一種光催化法殺滅汙水中細菌的方法與流程
2023-05-22 07:07:51
本發明涉及一種高效快速殺滅水中大腸桿菌的方法，更具體地說，涉及一種利用(CuAg)0.15In0.3Zn1.4S2四元硫化物為光催化劑在模擬太陽光照射條件下消除水中大腸桿菌汙染的方法，屬於環境光催化技術領域。
背景技術：
大腸桿菌作為自然界的常在細菌而大量存在，是人和許多動物腸道中最主要且數量最多的一種細菌，主要寄生在大腸內。大腸桿菌能夠隨人畜糞便的排放進入天然水體。大多數大腸桿菌對人體無害，但是致病性大腸桿菌經飲用水被人體攝取後，可引起感染，如腹膜炎、膽囊炎、膀胱炎及腹瀉等。人感染大腸桿菌後能夠引起胃痛、嘔吐、腹瀉和發熱等症狀。由於其常與病毒、球蟲或其他細菌合併感染，或繼發其他疾病，使治療難度加大。由於致病性大腸桿菌的存在及耐藥性的問題日趨嚴重，開發出更多安全、高效和快速的殺滅水中大腸桿菌的方法是以後科研的主要趨勢和方向。
傳統滅菌方法主要有三種：紫外線滅菌、試劑滅菌和加熱滅菌。紫外線的穿透能力小，在照射不到的地方消毒效果很差，其殺菌能力隨著使用時間的增加而減少，而且燈管壽命短，更換過於頻繁，運行費用較高。化學試劑滅菌，剩餘的藥品直接排入大氣，造成對周圍環境的汙染，需要空調長時間置換新風，從而增加了能耗。例如，環氧乙烷具有強大的殺菌作用，且殺菌譜廣，但是該種方法滅菌時間相對較長，環氧乙烷氣體易燃易爆，滅菌後有殘餘毒性，需要通風散氣後才能使用。加熱滅菌主要存在溫度高和能耗大的缺點，對抗性較強的細菌殺菌效果不明顯。臭氧滅菌具有殺菌徹底、無死角和殺菌廣譜等優點，但是臭氧對人體呼吸道黏膜具有刺激作用，易分解，在使用過程中應該防止洩漏。微波消毒具有加熱速度快、不汙染環境和不留殘毒等優勢。但微波直接照射對人體有損害作用，並且微波產生的高能量容易導致炭化。電離輻射滅菌方法穿透力強、殺菌徹底、效果可靠，且滅菌後物品可長時間保存。但該方法耗時較長，一次性投資較大，且射線對人體有傷害作用。
近年來，利用光催化方法殺滅水中大腸桿菌的技術引起了研究學者的廣泛關注。當納米級光催化劑在光子能量大於帶隙的光照下，能夠產生導帶電子(e-)和價帶空穴(h+)。e-能夠將氧氣分子還原為超氧陰離子自由基(O2·-)。h+能夠將H2O或者OH-氧化為羥基自由基(·OH)。O2·-能夠經過一系列的光化學反應產生單線態氧(1O2)和過氧化氫。其中，·OH是一種氧化能力極強的自由基，能夠高效破壞許多生物大分子，包括糖類、核酸、脂肪和蛋白質等。1O2能夠不可逆的破壞生物組織，導致生物膜的氧化和降解。雖然O2·-不是很強的氧化劑，但是轉化為毒性很強的·OH和1O2後也能夠對生物體產生毒性作用。因此，利用納米光催化劑在光照下產生的活性氧自由基對水中的大腸桿菌進行處理，能夠達到淨化水體的目的。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種以(CuAg)0.15In0.3Zn1.4S2四元硫化物為光催化劑在模擬太陽光照射條件下殺滅汙水中細菌的方法，該方法設計簡單，能耗低，可實現高效快速殺滅水中大腸桿菌的目的。
本發明的目的是通過以下技術方案實現的，一種光催化法殺滅汙水中細菌的方法，其特徵在於：在模擬太陽光照射下利用光催化劑產生活性氧自由基，對細菌汙水進行淨化；其中，所述方法包括如下步驟：
