一種抑菌性光催化劑的生物輔助合成方法與流程
2023-12-04 07:07:51 2
本發明屬於光催化劑技術領域，具體涉及一種抑菌性光催化劑的生物輔助合成方法。
背景技術：
隨著人類社會的進步，工業發展的同時也帶來了不可忽視的環境問題，在眾多環境問題中，不得不提就是有機染料廢水的排放，這些染料大都具有高毒性和致癌性，會對水生生物、動物、植物和人類形成潛在危害，如果得不到有效的治理，將對人類社會造成很大的威脅。已被用於染料廢水降解的技術有很多，包括化學方法、物理化學方法、生物方法或者多種聯合的方法，例如，活性炭吸附和微生物降解等。以均相fenton反應為代表的傳統水處理辦法普遍存在著催化劑難分離等缺點。在此基礎上發展起來的fe3o4作催化劑的非均相fenton氧化雖利用fe3o4優異的磁性能很好的解決了分離難、二次汙染等問題，但因材料的單一性，依然存在催化效率低、適用ph範圍窄等弊端。同時，汙水中存在的大量細菌病毒等微生物可成為各類疾病的傳播媒介，這一問題在傳統的水處理方法中並未得到妥善解決。研究發現，近紫外光和可見光的引入可大大提高fenton反應的速率，因此photo-fenton法得到了廣泛的研究，尤其是以碳基磁性納米抑菌材料為催化劑的非均相photo-fenton反應不但能高效剔除廢液中的有機染料不造成二次汙染，而且低能耗適用ph範圍廣，同時也能抑制水中各類細菌的生長，有著良好的應用前景和極高的應用價值。雖然，催化劑使用中所產生的環境問題雖已得到有效解決，但催化劑合成過程中因有毒試劑，例如水合肼的使用而帶來的環境汙染仍不容忽視，而且現有技術中的光催化劑催化效率不高。
技術實現要素：
本發明解決的技術問題是在生物分子海藻酸鈉的輔助下，得到了形貌均一的碳基磁性納米抑菌材料(rgo/fe3o4/ag)，並將所得材料進行了抑菌和催化的應用，替換了有毒試劑的使用，提高了催化效率。
本發明為解決上述技術問題採用如下技術方案：
一種抑菌性光催化劑的生物輔助合成方法，包括以下步驟：
(1)將氧化石墨烯和六水合三氯化鐵配成水溶液，加入尿素和海藻酸鈉，隨後轉移至反應釜中200℃加熱20h，反應結束後冷卻至室溫，所得產物離心、清洗、乾燥後得到rgo/fe3o4納米複合材料；
(2)取rgo/fe3o4納米複合材料置於水和無水乙醇的混合溶液中超聲分散，並加入矽烷偶聯劑aptes進行改性，室溫下攪拌，真空乾燥；
(3)納米銀的負載：取改性後的rgo/fe3o4和agno3配成水溶液，加入尿素和海藻酸鈉，隨後轉移至反應釜中200℃加熱8h，反應結束後冷卻至室溫，所得產物離心、清洗、乾燥後得到所述抑菌性光催化劑rgo/fe3o4/ag；
所述氧化石墨烯和六水合三氯化鐵質量比為1∶15-20，尿素和海藻酸鈉的質量比為2-4∶1。
所述的製備rgo/fe3o4納米複合材料時，所述的水的用量為20-40ml，反應釜為20-80ml的聚四氟乙烯不鏽鋼反應釜。
所述的製備rgo/fe3o4納米複合材料時，所述的清洗為將離心的產物經水和無水乙醇交替清洗6次，所述的乾燥為於60℃真空乾燥7h。
所述的進行rgo/fe3o4納米複合材料改性時，所述的水和無水乙醇體積比為1∶1，室溫下攪拌7h，所述的乾燥為於60℃真空乾燥7h。
所述的進行納米銀的負載時，rgo/fe3o4和agno3的比例為8∶8-13，尿素和海藻酸鈉的質量比為2-4∶1，所述的水的用量為20-40ml，反應釜為20-80ml的聚四氟乙烯不鏽鋼反應釜。
所述的進行納米銀的負載時，所述的清洗為將離心的產物經水和無水乙醇交替清洗6次，所述的乾燥為於60℃真空乾燥7h。
本發明合成條件易控，操作方便，環境友好，具有合成設備簡單，原料常見易得，反應快速高效和產品的催化效率較高等優點，對抑菌性催化劑的開發有著重要的指導意義。
附圖說明
圖1是本發明實施例1製得的氧化石墨烯(go)，fe3o4，rgo/fe3o4和rgo/fe3o4/ag的xrd圖譜。
圖2是本發明實施例1製得rgo/fe3o4/ag的透射電鏡圖譜。
