CN113479947B

CN113479947B - 多孔纳米材料表面改性方法、过滤式消毒装置和方法

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Publication number: CN113479947B
Application number: CN202110748210.9A
Authority: CN
Inventors: 吴乾元; 彭露; 朱浩杰; 杨诚; 胡洪营
Original assignee: Shenzhen International Graduate School of Tsinghua University
Current assignee: Shenzhen International Graduate School of Tsinghua University
Priority date: 2021-06-29
Filing date: 2021-06-29
Publication date: 2022-10-28
Anticipated expiration: 2041-06-29
Also published as: CN113479947A

Abstract

一种多孔纳米材料表面改性方法，包括如下步骤：将秸秆碳源与多孔纳米材料一同在惰性气体保护下进行煅烧，使所述多孔纳米材料的表面包覆一层碳膜。一种过滤式消毒装置，包括过滤式组件，所述过滤式组件中设置有经过所述改性方法改性得到的多孔纳米材料。一种过滤式方法，包括如下步骤：将待处理水样通入所述的过滤式消毒装置，利用流场力的作用在所述多孔纳米材料的表面对细菌的生理屏障产生机械破坏，进而灭活，实现高效灭菌。在过滤式消毒装置采用经过该改性方法改性得到的多孔纳米材料，借助流场力的作用，能够实现对细菌生理屏障的针对性破坏。该消毒装置无需外加化学试剂，待处理水样一次通过，在极短停留时间内可实现高效消毒。

Description

多孔纳米材料表面改性方法、过滤式消毒装置和方法

技术领域

本发明涉及水处理消毒领域，特别是涉及一种多孔纳米材料表面改性方法、过滤式消毒装置和方法。

背景技术

纳米材料具有本征的机械抑菌效应，其纳米尖端可导致细菌细胞膜形变及穿孔。然而这种机械抑菌效应具有局限性，通常需要长达数小时的接触时间或者借助额外的表面能才能对细菌造成物理损伤。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于对本申请的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的主要目的在于克服上述背景技术的缺陷，提供一种多孔纳米材料表面改性方法、过滤式消毒装置和方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种多孔纳米材料表面改性方法，包括如下步骤：

将秸秆碳源与多孔纳米材料一同在惰性气体保护下进行煅烧，使所述多孔纳米材料的表面包覆一层碳膜。

进一步地：

还包括制备所述多孔纳米材料的如下步骤：

采用泡沫铜作为多孔材料基底，通过化学氧化法在所述泡沫铜的表面原位生长氢氧化铜纳米线阵列，从而得到所述多孔纳米材料。

所述通过化学氧化法在所述泡沫铜的表面原位生长氢氧化铜纳米线阵列具体包括：

将所述泡沫铜置于含有2.5M氢氧化钠和0.1M过硫酸铵的水溶液中，4℃反应20min；反应结束后将泡沫铜取出，用去离子水充分清洗，干燥。

所述纳米线的长度为5～10nm，直径为100～200nm。

还包括制备所述秸秆碳源的如下步骤：

将收集的农作物秸秆充分干燥，破碎后过筛，优选过20目筛，得到所述秸秆碳源。

一种多孔纳米材料，是经过所述的多孔纳米材料表面改性方法改性得到的多孔纳米材料。

一种过滤式消毒装置，包括过滤式组件，所述过滤式组件中设置有所述的多孔纳米材料。

进一步地：

所述过滤式组件包括过滤槽、进水口以及出水口，所述多孔纳米材料固定于所述过滤槽中。

所述过滤式消毒装置还包括原水罐、水泵以及出水罐，所述原水罐通过水泵连接到所述进水口，所述出水口连接所述出水罐。

一种过滤式方法，包括如下步骤：

将待处理水样通入所述的过滤式消毒装置，利用流场力的作用在所述多孔纳米材料的表面对细菌的生理屏障产生机械破坏，进而灭活，实现高效灭菌。

优选地，待处理水样在所述过滤式消毒装置中的停留时间控制为7s。

本发明具有如下有益效果：

本发明提供一种多孔纳米材料表面改性方法，利用秸秆作为生物质碳源，在惰性气体保护下与多孔纳米材料一同煅烧，实现对多孔纳米材料的表面碳膜包覆，该碳膜增强了纳米材料表面的疏水性，能够强化纳米材料表面对细菌的粘附力，从而强化细菌与纳米材料的相互作用，提升纳米材料的物理杀菌效果。本发明的过滤式消毒装置采用经过改性方法改性得到的多孔纳米材料，采用过滤式流态，借助流场力的作用，能够实现对细菌生理屏障的针对性破坏。其无需外加化学试剂，待处理水样一次通过，在极短停留时间内可实现高效消毒。