1)將含有細菌的汙水分散於磷酸鹽緩衝溶液中得到待處理的細菌汙水；
2)向玻璃容器中添加所述容器容積的三分之二量的細菌汙水；
3)向所述細菌汙水中加入光催化劑溶液，得到混合體系；
4)將上述混合體系在避光條件下進行超聲處理，使所述光催化劑均勻分散於所述細菌汙水中，得到混合溶液；
5)採用氙燈照射所述混合溶液，在攪拌條件下進行滅菌處理，同時所述混合溶液的溫度通過水浴保持恆溫；
6)定期抽取樣品，稀釋後統計菌落數，計算細菌的死亡率，至滿足處理要求後，停止步驟5)的處理。
進一步的，所述細菌為大腸桿菌。
進一步的，所述步驟1)中，所述磷酸鹽緩衝溶液的濃度為2毫摩/升，pH＝7.2。
進一步的，所述步驟2)中，所述細菌汙水中細菌的初始濃度是105-107CFU/毫升。
進一步的，所述步驟3)中，所述的光催化劑為(CuAg)xIn2xZn2(1-2x)S2四元硫化物，其在所述混合體系中添加濃度為100-500毫克/升。優選所述光催化劑為(CuAg)0.15In0.3Zn1.4S2四元硫化物，優選濃度為300毫克/升。該種催化劑在模擬太陽光照射下能夠產生最多的羥基自由基，因此對細菌具有最高的抗菌活性。更高濃度的催化劑雖然能夠提供更多與細菌接觸的表面積，但同時催化劑的散射作用導致光照穿透反應體系的深度降低，從而降低了光催化劑對細菌的抗菌活性。
進一步的，所述步驟4)中，所述超聲處理的時間為5-15分鐘，優選時間為10分鐘。短時間無法使催化劑充分分散於細菌汙水中，超聲時間過長能夠引起光催化劑釋放金屬離子，導致抗菌活性降低。
進一步的，所述步驟5)中，所述氙燈的波長為300-800納米、功率為300瓦，所述攪拌的速率為600轉/分鐘，所述水浴的溫度為(20±2)℃，滅菌處理的時間為1-3小時，優選時間為2小時。參見附圖所示，處理時間短於1小時，無法達到最高的抗菌率。處理時間3小時後，細菌的死亡率達到最大值，因此最長光照時間為3小時。使用水浴保持反應體系的溫度，該溫度下光催化劑具有最優的抗菌活性。
本發明中，所採用的光催化裝置由直流電源、鎮流器和氙燈組成，其他部件包括石英反應器、水浴鍋和磁力攪拌器等，所用部件均可從相關設備供應商獲得，也可自行設計搭建。
本發明所採用的四元硫化物具有很高的光催化活性，能吸收更廣的可見光範圍、性能穩定，可作為一種新型的殺菌光催化劑。
本發明提供的對大腸桿菌活性的分析方法如下：
在光照一定時間後取樣，稀釋100倍，然後將50微升樣品塗於瓊脂板上(Sautons液體培養基，加入1.5％瓊脂)，每個稀釋的樣品均塗5個平行板，在37℃下過夜培養，統計光催化劑暴露的存活細菌數量(Nt)和相同實驗條件下沒有光催化劑暴露的存活細菌數量(N0)。滅菌效果使用細菌的死亡率表示，計算方法為(1-Nt/N0)×100％。
本發明提供的在模擬太陽光照射條件下光催化淨化汙水中大腸桿菌的方法具有如下優點：
1.採用光能殺滅水中大腸桿菌，高效利用清潔能源；
2.能夠高效快速去除水中大腸桿菌的汙染；
3.該方法流程短、操作簡單、抗菌效率高，在汙水淨化和廢水處理中具有廣闊的應用前景；
該方法在光催化劑用量為500毫克/升處理100毫升初始濃度為107CFU/毫升的大腸桿菌汙水2小時後，固體培養基上幾乎觀察不到存活的細菌，並且光催化劑能在不降低催化效果的前提下重複使用5次以上。
附圖說明
