電殺菌要同時(shí)滿足什么材料？

眾所周知，生活用水安全與人體健康息息相關(guān)，而水必須通過(guò)嚴(yán)格的消毒殺菌處理才能使用，否則水中存在的細(xì)菌、病毒等微生物將會(huì)導(dǎo)致腹瀉等人體不適甚至更嚴(yán)重的生命健康威脅。生活用水中對(duì)細(xì)菌總數(shù)、大腸桿菌總數(shù)兩項(xiàng)常規(guī)指標(biāo)進(jìn)行嚴(yán)控，若干針對(duì)城鎮(zhèn)生活用水水質(zhì)安全的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)：相比其他毒理指標(biāo)、物化指標(biāo)，微生物指標(biāo)超標(biāo)是導(dǎo)致絕大部分地區(qū)水質(zhì)不合格的首要原因。

近期，中國(guó)海洋大學(xué)材料學(xué)院陳守剛教授課題組關(guān)于在線高速水處理消毒技術(shù)研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，該材料組裝器件首次實(shí)現(xiàn)在外接電壓10 V，水流速度每分鐘1升的情況下，實(shí)現(xiàn)了水中細(xì)菌99.9%的高效殺滅。相關(guān)成果分別發(fā)表在國(guó)際著名化工期刊Chemical Engineering Journal和環(huán)境納米材料著名期刊Environ. Sci.： Nano等學(xué)術(shù)期刊上。該電殺菌器件簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，殺菌高效，環(huán)保安全，有望在飲用水、熱水器和養(yǎng)殖廢水等殺菌領(lǐng)域得到應(yīng)用（國(guó)家發(fā)明專利公開號(hào)：201810511044.9；201910804761.5）。

當(dāng)前一般水處理的方法主要包括氯系消毒法、臭氧處理等化學(xué)方法和紫外殺菌等物理方法。氯系消毒試劑由于其強(qiáng)氧化性、價(jià)格低廉、易儲(chǔ)存運(yùn)輸?shù)葍?yōu)目前在水處理中應(yīng)用廣泛，但水處理的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生較多的有毒副產(chǎn)物，對(duì)人們健康存在致癌隱患；臭氧水解時(shí)會(huì)釋放具有強(qiáng)氧化性的羥基自由基，使細(xì)菌失活，但這種氣體不穩(wěn)定，易對(duì)人體造成危害，另外較高的消毒成本也限制了其規(guī)模使用，紫外殺菌技術(shù)在水處理方面對(duì)水體澄清度有較高要求，且消毒能力不持久，設(shè)備花費(fèi)較高。

隨著納米材料的不斷發(fā)展，為解決傳統(tǒng)水消毒技術(shù)的弊端，新型的納米材料及處理技術(shù)被不斷研究和探索。電穿孔殺菌技術(shù)在水消毒領(lǐng)域應(yīng)運(yùn)而生，由于其消毒速度快、不可逆、無(wú)副產(chǎn)物等優(yōu)勢(shì)得到廣泛的認(rèn)可。然而電穿孔殺菌技術(shù)需要施加一個(gè)極高的外電壓（103 V~106 V），這也帶來(lái)了高能耗以及安全性隱患問(wèn)題。近期研究發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)導(dǎo)電納米線尖端實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)的高度集中，在一定的外加電壓下實(shí)現(xiàn)大腸桿菌的殺菌；自此，越來(lái)越多的研究人員開始將一維納米線結(jié)構(gòu)應(yīng)用到電穿孔殺菌領(lǐng)域。但目前電殺菌技術(shù)應(yīng)用中存在兩個(gè)共性的問(wèn)題：采用納米線電殺菌技術(shù)后，外加電壓明顯降低，但該電殺菌材料的導(dǎo)電性不足，所以主要面向靜態(tài)水或者低流速的水凈化處理，實(shí)際上生活用水的流速每分鐘一般在 0.5 升到 3.0升，而目前材料是不滿足實(shí)際流速需求的。因此如何保證低電壓下實(shí)現(xiàn)對(duì)高速菌液的快速原位殺菌的材料選擇和制備就成為需要解決的實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

此外基于實(shí)際應(yīng)用需求，電殺菌材料同時(shí)要滿足如下幾個(gè)條件：1） 選擇材料通透性和耐腐蝕性能要好，不影響水的流速；2） 材料表面具有針狀突起結(jié)構(gòu)且導(dǎo)電性能要好，更容易放電；3） 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，成本可控；4）材料要環(huán)境友好，水處理后的各項(xiàng)離子要符合國(guó)標(biāo)。

圖1. 泡沫銅上納米線及嵌銀碳膜材料不同倍數(shù)掃描電鏡和透射電鏡照片

基于實(shí)際需求，課題組選擇泡沫銅材料進(jìn)行改性研究，并據(jù)此設(shè)計(jì)了電殺菌器件進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用測(cè)試。利用刻蝕工藝在泡沫銅上獲得針狀氧化亞銅納米線（圖 1），為了提升納米線的導(dǎo)電性，利用簡(jiǎn)單的浸泡-燒結(jié)方法在納米線上制得包覆鑲嵌的納米銀顆粒的導(dǎo)電碳膜，外加金屬顆粒明顯提升功能涂層的導(dǎo)電性（圖 2），且碳膜的固定使其耐水流沖刷的穩(wěn)定性大大增強(qiáng)，即使外加低的電壓也可達(dá)到好的瞬時(shí)強(qiáng)放電殺菌。

圖2. 泡沫銅改性材料的能奎斯特測(cè)試和有限元模擬外加電壓下電場(chǎng)效應(yīng)示意圖。注：標(biāo)尺= 1 μm。

利用此材料組裝的器件如圖 3 所示，器件中間空隙也為菌液的殺菌提供了緩沖時(shí)間，殺菌效率大大提升。該技術(shù)器件可在外接電壓 8-10 V，水流速度在1升 每分鐘的情況下，實(shí)現(xiàn)水中細(xì)菌 99.9%的殺滅。此消毒過(guò)程無(wú)副產(chǎn)物生成，ICP測(cè)試經(jīng)過(guò)器件水溶液離子濃度符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)消毒之后無(wú)細(xì)菌復(fù)活現(xiàn)象發(fā)生。

圖3. 抑菌性能測(cè)試過(guò)濾裝置示意圖。（a）殺菌實(shí)驗(yàn)實(shí)際裝置圖，（b，c）過(guò)濾裝置模型及實(shí)物圖，（c）兩電極間的絕緣橡膠圈，（d） 改性泡沫銅材料的電極實(shí)物圖。

圖 4 活死菌檢測(cè)試劑盒對(duì) C/Cu2O-AgNPs 電極過(guò)濾前后的菌液染色結(jié)果：E. coli（a，b）和 S. aureus（c，d），注：標(biāo)尺= 20 μm。
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