光電催化滅活水中大腸桿菌

萬志江，潘湛昌，張宏梅，宋 凱，何喜威，蕭炬榮，李麥丹，梁李新，劉 端

(廣東工業大學輕工化工學院，廣東 廣州 510006)

為了解決飲用水氯化消毒可能產生的副產物“鹵代有機烴”等物質對人體健康的潛在危害，人們一直在尋求新的飲用水消毒方法。自1985年首次發現TiO2具有對微生物的滅活作用后，TiO2光催化滅活微生物和大腸桿菌的研究已有報道[1～4]。光電催化方法不但克服了懸浮法分離困難的缺點，而且顯著提高了降解效率，已應用于光電催化降解有機物方面[5，6]。目前，國內外尚無應用光電催化方法滅活水中大腸桿菌的報道。作者在此采用光電催化方法殺滅水中大腸桿菌，利用正交實驗得出了最佳凈水效果下的電極板間距、電壓和殺菌時間等實驗參數。

1 實驗

1.1 材料、試劑和儀器

水樣取自廣東工業大學人工湖。

Na2HPO4、KH2PO4、土豆瓊脂培養基、牛肉膏蛋白胨培養基，市售；蒸餾水。

30 V直流穩壓電源，培養皿，無菌操作臺，濕熱滅菌鍋，恒溫培養箱。

1.2 裝置(圖1)

圖1 光電催化反應裝置

光電催化反應器材質為石英玻璃，電極正極為35 mm×55 mm的泡沫鎳負載鈷摻雜二氧化鈦，負極為Φ5 mm×100 mm的碳棒，紫外光源為波長為253.7 nm、9 W的紫外燈，100 mL溶液。

1.3 活菌數的測定

以大腸桿菌濃度為考核指標。采用平皿計數法測定水中的活菌數。采用土豆瓊脂培養基或牛肉膏蛋白胨培養基，在37°C下恒溫培養24 h，測定水中細菌總數。

2 結果與討論

2.1 光催化和光電催化滅菌效果比較

在電極板間距為30 mm、外加電壓為10 V的條件下比較光催化和光電催化的滅菌效果，結果見表1。

表1 光電催化和光催化滅菌效果對比

由表1可見，光電催化滅菌效果明顯優于光催化。

2.2 電壓對光電催化的影響(圖2)

圖2 細菌濃度和電壓的關系

由圖2可見，殺菌時間相同時，不同電壓下光電催化的滅菌效果差別很大。在電壓為0～12 V時，滅菌率隨著電壓的升高而升高；在電壓為12～18 V時，滅菌率隨著電壓的升高而降低。這是因為正極偏壓的增大阻止了光生空穴和光生電子的復合，增加了光生空穴和羥基自由基的數量，從而提高了催化活性，因此隨著電壓的增大，滅菌率不斷升高。但光強一定時，光生電子的數量也是一定的，當外加電壓達到一定值時，光生載流子已達到充分分離，繼續增大電壓，產生的氣泡反而附在電極表面，形成隔離層，降低了電極和溶液的接觸面積，滅菌率反而有所降低。因此，選擇較適宜電壓為12 V。

2.3 電極板間距對光電催化的影響(圖3)

圖3 滅菌率和電極板間距的關系

由圖3可見，相同殺菌時間和電壓下，不同電極板間距下光電催化的滅菌效果差別很大。當電極板間距在6～40 mm范圍內時，滅菌率隨著電極板間距的增大而升高。可見，過小的電極板間距影響了溶液的擴散，不利于光電催化實驗的進行。

2.4 光電催化正交實驗

為探討適宜的工藝條件，以電壓、殺菌時間、電極板間距為考察因素，以滅菌率為考核指標進行正交實驗，其因素與水平見表2，結果與分析見表3。

表2 正交實驗因素與水平

表3 正交實驗結果與分析

由表3可知，各因素對光電催化滅菌率的影響大小依次為：殺菌時間>電極板間距>電壓。最佳光電催化滅菌條件為A3B3C2,即電壓15 V、殺菌時間15 s、電極板間距40 mm，在此條件下，對大腸桿菌的滅菌率達到100%。

2.5 對普通湖水細菌的滅菌效果

在本實驗研究的條件下，用12 V電壓、40 mm的電極板距離，滅活取自廣東工業大學人工湖的水樣的細菌，對照組的細菌濃度為1564×102cfu·mL-1，經光電催化處理180 s以后，出水細菌濃度為0 cfu·mL-1，完全符合國標對飲用水的要求(細菌濃度小于50 cfu·mL-1、大腸桿菌濃度小于3 cfu·mL-1)。

3 結論

用泡沫鎳負載鈷摻雜二氧化鈦和碳棒組成的光電催化裝置，對236 cfu·mL-1大腸桿菌有很強的殺菌作用，在電壓為15 V、殺菌時間為15 s、電極板間距為40 mm條件下，對大腸桿菌的滅菌率達到100%，達到國家飲用水標準。

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