通過閱讀下文優選實施方式的詳細描述，各種其他的優點和益處對於本領域普通技術人員將變得清楚明了。附圖僅用於示出優選實施方式的目的，而並不認為是對本發明的限制。而且在整個附圖中，用相同的參考符號表示相同的部件。在附圖中：
圖1為在E.coli初始濃度為106CFU/毫升，反應體系100毫升不同初始濃度的(CuAg)0.15In0.3Zn1.4S2四元硫化物光催化劑在模擬太陽光照射條件下細菌的死亡率-時間曲線。
具體實施方式
下面將更詳細地描述本公開的示例性實施方式。雖然列舉了本公開的示例性實施方式，然而應當理解，可以以各種形式實現本公開而不應被這裡闡述的實施方式所限制。相反，提供這些實施方式是為了能夠更透徹地理解本公開，並且能夠將本公開的範圍完整的傳達給本領域的技術人員。
實施例1
將含細菌的汙水分散於100毫升濃度為2毫摩/升的磷酸鹽緩衝溶液(pH＝7.2)，使得E.coli初始濃度為107CFU/毫升，加入10毫克(CuAg)0.15In0.3Zn1.4S2四元硫化物粉體。將混合液超聲5分鐘，使光催化劑在溶液中完全分散。然後用300瓦氙燈(波長是300-800納米)進行照射，光照過程中以600轉/分鐘進行磁力攪拌以使反應液均勻，反應液的溫度通過水浴保持在(20±2)℃。光照2小時後取樣，稀釋100倍，然後將50微升樣品塗於瓊脂板上(Sautons液體培養基，加入1.5％瓊脂)，每個稀釋的樣品均塗5個平行板，在37℃下過夜培養。統計催化劑暴露的存活細菌數量和相同實驗條件下沒有催化劑暴露的存活細菌數量。結果表明，反應進行2小時後，大腸桿菌的死亡率為78.2％。
實施例2
將含細菌的汙水分散於100毫升濃度為2毫摩/升的磷酸鹽緩衝溶液(pH＝7.2)，使得E.coli初始濃度為107CFU/毫升，加入20毫克(CuAg)0.15In0.3Zn1.4S2四元硫化物粉體。將混合液超聲5分鐘，使光催化劑在溶液中完全分散。然後用300瓦氙燈(波長是300-800納米)進行照射，光照過程中以600轉/分鐘進行磁力攪拌以使反應液均勻，反應液的溫度通過水浴保持在(20±2)℃。光照2小時後取樣，稀釋100倍，然後將50微升樣品塗於瓊脂板上(Sautons液體培養基，加入1.5％瓊脂)，每個稀釋的樣品均塗5個平行板，在37℃下過夜培養。統計催化劑暴露的存活細菌數量和相同實驗條件下沒有催化劑暴露的存活細菌數量。結果表明，反應進行2小時後，大腸桿菌的死亡率為84.6％。
實施例3
將含細菌的汙水分散於100毫升濃度為2毫摩/升的磷酸鹽緩衝溶液(pH＝7.2)，使得E.coli初始濃度為106CFU/毫升，加入20毫克(CuAg)0.15In0.3Zn1.4S2四元硫化物粉體。將混合液超聲5分鐘，使光催化劑在溶液中完全分散。然後用300瓦氙燈(波長是300-800納米)進行照射，光照過程中以600轉/分鐘進行磁力攪拌以使反應液均勻，反應液的溫度通過水浴保持在(20±2)℃。光照2小時後取樣，稀釋100倍，然後將50微升樣品塗於瓊脂板上(Sautons液體培養基，加入1.5％瓊脂)，每個稀釋的樣品均塗5個平行板，在37℃下過夜培養。統計催化劑暴露的存活細菌數量和相同實驗條件下沒有催化劑暴露的存活細菌數量。結果表明，反應進行2小時後，大腸桿菌的死亡率為90.3％。
實施例4
