活性炭對膨潤土貓砂性能的影響

王 誠 范秋蘋 董桂紅 何榮彥 郭慧君

（1.山東健源生物科技有限公司，山東 泰安 271000；2.山東寵言生物科技有限公司，山東 泰安 271000；3.山東農業(yè)大學，山東 泰安 271000）

隨著寵物貓的數量日益增加，作為貓咪飼養(yǎng)的消耗品，貓砂的銷量急速攀升，人們除了使用貓砂處理尿液糞便外，還對貓砂的除臭抑菌效果、提升貓咪舒適感和健康安全監(jiān)測有了更高的要求。市面上現有的貓砂大致分別以下幾類：膨潤土貓砂、豆腐貓砂、植物貓砂、混合貓砂、水晶貓砂、木屑貓砂以及紙質貓砂等，這些貓砂均有各自的優(yōu)缺點和受眾群體[1]。目前膨潤土貓砂的主要成分為鈣基膨潤土或鈉基膨潤土，因其價格低廉、吸水性強、腳感舒適擁有廣泛的市場，但其缺點也很明顯，結團一般、容易黏底、除臭抑菌效果差，粉塵較多，對易過敏的貓咪不太友好[2]。所以越來越多的研究將植物提取物、除臭因子、活性炭、益生菌酶、健康指示試劑等添加到上述貓砂中以滿足產品性能的多樣化。

該文的研究是以膨潤土、麥飯石作為貓砂制備的主要成分，通過活性炭的加入，顯著增強了膨潤土貓砂的吸附性能，提高了膨潤土貓砂的吸水性、結團性，并能高效吸收糞便、尿液釋放的氨氣和硫化氫等有害氣體，改善人和寵物的居住環(huán)境，抑制有害細菌的增殖，降低貓咪攜帶細菌的風險。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

將市售鈉基膨潤土與麥飯石分別粉碎至300 目備用，活性炭選擇市售粉狀酸性活性炭，比表面積大于1 000 m2/g。

1.2 試驗設備

符合環(huán)保要求的高溫轉爐、5R 粉碎機、立式圓型攪拌混合機、高速不銹鋼滾球機、農用噴霧機、CA 風選機以及網狀顆粒過篩機等均由本公司工廠提供。

1.3 試驗方法

1.3.1 活性炭膨潤土貓砂制備

該試驗采用單因素試驗設計，按照活性炭不同添加量設計對照組CK 組（不添加活性炭）、A 組（10%添加量）、B組（20%添加量）、C 組（30%添加量）共4 組試驗組（見表1），每組重復3 次。將鈉基膨潤土粉、麥飯石粉與活性炭粉攪拌均勻后送入滾球機，滾球同時采用噴霧機噴水，制成粒徑為4mm～6mm 的球粒，水的比例為混合物質量的20wt%。將所制球粒送入高溫爐煅燒，具體煅燒過程如下：在溫度為400℃時煅燒0.5h；在溫度為500℃煅燒1h；在溫度為600℃時煅燒1h，在溫度為700℃時煅燒1h，在溫度為800℃時煅燒1h，在溫度為900℃時煅燒1h，經以上溫度和時間煅燒后的滾球出爐。出爐冷卻后進行風選清除粉塵，最后經過網狀顆粒過篩機過篩，制得粒徑大小基本一致的球型活性炭膨潤土貓砂，試驗前將各重復組貓砂混合備用。

表1 活性炭膨潤土貓砂成分設計

1.3.2 貓砂吸水性能測定

參照劉策等人[3]的試驗方法，將200 目標準篩放入白瓷盤中，并在200 目標準篩上面平鋪一張慢速定性濾紙，向白瓷盤中倒入0.1 g/mL 尿素的生理鹽水，將濾紙完全潤濕時即停止倒水。取出潤濕的濾紙進行稱量并記錄潤濕的濾紙質量為m1，將濾紙重新放回到200 目篩中并鋪平，用量筒稱取10 mL 貓砂倒在濾紙表面，均勻鋪在濾紙上，不要超出濾紙范圍，計時15 min，然后將濾紙和吸水后的貓砂一同取出，得到此時的質量記為m2，每組重復3 次試驗。貓砂吸水性（g/mL）=（m2-m1）/10×100。

1.3.3 貓砂結團性能測定

參照劉策、王鴿等人的試驗方法，將1 kg 膨潤土貓砂平鋪于25 cm×12 cm ×8 cm（長×寬×高）的容器中，配制含0.1 g/mL 尿素的生理鹽水，并置于37 ℃水浴中備用。每次用注射器吸取10 mL 上述備用溶液，在5 s 時間內，從2.5 cm的高度垂直加入膨潤土貓砂中，10 s 后取出結塊進行稱重，并讓結塊從15 cm 高度自由落下，直到破碎為止。記錄結塊落下的次數，該次數即為結塊強度，超過10 次仍不破碎的貓砂結團，結團強度記為10 次，每組重復3 次試驗[3-4]。

