專利名稱：一種室溫條件下催化消毒的高效介孔硅抗菌材料及其應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于環(huán)境催化技術領域，涉及金屬負載的介孔硅抗菌材料及其室溫條件下
對致病性微生物的催化氧化去除，實現(xiàn)對空氣和飲用水的消毒和凈化，減小疾病對人體的危害。
背景技術：
由于空氣和水中的細菌、病毒及其它污染物的存在，給人類的生活帶來極大的危
害。世界衛(wèi)生組織的調查顯示出當前人類80%以上的疾病與室內空氣污染和水污染有關，
而其中的致病性微生物污染則是引起疾病的主要殺手。2003年的SARS病毒以及緊隨其后
的禽流感疫情的肆虐和目前甲型H1N1流感的全球蔓延，更喚起了公眾對自身居住環(huán)境殺
菌、消毒的強烈意識，推動了環(huán)境及醫(yī)療領域對抗菌材料的開發(fā)和研究。 目前應用較多的空氣和飲用水消毒技術有臭氧消毒法、紫外線消毒法、氯氣消毒
法以及化學藥劑消毒等。其中應用時間最久的傳統(tǒng)的氯氣消毒法經(jīng)最新研究表明極易與
水中的有機污染物反應產(chǎn)生三氯甲烷等致癌副產(chǎn)物，臭氧消毒法則易于將水中的溴離子氧
化為對人體有害的溴酸根等副產(chǎn)物，另外消毒過程中所使用的紫外線和臭氧均需要現(xiàn)場制
備，設備復雜，化學藥劑消毒方法在有效破壞有害微生物的同時，大量毒性物質殘留，對人
體和物品都有很大的破壞性。 近年來，催化氧化技術尤其是以半導體材料如無毒無害的Ti02為催化劑的光催化 氧化技術成為空氣和飲用水消毒技術的研究熱點，但其在實際應用中存在的問題是，為保 證較高的催化活性，除了要以Ti02納米粉體或薄膜作為光催化劑外，仍需使用紫外光或近 紫外光激發(fā)Ti02產(chǎn)生強氧化性中間體殺死微生物，這就使得該種技術不僅原料制備方法復 雜，技術要求高，而且整體設備復雜導致成本較高，如專利96197457. 5和98240831. 5。這些 明顯的不足限制了該種技術大規(guī)模的推廣應用。 現(xiàn)代表面科學和催化的研究結果表明，利用氧化物擔載的納米金屬比如Ag和Au 等催化劑在室溫條件下能有效吸附有機分子，同時可以高效解離空氣中的氧分子形成具 有較強氧化能力的氧負離子，用以催化有機體的水解和氧化，從而達到對致病微生物的高 效吸附和滅活作用[Catalysis Communications, 5 (2000) 170-172， Dental Materials, 24 (2008) 244-249， Carbohydrate Polymers, 78 (2009) 54-59].但這些抗菌材料存在容易變 色、在殺菌過程中向水中溶出的金屬離子量較大的缺點，限制了它們的廣泛應用。近期，研 究發(fā)現(xiàn)以具有納米級孔結構和較高比表面的納米介孔分子篩為載體能夠大大減少金屬離 子的溶出[Carbon, 39 (2001) 1607-1610]。

發(fā)明內容
本發(fā)明針對上述問題，提供一種不需要紫外光源也不需要任何能源在室溫下就可 實現(xiàn)對致病微生物徹底催化氧化去除的抗菌材料，在環(huán)保和節(jié)能的前提下達到殺滅微生物 和凈化空氣以及水源的目的。該催化劑使用SBA-15介孔硅分子篩和少量金屬為原料，制備方法簡單，且能快速殺菌，不需要復雜的附屬設備和外在條件。 本發(fā)明的科學原理敘述如下室溫下氧氣吸附在很多金屬表面可以解離成吸附狀 態(tài)的氧原子或帶電荷的過氧或超氧自由基。這些自由基具有極強的氧化性，因而抗菌活性 極高。同時進一步的研究表明，具有高比表面積的介孔硅分子篩載體可以有效抑制活性金 屬組分的團聚，促進其在載體表面的分散，使得催化劑性能更加穩(wěn)定而不易變色。而且這種 催化氧化消毒作用，不會對人體和環(huán)境產(chǎn)生任何副作用。 