負載TiO2活性炭的制備及抗菌性能

謝瑋 劉振華(梧州學(xué)院，廣西 梧州 543002)

細菌、病菌在我們衣物中滋生和傳播已經(jīng)成為不容忽視的問題，為此開發(fā)更加環(huán)保、高效、性能良好的抗菌纖維材料對改善人們的生活和工作環(huán)境具有深遠的意義[1,2]。目前國內(nèi)采用無機抗菌劑主要為銀，但是銀在殺菌過程中會釋放有毒物質(zhì)內(nèi)毒素，而TiO2主要是利用光催化作用達到殺菌目的，殺菌過程不消耗TiO2且無毒，穩(wěn)定持久，對皮膚無刺激，具有極高的安全性[3]。研究發(fā)現(xiàn)TiO2具有環(huán)保、抗菌性能強的效果，同時發(fā)現(xiàn)單獨使用易團聚等缺點后，利用多孔材料負載納米二氧化鈦成為了科學(xué)家們爭先研究的對象，有用沸石，黏土，膨脹石墨，活性炭、炭納米管等作為載體，但目前大部分還只是在實驗研究階段，利用到人們的生活中還不算廣泛[4-6]。

活性炭改性是改變其表面的酸堿性，在炭的表面引入或除去某些官能團，改性后的活性炭空隙較大，具有較強的吸附能力和催化特性。使其應(yīng)用范圍更廣、更貼合實際生活[7,8]。TiO2與活性炭復(fù)合，利用活性炭多孔性，構(gòu)成細小范圍內(nèi)的局部高濃度，再經(jīng)過的光催化降解脫附，即可解決連續(xù)使用、二次污染問題，同時也可進一步延長光催化劑的使用時間和提高使用的效率[9]。

本研究將兩種方法制備的TiO2前驅(qū)體，分別負載到酸改性后比較面積較大的活性炭上，將負載了TiO2的活性炭附著到無紡布上制備抑菌材料，并對其抑菌性能進行研究。

1 實驗

1.1 主要原料、藥品及儀器

原料及藥品：活性炭(分析純，合山市化工廠有限公司)；鹽酸(分析純，西隴化工股份有限公司；無水乙醇(分析純，廣東光華科技股份有限公司)；鈦酸丁酯(化學(xué)純，天津市福晨化學(xué)試劑廠)；氫氧化鈉(分析純，廣東光華科技股份有限公司)；氯化鈉(分析純，西隴化工股份有限公司)；冰醋酸(分析純，廣東光華科技股份有限公司)；牛肉膏(廣東環(huán)凱通化學(xué)試劑有限公司)；蛋白胨(廣東環(huán)凱通化學(xué)試劑有限公司)；瓊脂粉(天津市凱通化學(xué)試劑有限公司)；葡萄糖(分析純，廣東省化學(xué)試劑工程技術(shù)研究研發(fā)中心)。

儀器：培養(yǎng)箱(KYC-1102C，上海福瑪實驗設(shè)備有限公司)；電動攪拌器(JJ-1，金壇市融化儀器制造有限公司)；高壓滅菌鍋(上海福瑪實驗設(shè)備有限公司)；干燥箱(上海福瑪實驗設(shè)備有限公司)；超凈工作臺(蘇州蘇潔凈化設(shè)備有限公司)；攪拌數(shù)顯恒溫電熱套(JK-DHT，山東菏澤精科儀器有限公司)。

1.2 活性炭微粒的制備

稱取100g活性炭研磨20分鐘，用300目篩子篩選后加入蒸餾水中，攪拌加熱至沸騰后，加入1moL/LHNO3攪拌30分鐘、靜置24小時、洗滌至中性、抽濾后放入烘箱中，在90℃下烘干2h。

1.3 納米TiO2前驅(qū)體制備

第一種制備方法：A液：取30mL鈦酸丁酯，邊攪拌邊緩慢加入60mL無水乙醇。B液：取3mL濃鹽酸、3mL冰醋酸、30mL無水乙醇和3mL純于燒杯中。在A液中加入15g之前干燥好的活性炭后，緩慢加入到B液中后，攪拌30min，在烘箱中干燥4小時(100℃)后，放入電熱套(400℃)中烘干3h。

第二種制備方法：取25mL鈦酸丁酯、15mL冰醋酸、75mL無水乙醇于燒杯中，攪拌1小時，緩慢滴入10mL純水，攪拌得到黃色凝膠，加入10g碳粉，陳化、過濾后放入烘箱(100℃)干燥4小時，然后放入電熱套(400℃)中烘干3h。

1.4 抗菌性能的測試

1.4.1 培養(yǎng)基配制

液體培養(yǎng)基配制：稱取0.3g牛肉膏、1g蛋白胨、0.5g氯化鈉和2g葡萄糖于燒杯中，加入100mL蒸餾水，全部溶解后，分別裝如不同錐形瓶后滅菌，待溶液冷卻至室溫后，從冰箱取出大腸桿菌和金黃色葡萄球菌，分別接種細菌到液體培養(yǎng)基中，接種后的放入37℃的培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)24小時，觀察細菌生長情況[10,11]。

