负载TiO2活性炭的制备及抗菌性能

细菌、病菌在我们衣物中滋生和传播已经成为不容忽视的问题, 为此开发更加环保、高效、性能良好的抗菌纤维材料对改善人们的生活和工作环境具有深远的意义[1,2]。目前国内采用无机抗菌剂主要为银, 但是银在杀菌过程中会释放有毒物质内毒素, 而Ti O2主要是利用光催化作用达到杀菌目的, 杀菌过程不消耗Ti O2且无毒, 稳定持久, 对皮肤无刺激, 具有极高的安全性[3]。研究发现Ti O2具有环保、抗菌性能强的效果, 同时发现单独使用易团聚等缺点后, 利用多孔材料负载纳米二氧化钛成为了科学家们争先研究的对象, 有用沸石, 黏土, 膨胀石墨, 活性炭、炭纳米管等作为载体, 但目前大部分还只是在实验研究阶段, 利用到人们的生活中还不算广泛[4,5,6]。

活性炭改性是改变其表面的酸碱性, 在炭的表面引入或除去某些官能团, 改性后的活性炭空隙较大, 具有较强的吸附能力和催化特性。使其应用范围更广、更贴合实际生活[7,8]。Ti O2与活性炭复合, 利用活性炭多孔性, 构成细小范围内的局部高浓度, 再经过的光催化降解脱附, 即可解决连续使用、二次污染问题, 同时也可进一步延长光催化剂的使用时间和提高使用的效率[9]。

本研究将两种方法制备的Ti O2前驱体, 分别负载到酸改性后比较面积较大的活性炭上, 将负载了Ti O2的活性炭附着到无纺布上制备抑菌材料, 并对其抑菌性能进行研究。

1 实验

1.1 主要原料、药品及仪器

原料及药品:活性炭 (分析纯, 合山市化工厂有限公司) ;盐酸 (分析纯, 西陇化工股份有限公司;无水乙醇 (分析纯, 广东光华科技股份有限公司) ;钛酸丁酯 (化学纯, 天津市福晨化学试剂厂) ;氢氧化钠 (分析纯, 广东光华科技股份有限公司) ;氯化钠 (分析纯, 西陇化工股份有限公司) ;冰醋酸 (分析纯, 广东光华科技股份有限公司) ;牛肉膏 (广东环凯通化学试剂有限公司) ;蛋白胨 (广东环凯通化学试剂有限公司) ;琼脂粉 (天津市凯通化学试剂有限公司) ;葡萄糖 (分析纯, 广东省化学试剂工程技术研究研发中心) 。

仪器:培养箱 (KYC-1102C, 上海福玛实验设备有限公司) ;电动搅拌器 (JJ-1, 金坛市融化仪器制造有限公司) ;高压灭菌锅 (上海福玛实验设备有限公司) ;干燥箱 (上海福玛实验设备有限公司) ;超净工作台 (苏州苏洁净化设备有限公司) ;搅拌数显恒温电热套 (JK-DHT, 山东菏泽精科仪器有限公司) 。

1.2 活性炭微粒的制备

称取100g活性炭研磨20分钟, 用300目筛子筛选后加入蒸馏水中, 搅拌加热至沸腾后, 加入1mo L/L HNO3搅拌30分钟、静置24小时、洗涤至中性、抽滤后放入烘箱中, 在90℃下烘干2h。

1.3 纳米Ti O2前驱体制备

第一种制备方法:A液:取30m L钛酸丁酯, 边搅拌边缓慢加入60m L无水乙醇。B液:取3m L浓盐酸、3m L冰醋酸、30m L无水乙醇和3m L纯于烧杯中。在A液中加入15g之前干燥好的活性炭后, 缓慢加入到B液中后, 搅拌30min, 在烘箱中干燥4小时 (100℃) 后, 放入电热套 (400℃) 中烘干3h。

第二种制备方法:取25m L钛酸丁酯、15m L冰醋酸、75m L无水乙醇于烧杯中, 搅拌1小时, 缓慢滴入10m L纯水, 搅拌得到黄色凝胶, 加入10g碳粉, 陈化、过滤后放入烘箱 (100℃) 干燥4小时, 然后放入电热套 (400℃) 中烘干3h。