1.3.4 貓砂粉塵率測定

稱取100 g 膨潤土貓砂過100 目篩，并在下方放置收集容器，收集篩出后的粉塵并進行稱重，質量記為m3，每組重復3 次試驗[3]。粉塵率（%）=m3/100。

1.3.5 貓砂除臭性能測定

氨氣清除效果測定：在常溫常壓條件下（20℃，1 atm），將1.50±0.1 mg/m3的氨氣15 L，以1 L/min 的流量，通過裝有100 g 膨潤土貓砂的大型氣泡吸收管，使氣體循環(huán)24 h，采集處理后的氨氣，并采用納氏試劑分光光度法測定氨氣濃度，計算氨氣清除率，每組重復3 次試驗[5-6]。氨氣清除率=（處理前濃度-處理后濃度）/處理前濃度×100%。

硫化氫清除效果測定：在常溫常壓條件下（20℃，1 atm），將150.00±5.00 μg/m3的硫化氫氣體15 L，以1 L/min的流量，通過裝有100 g 膨潤土貓砂的大型氣泡吸收管，使氣體循環(huán)24 h，采集處理后的硫化氫氣體，并采用亞甲藍分光光度法測定硫化氫濃度，計算硫化氫清除率，每組重復3次試驗[5，7]。硫化氫清除率=（處理前濃度-處理后濃度）/處理前濃度×100%。

1.3.6 貓砂抑菌性能測定

該試驗參照美國材料與試驗學會制定的《ASTME 2149-20 動態(tài)條件下的抗菌劑活性測定的試驗方法》，通過測定膨潤土貓砂對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率來判斷膨潤土貓砂的抑菌性能[8]。

大腸桿菌抑菌檢測方法：準備12 個250 mL 無菌燒瓶，每組3 個，做重復3 次試驗。在室溫環(huán)境下（25℃），向每個燒瓶內接種50 mL濃度為2.5×105cfu/mL的大腸桿菌溶液。48 h 后采用平板計數法統(tǒng)計指定接觸48 h 瓶內只接種大腸桿菌濃度，然后向燒瓶中加入2 g 膨潤土貓砂接觸48 h，再次采用平板計數法測定加入膨潤土貓砂48 h 后燒瓶內的大腸桿菌濃度。

金黃色葡萄球菌抑菌檢測方法與大腸桿菌相同，金黃色葡萄球菌初始接種濃度為2.8×105cfu/mL。抑菌率=（指定接觸48 h 只接種瓶內菌濃度-貓砂接觸48 h 瓶內菌濃度）/指定接觸48 h 只接種瓶內菌濃度×100%。

2 結果與討論

膨潤土貓砂的吸水性、結團性和粉塵率試驗結果見表2。

表2 膨潤土貓砂的吸水性、結團性和粉塵率試驗結果

2.1 膨潤土貓砂的吸水性能

貓砂的主要用途是吸收貓尿，因此吸水性是衡量貓砂產品的重要指標之一。由表2 可知，膨潤土貓砂的吸水性能均在200 g/mL 以上，隨著活性炭比例的增加，各組膨潤土貓砂的吸水率逐漸上升，其中B 組和C 組的吸水性能顯著高于對照組（P<0.05），吸水量均達到了250 g/mL。該數據說明膨潤土貓砂能夠吸收自身體積20 倍以上質量的生理鹽水，與市面上各種類型的貓砂相比表現突出[3]。貓砂的吸水性能主要取決于膨潤土的物理性質，膨潤土的主要成分為蒙脫石，蒙脫石具有較高的黏性和吸水膨脹能力，而鈉基膨潤土是由傳統(tǒng)膨潤土鈉化而來，其分散程度更高，膨脹倍數更大，吸水性能更強，因此鈉基膨潤土是用于制備貓砂產品的優(yōu)質材料。該試驗中隨著活性炭比例的增加，各組貓砂的吸水量逐漸上升，可能是在鈉基膨潤土吸水膨脹的同時給活性炭創(chuàng)造了更多的吸附條件。因內部特殊的微孔結構，活性炭具有強大的吸附能力，在吸附微量有機物和異味的同時，也使吸水量略有增加。