本發(fā)明的抗菌材料以SBA-15介孔硅分子篩為主體，活性金屬組分為金、銀、銅、 鐵、鋅、鎂、鈰金屬群中的一種或多種金屬組分。前述SBA-15介孔硅分子篩由硅源與表面活 性劑在鹽酸或者硝酸溶液中制得。前述按一定摩爾比混合成的溶液于40 6(TC攪拌20 24h，然后在80 IO(TC高壓反應釜中老化20 24h，再用超純水洗劑，8(TC烘干過夜，最后 經(jīng)馬弗爐于55(TC空氣中焙燒3 6h，即得SBA-15介孔硅分子篩。在實驗條件下現(xiàn)場制備 的SBA-15載體具有更大的比表面積和活性?；钚越M分負載采用初濕浸漬法、浸漬法、共縮 合法，例如，選用浸漬法，按照0.5 6% (金屬元素重量換算值)負載量的比例將該金屬的 硝酸鹽溶液直接加入到SBA-15溶液中，在室溫條件下充分混勻反應1 2h。負載完成之后， 用旋轉蒸發(fā)儀在6(TC去掉水分，再放入烘箱中于10(TC烘干過夜，最后經(jīng)馬弗爐于60(rC空 氣中焙燒3 5h即制得催化劑抗菌材料。 本發(fā)明的催化抗菌材料可以按照不同的使用要求預先加工成任何形狀，如負載在
各種金屬制成的蜂窩或篩網(wǎng)結構壁表面上，以及纖維質的濾網(wǎng)、濾布上，或開孔泡沫體也可
以用作催化劑的結構性載體?？梢酝糠笥谥醒肟照{、大樓通風過濾系統(tǒng)、或獨立空調空氣過
濾介質上，或涂敷在室內墻壁、紗窗、口罩和防護服上使用，還可以用于各種飲水機、凈水器
以及礦泉壺等物品的過濾凈化裝置，可自動進行空氣消毒，不需要加熱和光照。 本發(fā)明的催化抗菌材料及其應用和現(xiàn)有技術相比，具有如下優(yōu)點 (1)本發(fā)明的催化抗菌材料制備原料低廉易得，制備工藝簡單，可有效應用于室溫
條件下空氣和飲用水中致病微生物的氧化去除，且耐熱耐高溫，不易變色，性能穩(wěn)定。
(2)本發(fā)明的催化抗菌材料可以利用與空氣和水中氧氣分子的接觸催化氧化，高
效、持久的消毒凈化空氣和飲用水，不需要紫外光源和熱源，設備簡單，運行成本低廉。
(3)本發(fā)明的催化抗菌材料在實驗條件下較短作用時間內對目標微生物大腸桿菌
和金黃色葡萄糖球菌可達到100%的殺菌率。 (4)本發(fā)明催化抗菌材料用量少，水中溶出的各種金屬離子量少，安全經(jīng)濟，不會 對人體和生態(tài)環(huán)境造成任何危害。
具體實施例方式
為了更清楚地說明本發(fā)明，列舉以下實施例，但其對本發(fā)明的范圍無任何限制。
實施例1取10克Pluronic P123溶解于300mL 0. 35mol/L的鹽酸溶液中，攪拌均勻后，在 不斷攪拌下緩慢加入21. 25mL正硅酸已酯，在4(TC攪拌20h后，置于IO(TC高壓反應釜中老 化24h，然后用超純水洗劑，8(TC烘干過夜。將烘干后的材料在空氣氣氛中，以rC每分鐘的 升溫速度，從2(TC升溫到55(TC，在55(TC焙燒5小時。
實施例2
取100克實施例1中制備的SBA-15粉末與其孔容體積相當?shù)乃舛鹊南跛徙y、硝酸鐵和硝酸銅均勻混合，在IO(TC過夜干燥后，在馬弗爐中于60(TC焙燒3小時，降至室溫，即獲得實施例2催化劑。制成品催化抗菌材料的銀組分負載量為2%，鐵組分負載量為2%，銅組分負載量為2%。
實施例3
取100克實施例1中制備的SBA-15粉末徐徐加入到所定濃度的硝酸銀、硝酸鐵和硝酸銅的混合水溶液中，攪拌1小時，將混合溶液加入旋轉蒸發(fā)儀于6(TC蒸發(fā)掉水分，在IO(TC過夜干燥后，在馬弗爐中于60(TC焙燒3小時，降至室溫，即獲得實施例3催化劑。制成品催化抗菌材料的銀組分負載量為2%，鐵組分負載量為2%，銅組分負載量為2%。
實施例4
取實施例2中銀組分含量為2%的催化抗菌材料0. 2g，在20大氣壓下，壓成直徑
1厘米的圓片，在室溫25t:條件下，將菌液濃度為1E+06CFU/mL的大腸桿菌菌液與加熱后的