1.4抗菌性能的测试

1.4.1 培养基配制

液体培养基配制:称取0.3g牛肉膏、1g蛋白胨、0.5g氯化钠和2g葡萄糖于烧杯中, 加入100m L蒸馏水, 全部溶解后, 分别装如不同锥形瓶后灭菌, 待溶液冷却至室温后, 从冰箱取出大肠杆菌和金黄色葡萄球菌, 分别接种细菌到液体培养基中, 接种后的放入37℃的培养箱内培养24小时, 观察细菌生长情况[10,11]。

固体培养基配制:称取1.5g牛肉膏, 5g蛋白胨、2.5g氯化钠、10g葡萄糖、8g琼脂置于锥形瓶中灭菌后趁热倒板。

1.4.2 抗菌性能测试

把负载Ti O2的活性炭附着在无纺布上, 放入装有培养基的培养皿中 (无纺布上附着活性炭的量如表1所示) , 观察其抑菌圈大小。对比检测了两种方法制备的Ti O2前驱体负载的活性炭, 附着到无纺布上后, 无纺布的抑菌性能, 并对其进行对比分析, 得到较优制备工艺。

2 结果与讨论

2.1 附着活性炭无纺布的抗菌性能

附着负载Ti O2活性炭的无纺布放入装有培养基的培养皿培养24小时后, 抑菌效果如图1所示。

空白实验细菌布满, 1#-4#培养皿中无纺布附着负载Ti O2活性炭的量依次增加。通过对抑菌圈的观察可知:1#培养皿中1*、6、6*号无纺布没有抑菌圈;2#培养皿中2和2*号无纺布有0.2cm抑菌圈;3#培养皿中无纺布3号的抑菌圈为0.5cm、3*号的为0.45cm、4号的为0.7cm;4#培养皿中5、5*号无纺布的抑菌圈分别为1.2cm和1.5cm。随时间增加抑菌圈变小, 57小时后无纺布区域长满细菌。

2.2 两种实验方法的对比分析

活性炭负载第一种方法或第二种方法制备的Ti O2前驱体后, 抑菌效果相差不大, 第二种较优。烘干后研磨时, 第二种方法没有第一种方法得到的活性炭细腻, 其负载的Ti O2溶胶较多。负载Ti O2活性炭能抑制大肠杆菌 (浓度为4.56×109个/m L) 53小时。抑菌时间随大肠杆菌浓度降低而增加, 但增加时间有限。

Ti O2是光催化剂, 活性炭有再生性, 所以当其抑菌效果慢慢变弱后, 可将其置于太阳下, 来恢复其抗菌和吸附性能。具有抗菌性能的无纺布可用来做鼠标垫、鞋垫等具有性能的产品。

3 结语

3.1 活性炭吸附Ti O2溶胶时, 要使得抗菌效果更为明显, 应加大Ti O2的量, 活性炭:钛酸丁酯>1:3;

3.2 随着负载Ti O2活性炭量的增加, 抑菌圈增大。抑菌圈的大小和负载Ti O2活性炭的量呈线性关系;

3.3 随着大肠杆菌浓度的降低, 负载Ti O2活性炭的无纺布的抑菌时间相对增加;

3.4 活性炭负载第一种方法或第二种方法制备的Ti O2前驱体后, 抗菌效果相差不大, 第二种较优。

摘要：随着科学技术发展, 环境污染和细菌传播日益严重, 制备环保、高效、性能良好的抗菌材料对改善人们生活和工作环境具有深远的意义。本研究将两种溶胶—凝胶法制备的Ti O2溶胶, 负载到酸改性后比较面积较大的活性炭上, 将已经吸附Ti O2的活性炭附着到无纺布上, 并对其抗菌性能进行研究。通过实验得到:活性炭和钛酸丁酯用量比为1:3;吸附了Ti O2的活性炭在高温400℃下高温煅烧后, 无纺布抑菌性能较好;用第二种方法制备纳米Ti O2前驱体后制备的无纺布抑菌性能较好。具有抑菌性能的无纺布可用来做鼠标垫、鞋垫等具有抑菌性能的产品。

关键词：活性炭,TiO2溶胶,抗菌

参考文献

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