圖3是本發明在抑菌應用中的效果圖。
具體實施方式
以下通過實施例對本發明的上述內容做進一步詳細說明，但不應該將此理解為本發明上述主題的範圍僅限於以下的實施例，凡基於本發明上述內容實現的技術均屬於本發明的範圍。
實施例1
圖1是本實施例製得納米複合材料的xrd圖譜，上到下依次是氧化石墨烯(go)，fe3o4，rgo/fe3o4和rgo/fe3o4/ag的xrd圖譜，最下方為fe3o4標準圖譜(jcpdscardno.65-3107)和ag的標準圖譜(jcpdscardno.65-2871)。其中go在2θ＝10.8°處出現的衍射峰對應(001)晶面，而從go到rgo/fe3o4和rgo/fe3o4/ag，(001)晶面特徵峰的消失意味著go在一定程度上已被生物分子海藻酸鈉還原。rgo/fe3o4和fe3o4擁有相同位置的衍射峰，並且能準確對應圖中最下方的fe3o4標準圖譜(jcpdscardno.65-3107)，rgo/fe3o4/ag圖譜中在角度為38°和44°左右出現的衍射峰對應ag的標準圖譜(jcpdscardno.65-2871)中的(111)晶面和(200)晶面，其餘的衍射峰均能與fe3o4標準圖譜(jcpdscardno.65-3107)準確照應，說明無論是fe3o4還是ag都是獨立存在的並未生成合金，且ag的負載並未改變fe3o4的晶相。
圖2是本實施例製得rgo/fe3o4/ag的透射電鏡圖，其中由(a)、(b)可以看出，石墨烯片層結構清晰可見，fe3o4和ag納米顆粒的形狀較為規則，分散性良好，顆粒的尺寸分布在10nm～20nm之間。(c)和(d)圖分別是樣品rgo/fe3o4/ag的選區衍射與晶格條紋。根據此樣品xrd圖譜，在衍射圖中找到了fe3o4的(311)、(200)、(111)晶面和ag的(200)、(111)晶面，在晶格條紋圖中找出了兩種晶格條紋，晶格間距分別為0.210nm和0.200nm，對應fe3o4的(400)晶面和ag的(200)晶面。
在抑菌實驗中的方法為：應用在樣品中放入50μl細菌後，在37℃環境中存放24h。取100μl培養後的細菌放入到900μl無菌生理鹽水(試管1)中，混合均勻，取管1中100μl菌液再次放入到另一支900μl無菌生理鹽水(試管2)中，重複操作一直到試管6，也就意味著稀釋106倍，取稀釋後菌懸液20μl置於固體培養基上，均勻塗抹一直到其表面乾燥，把它在37℃環境中存放24h後，查看菌落生長情況。
圖3是本發明所得納米複合材料的抑菌效果圖，以蘇雲金芽孢桿菌為例，(a)為空白，有223個菌落；(b)是0.7mg/ml實驗所得納米ag溶液塗抹後的效果，有56個菌落，抑菌率74.8％；(c)為0.6mg/ml所得rgo/fe3o4/ag溶液塗抹後的效果，菌落數11，抑菌率95.1％；(d)為0.7mg/ml所得rgo/fe3o4/ag溶液塗抹後的效果，沒有菌落生長，抑菌率100％，由此推測rgo/fe3o4/ag對蘇雲金芽孢桿菌的最小抑菌濃度為0.7mg/ml。由於石墨烯能讓納米顆粒有效分散且複合材料中存在協同作用，因此所得複合材料有著比納米銀更突出的抑菌性能。
應用在室溫25℃，控制時間為60min，雙氧水起始濃度為10.0mmol·l-1，亞甲基藍的起始濃度為20mg·l-1，rgo/fe3o4/ag投加量為0.25g·l-1的條件下，調節溶液起始ph為6的實驗條件下探究所得材料在photo-fenton體系催化降解亞甲基藍實驗中的催化性能。實驗結果表明，60min後最高能達到95％的降解率，且多次循環使用降解率並無明顯下降，在實際水樣中使用時也同樣能保持良好的催化性能，有著很高的應用價值和優秀的應用前景。
以上實施例描述了本發明的基本原理、主要特徵及優點，本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明原理的範圍下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進均落入本發明保護的範圍內。