫克(CuAg)0.15In0.3Zn1.4S2四元硫化物粉体。将混合液超声5分钟，使光催化剂在溶液中完全分散。然后用300瓦氙灯(波长是300-800纳米)进行照射，光照过程中以600转/分钟进行磁力搅拌以使反应液均匀，反应液的温度通过水浴保持在(20±2)℃。光照2小时后取样，稀释100倍，然后将50微升样品涂于琼脂板上(Sautons液体培养基，加入1.5％琼脂)，每个稀释的样品均涂5个平行板，在37℃下过夜培养。统计催化剂暴露的存活细菌数量和相同实验条件下没有催化剂暴露的存活细菌数量。结果表明，反应进行2小时后，大肠杆菌的死亡率为78.2％。
实施例2
将含细菌的污水分散于100毫升浓度为2毫摩/升的磷酸盐缓冲溶液(pH＝7.2)，使得E.coli初始浓度为107CFU/毫升，加入20毫克(CuAg)0.15In0.3Zn1.4S2四元硫化物粉体。将混合液超声5分钟，使光催化剂在溶液中完全分散。然后用300瓦氙灯(波长是300-800纳米)进行照射，光照过程中以600转/分钟进行磁力搅拌以使反应液均匀，反应液的温度通过水浴保持在(20±2)℃。光照2小时后取样，稀释100倍，然后将50微升样品涂于琼脂板上(Sautons液体培养基，加入1.5％琼脂)，每个稀释的样品均涂5个平行板，在37℃下过夜培养。统计催化剂暴露的存活细菌数量和相同实验条件下没有催化剂暴露的存活细菌数量。结果表明，反应进行2小时后，大肠杆菌的死亡率为84.6％。
实施例3
将含细菌的污水分散于100毫升浓度为2毫摩/升的磷酸盐缓冲溶液(pH＝7.2)，使得E.coli初始浓度为106CFU/毫升，加入20毫克(CuAg)0.15In0.3Zn1.4S2四元硫化物粉体。将混合液超声5分钟，使光催化剂在溶液中完全分散。然后用300瓦氙灯(波长是300-800纳米)进行照射，光照过程中以600转/分钟进行磁力搅拌以使反应液均匀，反应液的温度通过水浴保持在(20±2)℃。光照2小时后取样，稀释100倍，然后将50微升样品涂于琼脂板上(Sautons液体培养基，加入1.5％琼脂)，每个稀释的样品均涂5个平行板，在37℃下过夜培养。统计催化剂暴露的存活细菌数量和相同实验条件下没有催化剂暴露的存活细菌数量。结果表明，反应进行2小时后，大肠杆菌的死亡率为90.3％。
实施例4
将含细菌的污水分散于100毫升浓度为2毫摩/升的磷酸盐缓冲溶液(pH＝7.2)，使得E.coli初始浓度为106CFU/毫升，加入40毫克(CuAg)0.15In0.3Zn1.4S2四元硫化物粉体。将混合液超声5分钟，使光催化剂在溶液中完全分散。然后用300瓦氙灯(波长是300-800纳米)进行照射，光照过程中以600转/分钟进行磁力搅拌以使反应液均匀，反应液的温度通过水浴保持在(20±2)℃。光照2小时后取样，稀释100倍，然后将50微升样品涂于琼脂板上(Sautons液体培养基，加入1.5％琼脂)，每个稀释的样品均涂5个平行板，在37℃下过夜培养。统计催化剂暴露的存活细菌数量和相同实验条件下没有催化剂暴露的存活细菌数量。结果表明，反应进行2小时后，大肠杆菌的死亡率为98.6％。
实施例5
将含细菌的污水分散于100毫升浓度为2毫摩/升的磷酸盐缓冲溶液(pH＝7.2)，使得E.coli初始浓度为105CFU/毫升，加入50毫克(CuAg)0.15In0.3Zn1.4S2四元硫化物粉体。将混合液超声5分钟，使光催化剂在溶液中完全分散。然后用300瓦氙灯(波长是300-800纳米)进行照射，光照过程中以600转/分钟进行磁力搅拌以使反应液均匀，反应液的温度通过水浴保持在(20±2)℃。光照1小时后取样，稀释100倍，然后将50微升样品涂于琼脂板上(Sautons液体培养基，加入1.5％琼脂)，每个稀释的样品均涂5个平行板，在37℃下过夜培养。统计催化剂暴露的存活细菌数量和相同实验条件下没有催化剂暴露的存活细菌数量。结果表明，反应进行1小时后，大肠杆菌的死亡率为99.5％。
对比例1
