CN111960499A - 一种杀灭压舱水中细菌的光催化-芬顿原位耦合方法 - Google Patents

一种杀灭压舱水中细菌的光催化-芬顿原位耦合方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于杀菌技术领域，公开一种杀灭压舱水中细菌的光催化‑芬顿原位耦合方法和应用。该方法是将三聚氰胺升温至350～450℃恒温加热，制备蜜勒胺；然后将蜜勒胺与均苯四甲酸二酐混合，升温至300～350℃恒温加热；再将制得的g‑C3N4/PDI光催化剂和亚铁离子化合物加入含有细菌的压舱水中，制得g‑C3N4/PDI/Fe2+光催化‑芬顿原位耦合体系，调节pH值至2～10，并通入反应气氛，置于暗处搅拌，在可见光光源的照射下，进行杀灭压舱水中细菌。该方法对压舱水中有害微生物的杀灭效率高，同时也具备光催化产过氧化氢的能力，不添加常规芬顿技术所需的化学氧化剂，处理成本低，具备绿色可持续发展特点。

Description

一种杀灭压舱水中细菌的光催化-芬顿原位耦合方法
技术领域
本发明属于杀菌技术领域，更具体地，涉及一种杀灭压舱水中细菌的光催化-芬顿原位耦合方法。
背景技术
船舶运载压舱水是为了确保船舶在航运过程中的稳定性和操作安全，每年有100亿至300亿吨压舱水以及其携带的种类繁多的生物在世界各地运转，这些存活的物种进入新的环境引起生物入侵，可能造成严重的生态破坏和经济损失。因此，根据排放限制标准，目前国际海事组织(IMO，2004)和美国法规(USCG，2012)的实施将要求对压载水进行有效处理。压载水处理通常先过滤掉较大的生物，然后对较小的微生物如浮游植物和细菌进行消毒，常用的消毒方法是紫外和电化学法，小部分使用臭氧化，超声波，添加杀菌剂或脱氧等过程，但是这些杀菌方法都存在处理时间长、技术复杂或者产生有毒副产物等缺点。
近年来有很多关于光催化杀菌方面的研究，也有使用光芬顿法来杀菌的研究，光芬顿作为高级氧化工艺(AOP)的一种常用来处理有机废水。但是光芬顿需要大量的过氧化氢，且过氧化氢的制备复杂，运输和储存的经济成本高。因此原位产生过氧化氢是一种更经济环保的选择。此前已有研究表明二氧化钛和改性g-C3N4可以通过光催化作用产生过氧化氢，并且利用原位生成的过氧化氢可以实现光-芬顿降解苯酚。截至目前，未见有关于构建光催化-芬顿原位耦合系统杀灭压舱水中细菌方面的报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何克服原位产生双氧水效率低及杀菌效率不高的问题，提供一种杀灭压舱水中细菌的光催化-芬顿原位耦合方法，该方法可实现压舱水中细菌的高效杀灭。
本发明的另一目的是提供上述方法的应用。
本发明上述目的通过以下技术方案予以实现：
一种杀灭压舱水中细菌的光催化-芬顿原位耦合方法，包括以下具体步骤：
S1.将三聚氰胺升温至350～450℃恒温加热，制备蜜勒胺；
S2.将蜜勒胺与均苯四甲酸二酐混合，升温至300～350℃恒温加热，制得g-C3N4/PDI光催化剂；
S3.将g-C3N4/PDI光催化剂和亚铁离子化合物加入含有细菌的压舱水中，制得g-C3N4/PDI/Fe2+光催化-芬顿原位耦合体系，调节pH值至2～10，并通入反应气氛，置于暗处搅拌，在可见光光源的照射下，进行杀灭压舱水中细菌。
优选地，步骤S1中所述升温的速率为3～5℃/min，所述加热的时间为6～10h。
优选地，步骤S2中蜜勒胺和均苯四甲酸二酐的质量比为(1～3)：(1～3)。
优选地，步骤S3中所述升温的速率为7～10℃/min，所述加热的时间为3～6h.