固體培養(yǎng)基配制：稱取1.5g牛肉膏，5g蛋白胨、2.5g氯化鈉、10g葡萄糖、8g瓊脂置于錐形瓶中滅菌后趁熱倒板。

1.4.2 抗菌性能測試

把負載TiO2的活性炭附著在無紡布上，放入裝有培養(yǎng)基的培養(yǎng)皿中(無紡布上附著活性炭的量如表1所示)，觀察其抑菌圈大小。對比檢測了兩種方法制備的TiO2前驅(qū)體負載的活性炭，附著到無紡布上后，無紡布的抑菌性能，并對其進行對比分析，得到較優(yōu)制備工藝。

表1 無紡布編號與其附著活性炭量關(guān)系表

2 結(jié)果與討論

2.1 附著活性炭無紡布的抗菌性能

附著負載TiO2活性炭的無紡布放入裝有培養(yǎng)基的培養(yǎng)皿培養(yǎng)24小時后，抑菌效果如圖1所示。

圖1 附著活性炭的無紡布的抑菌實驗圖

空白實驗細菌布滿，1#-4#培養(yǎng)皿中無紡布附著負載TiO2活性炭的量依次增加。通過對抑菌圈的觀察可知：1#培養(yǎng)皿中1*、6、6*號無紡布沒有抑菌圈；2#培養(yǎng)皿中2和2*號無紡布有0.2cm抑菌圈；3#培養(yǎng)皿中無紡布3號的抑菌圈為0.5cm、3*號的為0.45cm、4號的為0.7cm；4#培養(yǎng)皿中5、5*號無紡布的抑菌圈分別為1.2cm和1.5cm。隨時間增加抑菌圈變小，57小時后無紡布區(qū)域長滿細菌。

2.2 兩種實驗方法的對比分析

活性炭負載第一種方法或第二種方法制備的TiO2前驅(qū)體后，抑菌效果相差不大，第二種較優(yōu)。烘干后研磨時，第二種方法沒有第一種方法得到的活性炭細膩，其負載的TiO2溶膠較多。負載TiO2活性炭能抑制大腸桿菌(濃度為4.56×109個/mL)53小時。抑菌時間隨大腸桿菌濃度降低而增加，但增加時間有限。

TiO2是光催化劑，活性炭有再生性，所以當(dāng)其抑菌效果慢慢變?nèi)鹾螅蓪⑵渲糜谔栂拢瑏砘謴?fù)其抗菌和吸附性能。具有抗菌性能的無紡布可用來做鼠標(biāo)墊、鞋墊等具有性能的產(chǎn)品。

3 結(jié)語

3.1 活性炭吸附TiO2溶膠時，要使得抗菌效果更為明顯，應(yīng)加大TiO2的量，活性炭：鈦酸丁酯＞1:3；

3.2 隨著負載TiO2活性炭量的增加，抑菌圈增大。抑菌圈的大小和負載TiO2活性炭的量呈線性關(guān)系；

3.3 隨著大腸桿菌濃度的降低，負載TiO2活性炭的無紡布的抑菌時間相對增加；

3.4 活性炭負載第一種方法或第二種方法制備的TiO2前驅(qū)體后，抗菌效果相差不大，第二種較優(yōu)。

[1]林健東,楊北兵.新發(fā)傳染病流行特點及應(yīng)對策略[J].中國熱帶醫(yī)學(xué),2007,7(4):597-598.

[2]江霞,蔣文舉,金燕.改性活性炭在環(huán)境保護中的應(yīng)用[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù).2003,26(5):55-57.

[3]張慧書,劉守新.TiO2光催化殺菌機理及應(yīng)用研究進展[J].學(xué)技術(shù)與工程,2009,17(9):5049-5055.

[4]Yu Y,Yu JC,et a1.Enhancement of adsorption and photo?catalytic activity of TiO2by using carbon nanotubes for the treat?mentofazodye[J].ApplCatalB,2005,61:1.

[5]黃妙良,楊媛媛,申明.多孔材料負載TiO2光催化材料的研究進展[J].材料導(dǎo)報:綜述篇,2009,23(9):110-113.

[6]劉正峰,劉守新,李曉輝等.吸附劑負載TiO2光催化劑研究進展[J].化學(xué)通報,2008,28(10):755-764.

[7]張春山,邵曼君.活性炭材料改性及其在環(huán)境治理中的應(yīng)用[J].過程工程學(xué)報.2005,5(2):223-227.

[8]彭怡,古昌紅,傅敏.活性炭改性的研究進展[J].重慶工商大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)2007,24(6):577-580.

[9]張環(huán),陳克寧,楊俊玲等.應(yīng)用納米TiO2整理劑制備抗菌織物及其抗菌性能研究[J].天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2005,24(5):40-42.

[10]車振明.微生物實驗[M],科學(xué)出版社,2011:34-73.

[11]張環(huán),陳克寧,楊俊玲等.應(yīng)用納米TiO2整理劑制備抗菌織物及其抗菌性能研究[J].天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2005,24(6):40-42.