瓊脂培養(yǎng)基在培養(yǎng)皿中均勻混合，待冷卻至室溫培養(yǎng)基凝固后，將催化劑圓片和作為空白
對照的同樣大小的濾紙圓片按一定間距放在培養(yǎng)皿中的瓊脂表面，經(jīng)37t:培養(yǎng)24h后，催
化劑周圍無菌生長，且抑菌作用持續(xù)48h未見有菌長出，而作為空白對照的濾紙片周圍則
同其他部位一樣均勻生長大量菌落。實施例5
將0. 2克實施例2中銀組分含量為2%的催化抗菌材料在20大氣壓下壓成直徑1厘米的圓片，室溫25t:下大氣中，將大腸桿菌懸液(108，20i!L)滴在催化劑表面。培養(yǎng)實驗結果顯示，5分鐘的殺菌效率達到100%。對照實驗顯示，同樣條件下濾紙沒有殺菌效果。
實施例6
分別取實施例2和實施例3中銀組分負載量為2%的催化抗菌材料各0. 005g，加入盛有100mL無菌去離子水的100mL錐形瓶中，即催化劑濃度為50mg/L，向其中加入大腸桿菌初始菌液，調整最終的菌液濃度為1E+07CFU/mL，于室溫25。C進行殺菌活性測試，反應過程中采用磁力攪拌裝置對體系不斷進行攪拌。培養(yǎng)實驗結果顯示，實施例2和實施例3中的載銀催化抗菌材料，在反應10min后殺菌率即可達到100% ，且殺菌作用持久，48h內未見有菌生長。而對照實驗顯示，同樣條件下不加催化抗菌材料則沒有殺菌效果。
實施例7
取實施例2中銅含量為2%的催化抗菌材料0. 2g，在20大氣壓下，壓成直徑1厘米的圓片，將瓊脂培養(yǎng)基經(jīng)高溫滅菌后倒入無菌培養(yǎng)皿中，待其自然冷卻凝結為固態(tài)平面后，在室溫25t:條件下，用無菌玻璃刮刀將濃度為1E+06CFU/mL的金黃色葡萄球菌和霉菌菌液均勻涂布在其表面，將催化劑圓片和作為空白對照的同樣大小的濾紙圓片按一定間距放在培養(yǎng)皿中的瓊脂表面，經(jīng)37t:培養(yǎng)24h后，催化劑周圍無菌生長，且抑菌作用持續(xù)48h未見有菌長出，而作為空白對照的濾紙片周圍則同其他部位一樣均勻生長大量菌落。
權利要求
一種在室溫條件下對致病性微生物污染的空氣和水源進行催化氧化消毒的高效催化抗菌材料，其特征在于該催化抗菌材料是在SBA-15介孔硅分子篩載體上負載0.5～6％(質量百分含量)具有殺菌活性的金屬組分。
2. 如前述權利要求1所述的催化劑，其特征在于，前述活性金屬組分是銀、金、銅、鋅、 鎂、鈰中的至少一種。
3. 如前述權利要求1所述的催化劑，其特征在于，前述活性金屬組分通過初濕浸漬、浸 漬法、共縮合法負載在介孔硅載體上。
4. 如前述權利要求1所述的催化劑，其特征在于，致病性微生物是指大腸桿菌、金黃色 葡萄球菌、霉菌。
全文摘要
本發(fā)明提供一種室溫不需要加熱和光照條件高效催化消毒的抗菌材料。該催化抗菌材料由負載在SBA-15介孔硅分子篩載體上的金、銀、銅、鐵、鎂、鈰金屬群中的一種或多種金屬組分構成，各金屬組分的負載量分別為0.5-6％(質量百分含量)。SBA-15由硅源和表面活性劑在鹽酸或硝酸溶液中反應得到，活性金屬組分通過初濕浸漬、浸漬、共縮合法負載到SBA-15上。該催化抗菌材料可以按照不同的使用要求預先加工成任何形狀，涂敷于中央空調、大樓通風過濾系統(tǒng)，或室內墻壁、紗窗、口罩和防護服上使用，也適用于飲水機、凈水器、礦泉壺等物品的濾網(wǎng)、濾芯等過濾凈化裝置。本發(fā)明的催化抗菌材料使用時不需要其它附加的外部條件，節(jié)約能源，經(jīng)濟環(huán)保，具有推廣的價值。
文檔編號C02F1/50GK101791572SQ20101011969
公開日2010年8月4日 申請日期2010年3月9日 優(yōu)先權日2010年3月9日
發(fā)明者張長斌, 王少莘, 王蓮, 賀泓 申請人:中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心