將含細菌的汙水分散於100毫升濃度為2毫摩/升的磷酸鹽緩衝溶液(pH＝7.2)，使得E.coli初始濃度為106CFU/毫升，加入40毫克(CuAg)0.15In0.3Zn1.4S2四元硫化物粉體。將混合液超聲5分鐘，使光催化劑在溶液中完全分散。然後用300瓦氙燈(波長是300-800納米)進行照射，光照過程中以600轉/分鐘進行磁力攪拌以使反應液均勻，反應液的溫度通過水浴保持在(20±2)℃。光照2小時後取樣，稀釋100倍，然後將50微升樣品塗於瓊脂板上(Sautons液體培養基，加入1.5％瓊脂)，每個稀釋的樣品均塗5個平行板，在37℃下過夜培養。統計催化劑暴露的存活細菌數量和相同實驗條件下沒有催化劑暴露的存活細菌數量。結果表明，反應進行2小時後，大腸桿菌的死亡率為98.6％。
實施例5
將含細菌的汙水分散於100毫升濃度為2毫摩/升的磷酸鹽緩衝溶液(pH＝7.2)，使得E.coli初始濃度為105CFU/毫升，加入50毫克(CuAg)0.15In0.3Zn1.4S2四元硫化物粉體。將混合液超聲5分鐘，使光催化劑在溶液中完全分散。然後用300瓦氙燈(波長是300-800納米)進行照射，光照過程中以600轉/分鐘進行磁力攪拌以使反應液均勻，反應液的溫度通過水浴保持在(20±2)℃。光照1小時後取樣，稀釋100倍，然後將50微升樣品塗於瓊脂板上(Sautons液體培養基，加入1.5％瓊脂)，每個稀釋的樣品均塗5個平行板，在37℃下過夜培養。統計催化劑暴露的存活細菌數量和相同實驗條件下沒有催化劑暴露的存活細菌數量。結果表明，反應進行1小時後，大腸桿菌的死亡率為99.5％。
對比例1
將含細菌的汙水分散於100毫升濃度為2毫摩/升的磷酸鹽緩衝溶液(pH＝7.2)，使得E.coli初始濃度為108CFU/毫升，加入100毫克(CuAg)0.15In0.3Zn1.4S2四元硫化物粉體。將混合液超聲5分鐘，使光催化劑在溶液中完全分散。然後用300瓦氙燈(波長是300-800納米)進行照射，光照過程中以600轉/分鐘進行磁力攪拌以使反應液均勻，反應液的溫度通過水浴保持在(20±2)℃。光照3小時後取樣，稀釋100倍，然後將50微升樣品塗於瓊脂板上(Sautons液體培養基，加入1.5％瓊脂)，每個稀釋的樣品均塗5個平行板，在37℃下過夜培養。統計催化劑暴露的存活細菌數量和相同實驗條件下沒有催化劑暴露的存活細菌數量。結果表明，反應進行3小時後，大腸桿菌的死亡率為36.8％。
對比例2
將含細菌的汙水分散於100毫升濃度為2毫摩/升的磷酸鹽緩衝溶液(pH＝7.2)，使得E.coli初始濃度為105CFU/毫升，加入50毫克(CuAg)0.05In0.1Zn1.8S2四元硫化物粉體。將混合液超聲5分鐘，使光催化劑在溶液中完全分散。然後用300瓦氙燈(波長是300-800納米)進行照射，光照過程中以600轉/分鐘進行磁力攪拌以使反應液均勻，反應液的溫度通過水浴保持在(20±2)℃。光照3小時後取樣，稀釋100倍，然後將50微升樣品塗於瓊脂板上(Sautons液體培養基，加入1.5％瓊脂)，每個稀釋的樣品均塗5個平行板，在37℃下過夜培養。統計催化劑暴露的存活細菌數量和相同實驗條件下沒有催化劑暴露的存活細菌數量。結果表明，反應進行3小時後，大腸桿菌的死亡率為24.4％。
以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應以所述權利要求的保護範圍為準。