与传统技术相比，本发明实施例的优势具体体现在如下方面：

(1)本发明采用秸秆对多孔纳米材料进行表面改性，大幅提升了纳米材料的机械抑菌效应。秸秆主要成分为纤维素、木质素等有机质，将秸秆碳源与纳米材料置于惰性气体中焙烧，可在纳米材料表面负载一层碳膜，使材料表面的疏水性增强，进而强化其与细菌的相互作用。

(2)本发明采用的秸秆改性后的多孔纳米材料进行过滤式消毒的装置，无需外加化学试剂，只需将待处理水流一次通过，在极短停留时间内即可实现对细菌的有效灭活。

(3)本发明采用的过滤式消毒组件，易于叠加，可实现连续、规模化运行。

(4)本发明也提供了一种秸秆资源化利用的途径。我国是农业大国，作为农作物副产品的秸秆产量巨大，其资源化利用对保护生态环境、实现农业经济可持续发展有着至关重要的作用。

附图说明

图1为本发明一种实施例的过滤式消毒装置结构示意图。

图2为本发明一种实施例的经秸秆改性的多孔纳米材料和未经改性的多孔纳米材料对大肠埃希氏菌的灭活特性。

图3为本发明一种实施例的过滤式消毒装置长时间运行消毒效果。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式做详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于耦合或连通作用。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

本发明实施例提供一种多孔纳米材料表面改性方法，包括如下步骤：

将秸秆碳源与多孔纳米材料一同在惰性气体保护下进行煅烧，使所述多孔纳米材料的表面包覆一层碳膜。该碳膜增强了纳米材料表面的疏水性，强化了纳米材料表面对细菌的粘附力。

在一些实施例中，可采用管式炉进行煅烧。

在一些实施例中，所述方法还包括制备所述多孔纳米材料的如下步骤：

在优选的实施例中，所述通过化学氧化法在所述泡沫铜的表面原位生长氢氧化铜纳米线阵列具体包括：

将所述泡沫铜置于含有2.5M氢氧化钠和0.1M过硫酸铵的水溶液中，4℃反应20min；反应结束后将泡沫铜取出，用去离子水充分清洗，干燥后备用。

在优选的实施例中，所述纳米线的长度为5～10nm，直径为100～200nm。

在一些实施例中，所述方法还包括制备所述秸秆碳源的如下步骤：

本发明实施例还提供一种多孔纳米材料，是经过前述任一实施例的多孔纳米材料表面改性方法改性得到的多孔纳米材料。

参阅图1，本发明实施例还提供一种过滤式消毒装置，包括过滤式组件1，所述过滤式组件1中设置有前述实施例的多孔纳米材料(未图示)。

在一些实施例中，所述过滤式组件1包括过滤槽、进水口以及出水口，所述多孔纳米材料固定于所述过滤槽中。

在一些实施例中，所述过滤式消毒装置还包括原水罐2、水泵3以及出水罐4，所述原水罐2通过水泵3连接到所述过滤式组件1的进水口，所述过滤式组件1的出水口连接所述出水罐4。