优选地，步骤S3中所述亚铁离子化合物为硫酸亚铁、硝酸亚铁或氯化亚铁中的一种以上。
优选地，步骤S3所述细菌为溶藻弧菌、大肠埃希菌或铜绿假单胞菌中的一种以上，所述细菌的浓度为2×104～2×109CFU/mL。
优选地，步骤S3中所述亚铁离子化合物在含有细菌的压舱水中的亚铁离子浓度为0.9～2.7mmol/L。
优选地，步骤S3中所述反应气氛为空气、氧气或氮气。
优选地，步骤S2中所述g-C3N4/PDI光催化剂的质量和含有压舱水的细菌溶液的体积比为(0.1～2)g：1L。
优选地，步骤S3中所述可见光光源为氙灯光源、LED光源或自然太阳光。
本发明方法是以g-C3N4/PDI为光催化剂，通过其在可见光下产生过氧化氢，加入的亚铁离子激活过氧化氢从而实现对压舱水中细菌的杀灭。g-C3N4/PDI在光催化反应过程中产生的过氧化氢与亚铁离子反应生成大量羟基自由基，形成光-芬顿原位耦合体系。该体系在可见光下进行光催化，可实现杀灭压舱水中细菌，同时也具备光催化产过氧化氢的能力。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明利用亚铁离子原位激活光催化过程中产生的过氧化氢发生芬顿反应，产生大量羟基自由基而实现对杀灭压舱水中细菌的杀灭，克服传统技术需要外加氧化剂如过氧化氢的缺陷。
2.本发明方法无需外加化学氧化剂和消耗型的杀菌剂，所使用的催化剂能够循环使用，能够大幅降低杀菌成本，显示出对压舱水中细菌的杀灭方面的优异活性。
3.本发明铁离子的加入提高了羟基自由基的产量，从而显著提高了光催化杀菌效率。该方法对压舱水中有害微生物的杀灭效率高，不添加常规芬顿技术所需的化学氧化剂，处理成本低，具备绿色可持续发展特点。
附图说明
图1为实施例1中的光催化-芬顿原位耦合杀菌方法与对比例1和2中的光催化方法的杀菌性能对比图。
图2为实施例1-3中添加不同亚铁离子杀菌性能对比图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的简单修改或替换，均属于本发明的范围；若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
实施例1
1.将5g三聚氰胺前驱体置于坩埚中，以速度3℃/min升温至425℃恒温加热9h制备蜜勒胺(Melem)，待温度冷却后，在玛瑙研钵中研磨成淡黄色粉末，再将Melem与均苯四甲酸二酐(PMDA)混合，以7℃/min升温至325℃恒温加热4h，获得g-C3N4/PDI光催化剂。
2.将50mg g-C3N4/PDI光催化剂和0.025mg七水硫酸亚铁加入50mL含有细菌的压舱水中，制得g-C3N4/PDI/Fe2+光催化-芬顿原位耦合体系，使得亚铁离子浓度为1.8mmol/L，g-C3N4/PDI光催化剂的浓度为1g/L，调节pH为8，空气条件下，置于暗处搅拌30min；然后打开氙灯光源(配备可见光滤光片(λ＞400nm)照射杀灭压舱水细菌，每隔一定时间取样，利用平板计数法计算菌落数目。
其中，压舱水细菌是选取溶藻弧菌作为目标灭活菌，将溶藻弧菌于37℃培养16h，获得稳定期菌种，经离心收集后，用无菌海水稀释成浓度为2×107cfu/mL的细菌溶液。
图1为实施例1中的光催化-芬顿原位耦合杀菌方法与对比例1的光催化方法的杀菌性能对比图。由图1可知，所制备的g-C3N4/PDI/Fe2+光催化-芬顿原位耦合体系可在35min内完全杀灭2×107cfu/mL的细菌，效果明显高于使用对比例1中g-C3N4/PDI和对比例2中g-C3N4的光催化杀菌。结果表明，利用光催化-芬顿原位耦合体系是一种高效杀菌方法，效果显著高于对比例1和对比例2中的光催化杀菌方法。
对比例1
与实施例1不同的在于：只加入了g-C3N4/PDI催化剂，没有加入亚铁离子。
对比例2
与实施例1不同的在于：只加入了g-C3N4催化剂。
实施例2
1.将5g三聚氰胺前驱体置于坩埚中，以速度3℃/min升温至350℃恒温加热6h制备Melem，待温度冷却后，将样品在玛瑙研钵中研磨成淡黄色粉末，再将Melem与PMDA混合，以速度7℃/min升温至300℃恒温加热3h，获得g-C3N4/PDI光催化剂。
2.将50mg g-C3N4/PDI和入0.0125mg七水硫酸亚铁加入50mL含有细菌的压舱水中，制得g-C3N4/PDI/Fe2+光催化-芬顿原位耦合体系；使得亚铁离子浓度为0.9mmol/L。pH为8，空气条件下，置于暗处搅拌30min；然后打开氙灯光源(配备可见光滤光片(λ＞400nm)进行照射杀灭压舱水细菌，利用平板计数法计算菌落数目。