将含细菌的污水分散于100毫升浓度为2毫摩/升的磷酸盐缓冲溶液(pH＝7.2)，使得E.coli初始浓度为108CFU/毫升，加入100毫克(CuAg)0.15In0.3Zn1.4S2四元硫化物粉体。将混合液超声5分钟，使光催化剂在溶液中完全分散。然后用300瓦氙灯(波长是300-800纳米)进行照射，光照过程中以600转/分钟进行磁力搅拌以使反应液均匀，反应液的温度通过水浴保持在(20±2)℃。光照3小时后取样，稀释100倍，然后将50微升样品涂于琼脂板上(Sautons液体培养基，加入1.5％琼脂)，每个稀释的样品均涂5个平行板，在37℃下过夜培养。统计催化剂暴露的存活细菌数量和相同实验条件下没有催化剂暴露的存活细菌数量。结果表明，反应进行3小时后，大肠杆菌的死亡率为36.8％。
对比例2
将含细菌的污水分散于100毫升浓度为2毫摩/升的磷酸盐缓冲溶液(pH＝7.2)，使得E.coli初始浓度为105CFU/毫升，加入50毫克(CuAg)0.05In0.1Zn1.8S2四元硫化物粉体。将混合液超声5分钟，使光催化剂在溶液中完全分散。然后用300瓦氙灯(波长是300-800纳米)进行照射，光照过程中以600转/分钟进行磁力搅拌以使反应液均匀，反应液的温度通过水浴保持在(20±2)℃。光照3小时后取样，稀释100倍，然后将50微升样品涂于琼脂板上(Sautons液体培养基，加入1.5％琼脂)，每个稀释的样品均涂5个平行板，在37℃下过夜培养。统计催化剂暴露的存活细菌数量和相同实验条件下没有催化剂暴露的存活细菌数量。结果表明，反应进行3小时后，大肠杆菌的死亡率为24.4％。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种光催化法杀灭污水中细菌的方法，其特征在于：在模拟太阳光照射下利用光催化剂产生羟基自由基，对细菌污水进行净化；其中，所述方法包括如下步骤：
1)将含有细菌的污水分散于磷酸盐缓冲溶液中得到待处理的细菌污水；
2)向玻璃容器中添加所述容器容积三分之二量的细菌污水；
3)向所述细菌污水中添加光催化剂，得到混合体系；
4)将上述混合体系在避光条件下进行超声处理，使所述光催化剂均匀分散于所述细菌污水中，得到混合溶液；
5)采用氙灯照射所述混合溶液，在搅拌条件下进行灭菌处理，同时所述混合溶液的温度通过水浴保持恒温；
6)定期抽取样品，稀释后统计菌落数，计算细菌的死亡率，至满足处理要求后，停止步骤5)的处理。
2.根据权利要求1所述的光催化法杀灭污水中细菌的方法，其特征在于：所述细菌为大肠杆菌。
3.根据权利要求1所述的光催化法杀灭污水中细菌的方法，其特征在于：所述步骤1)中，所述磷酸盐缓冲溶液的浓度为2毫摩/升，pH＝7.2。
4.根据权利要求1所述的光催化法杀灭污水中细菌的方法，其特征在于：所述步骤2)中，所述细菌污水中细菌的初始浓度是105-107CFU/毫升。
5.根据权利要求1所述的光催化法杀灭污水中细菌的方法，其特征在于：所述步骤3)中，所述的光催化剂为(CuAg)xIn2xZn2(1-2x)S2四元硫化物，其在所述混合体系中添加浓度为100-500毫克/升。
6.根据权利要求5所述的光催化法杀灭污水中细菌的方法，其特征在于：所述步骤3)中，所述的光催化剂为(CuAg)0.15In0.3Zn1.4S2四元硫化物。
7.根据权利要求1所述的光催化法杀灭污水中细菌的方法，其特征在于：所述步骤4)中，所述超声处理的时间为5-15分钟。
8.根据权利要求1中所述的光催化法杀灭污水中细菌的方法，其特征在于：所述步骤5)中，所述氙灯的波长为300-800纳米、功率为300瓦，所述搅拌的速率为600转/分钟，所述水浴的温度为(20±2)℃，灭菌处理的时间为1-3小时。
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| CN114516674A (zh) * | 2022-02-28 | 2022-05-20 | 北京大学 | 一种利用太阳光活化高碘酸盐灭活水体中细菌的方法 |
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2017
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