本发明实施例还提供一种过滤式方法，包括如下步骤：

将待处理水样通入前述任一实施例的过滤式消毒装置，利用流场力的作用在所述多孔纳米材料的表面对细菌的生理屏障产生机械破坏，进而灭活，实现高效灭菌。

在优选的实施例中，待处理水样在所述过滤式消毒装置中的停留时间控制为7s，只需一次通过即可完成消毒处理。

本发明实施例的过滤式消毒装置能够有效深度灭活水中的病原微生物，具有成本低、能耗低、效果好、出水稳定等优势。

以下进一步描述本发明的应用实例。

实例1

一种利用农作物秸秆改性的多孔纳米材料进行过滤式消毒的装置，如图1所示。将含有10³～10⁴CFU/mL大肠埃希氏菌(CGMCC 1.3373)的水样通过水泵导入管路，控制水力停留时间为7s。用平板计数法确定待处理水样及处理后水样中的活菌浓度，细菌灭活效率采用对数灭活率进行评价，其计算方式为-log₁₀(N/N₀)，其中N₀为进水细菌浓度，N为出水细菌浓度。经秸秆改性处理后的多孔纳米材料灭活率如图2中的柱状图(改性后)所示，出水细菌完全灭活，灭活率可达3log以上。

对比例1

以原始的多孔纳米材料代替用农作物秸秆改性的多孔纳米材料置于过滤式装置中，其他条件如实例1。原始的多孔纳米材料灭活率如图2中的柱状图(改性前)所示，细菌灭活率约1log。

实例2

将过滤式组件进行叠加串联，共计使用0.2m²泡沫铜，搭建过滤式装置，进行为期一个月的长时间运行消毒实验。配置含10³～10⁴CFU/mL大肠埃希氏菌(CGMCC 1.3373)的水样，模拟实际水处理设施中细菌浓度。每隔一天制备新的细菌水样，并对原水和出水中的细菌浓度进行监测。长期运行效果如图3所示，在运行的一个月中，出水细菌完全灭活，灭活率可达3log以上。

本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不一定是描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离专利申请的保护范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。

Claims

1.一种多孔纳米材料表面改性方法，其特征在于，包括如下步骤：

将秸秆碳源与多孔纳米材料一同在惰性气体保护下进行煅烧，使所述多孔纳米材料表面包覆一层碳膜，强化所述多孔纳米材料表面对细菌的粘附力，从而改性为利用流场力的作用能够对细菌的生理屏障产生机械破坏的多孔纳米材料表面；其中，所述多孔纳米材料是采用泡沫铜作为多孔材料基底，通过化学氧化法在所述泡沫铜的表面原位生长氢氧化铜纳米线阵列从而得到的。

2.如权利要求1所述的多孔纳米材料表面改性方法，其特征在于，所述通过化学氧化法在所述泡沫铜的表面原位生长氢氧化铜纳米线阵列具体包括：

将所述泡沫铜置于含有2.5 M氢氧化钠和0.1 M过硫酸铵的水溶液中，4 ℃反应20min；反应结束后将泡沫铜取出，用去离子水充分清洗，干燥。

3.如权利要求2所述的多孔纳米材料表面改性方法，其特征在于，所述纳米线的长度为5 ~ 10 nm，直径为100 ~ 200 nm。

4.如权利要求1至2任一项所述的多孔纳米材料表面改性方法，其特征在于，还包括制备所述秸秆碳源的如下步骤：

将收集的农作物秸秆充分干燥，破碎后过筛，得到所述秸秆碳源。

5.如权利要求4所述的多孔纳米材料表面改性方法，其特征在于，所述过筛为过20目筛。

6.一种多孔纳米材料，其特征在于，是经过如权利要求1至5任一项所述的多孔纳米材料表面改性方法改性得到的多孔纳米材料。

7.一种过滤式消毒装置，包括过滤式组件，其特征在于，所述过滤式组件中设置有如权利要求6所述的多孔纳米材料。

8.如权利要求7所述的过滤式消毒装置，其特征在于，所述过滤式组件包括过滤槽、进水口以及出水口，所述多孔纳米材料固定于所述过滤槽中。

9.如权利要求8所述的过滤式消毒装置，其特征在于，还包括原水罐、水泵以及出水罐，所述原水罐通过水泵连接到所述进水口，所述出水口连接所述出水罐。

10.一种过滤式消毒方法，其特征在于，包括如下步骤：

将待处理水样通入如权利要求7至9任一项所述的过滤式消毒装置，利用流场力的作用在所述多孔纳米材料的表面对细菌的生理屏障产生机械破坏，进而灭活。

11.如权利要求10所述的过滤式消毒方法，其特征在于，待处理水样在所述过滤式消毒装置中的停留时间控制为7 s。