其中，压舱水细菌选取溶藻弧菌作为目标灭活菌。将溶藻弧菌于37℃培养16h，获得稳定期菌种，经离心收集后，用无菌海水稀释成浓度为2×107cfu/mL的细菌溶液。
实施例3
1.将5g三聚氰胺前驱体置于坩埚中，以升温速度5℃/min在450℃恒温加热10h制备Melem，待温度冷却后，将样品在玛瑙研钵中研磨成淡黄色粉末，再将Melem与PMDA混合，以速度10℃/min升温至350℃恒温加热6h，获得g-C3N4/PDI光催化剂。
2.将50mg g-C3N4/PDI和0.0375mg七水硫酸亚铁加入50mL含有细菌的压舱水中，制得g-C3N4/PDI/Fe2+光催化-芬顿原位耦合体系使得亚铁离子浓度为2.7mmol/L。pH为8，空气条件下，置于暗处搅拌30min，然后打开氙灯光源(配备可见光滤光片(λ＞400nm)进行照射杀灭压舱水细菌，利用平板计数法计算菌落数目。
其中，压舱水细菌选取溶藻弧菌作为目标灭活菌。将溶藻弧菌于37℃培养16h，获得稳定期菌种，经离心收集后，用无菌海水稀释成浓度为2×107cfu/mL的细菌溶液。
图2为实施例1-3中添加不同亚铁离子杀菌性能对比图。如图2所示，实施例1所制备的g-C3N4/PDI/Fe2+光催化-芬顿原位耦合体系，在亚铁离子浓度为1.8mmol/L时，细菌可以在35min内被完全杀灭。实施例2所制备的g-C3N4/PDI/Fe2+光催化-芬顿原位耦合体系，在亚铁离子浓度为0.9mmol/L时，细菌可以在60min内被完全杀灭。实施例3所制备的g-C3N4/PDI/Fe2+光催化-芬顿原位耦合体系，在亚铁离子浓度为2.7mmol/L时，细菌可以在40min内被完全杀灭。结果表明，本发明利用光催化-芬顿原位耦合体系是一种高效杀菌方法。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种杀灭压舱水中细菌的光催化-芬顿原位耦合方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
S1.将三聚氰胺升温至350～450℃恒温加热，制备蜜勒胺；
S2.将蜜勒胺与均苯四甲酸二酐混合，升温至300～350℃恒温加热，制得g-C3N4/PDI光催化剂；
S3.将g-C3N4/PDI光催化剂和亚铁离子化合物加入含有细菌的压舱水中，制得g-C3N4/PDI/Fe2+光催化-芬顿原位耦合体系，调节pH值至2～10，并通入反应气氛，置于暗处搅拌，在可见光光源的照射下，进行杀灭压舱水中细菌。
2.根据权利要求1所述的杀灭压舱水中细菌的光催化-芬顿原位耦合方法，其特征在于，步骤S1中所述升温的速率为3～5℃/min，所述加热的时间为6～10h。
3.根据权利要求1所述的杀灭压舱水中细菌的光催化-芬顿原位耦合方法，其特征在于，步骤S2中蜜勒胺和均苯四甲酸二酐的质量比为(1～3)：(1～3)。
4.根据权利要求1所述的杀灭压舱水中细菌的光催化-芬顿原位耦合方法，其特征在于，步骤S3中所述升温的速率为7～10℃/min，所述加热的时间为3～6h。
5.根据权利要求1所述的杀灭压舱水中细菌的光催化-芬顿原位耦合方法，其特征在于，步骤S3中所述亚铁离子化合物为硫酸亚铁、硝酸亚铁或氯化亚铁中的一种以上。
6.根据权利要求1所述的杀灭压舱水中细菌的光催化-芬顿原位耦合方法，其特征在于，步骤S3所述细菌为溶藻弧菌、大肠埃希菌或铜绿假单胞菌中的一种以上，所述细菌的浓度为2×104～2×109CFU/mL。
7.根据权利要求1所述的杀灭压舱水中细菌的光催化-芬顿原位耦合方法，其特征在于，步骤S3中所述亚铁离子化合物在含有细菌的压舱水中的亚铁离子浓度为0.9～2.7mmol/L。
8.根据权利要求1所述的杀灭压舱水中细菌的光催化-芬顿原位耦合方法，其特征在于，步骤S3中所述反应气氛为空气、氧气或氮气。
9.根据权利要求1所述的杀灭压舱水中细菌的光催化-芬顿原位耦合方法，其特征在于，步骤S2中所述g-C3N4/PDI光催化剂的质量和含有压舱水的细菌溶液的体积比为(0.1～2)g：1L。
10.根据权利要求1所述的杀灭压舱水中细菌的光催化-芬顿原位耦合方法，其特征在于，步骤S3中所述可见光光源为氙灯光源、LED光源或自然太阳光。
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