2.2 膨潤土貓砂的結團性能

早期的貓砂并不具備結團能力，后來為方便收集貓尿和貓糞而發(fā)明了結團貓砂，因此結團性能也作為絕大部分貓砂的性能指標之一。由表2 可知，膨潤土貓砂的結團質量均在20 g 以上，隨著活性炭比例的增加，膨潤土貓砂的結團質量逐漸增加，其中C 組的結團質量顯著高于其他組（P<0.05），另外3 組無顯著差異，各組膨潤土貓砂的結團強度隨活性炭的增加有所降低，其中C 組的結團強度顯著低于其他組，而另外3 組無顯著差異。和豆腐貓砂、木質貓砂相比，膨潤土貓砂的結團質量較大，可能是由于鈉基膨潤土的容重相對大一些，隨著活性炭添加比例的增大，膨潤土貓砂的結團質量有所增加，主要是吸水量增加引起的，但結團質量并不能代表結團性能的高低。貓砂的結團性能主要體現在結團強度上。從試驗數據看，膨潤土貓砂的結團強度都在6 次以上，表明該貓砂的結團強度較好，隨著活性炭添加比例的增加，貓砂的結團強度有所下降，可能的原因是鈉基膨潤土在原料中所占比例降低，導致球粒之間的黏性下降，凝聚能力降低，進而影響了結團強度。

2.3 膨潤土貓砂的粉塵率

膨潤土貓砂的粉塵率一直是研究的重點之一。隨著人們對貓咪的喜愛和生活質量的提升，購買者在選擇貓砂時更注重貓咪的安全和健康，貓砂的粉塵不僅污染居住環(huán)境，貓咪長期生活在粉塵較多的環(huán)境中還容易患上呼吸道疾病，影響貓咪健康，因此對膨潤土貓砂的粉塵率提出了更高的要求。

由表2 可知，各組膨潤土貓砂的粉塵率均低于3%，隨著活性炭比例的增加粉塵率逐漸升高，其中C 組的粉塵率顯著高于其他組（P<0.05），另外3 組無顯著性差異。由于制作貓砂的核心原料不同，膨潤土貓砂、豆腐貓砂和木質貓砂都容易產生較高的粉塵，該試驗為了降低膨潤土貓砂的粉塵率，在制備膨潤土貓砂時未選擇原石，而是經過造粒和除塵，將粉塵率控制在3%以下。隨著活性炭比例的增加，貓砂的粉塵率略有上升，原因可能是活性炭粉末比重輕且細膩，在生產和使用時較易產生粉塵。

2.4 膨潤土貓砂的除臭性能

膨潤土貓砂的除臭試驗結果見表3。

由表3 可知，在加入活性炭前，對照組膨潤土貓砂對氨氣和硫化氫的清除率只有39%和32%左右。隨著活性炭添加比例的增加，貓砂處理后的氨氣和硫化氫濃度明顯降低，A 組、B 組和C 組膨潤土貓砂對氨氣和硫化氫的清除率顯著高于CK 組（P<0.05），其中B 組和C 組對氨氣和硫化氫的清除率均超過了90%，2 組之間無顯著性差異。

表3 膨潤土貓砂的除臭試驗結果

眾所周知，國外對貓砂的研究起步早，技術成熟，在貓砂除臭抑菌方面積累了許多研究成果和技術，而國內的貓砂產業(yè)起步較晚，膨潤土貓砂雖然占據了大量的市場份額，但該產品在除臭抑菌方面表現一般，對此需要進行深入研究。

該試驗在膨潤土貓砂原料中加入活性炭并進行造粒，活性炭添加比例超過20%后，膨潤土貓砂表現出了優(yōu)異的吸附性能，能夠清除90%以上的氨氣和硫化氫氣體，這主要依靠鈉基膨潤土、麥飯石和活性炭的吸附作用。據研究表明麥飯石有吸附空氣中二氧化硫的效果，而活性炭是公認的強力吸附劑，經常用于凈化水質、脫色、吸附雜質和異味，活性炭主要由石墨微晶構成，內部有無數不規(guī)則的微孔，這些孔隙極大地增加了活性炭的比表面積，提高了活性炭的吸附能力，使其能強力吸附微量有機物并除臭、除味[9]。

2.5 膨潤土貓砂的抑菌性能

膨潤土貓砂的抑菌試驗結果見表4。

由表4 可知，在未添加活性炭之前，對照組對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率只有53%和49%左右，抑菌效果較差。隨著活性炭比例的增加，A 組、B 組和C 組對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率均顯著提高（P<0.05），其中B 組與C 組對大腸桿菌的抑菌率均超過90%，對金黃色葡萄球菌的抑菌率均超過70%，2 組之間無顯著性差異。綜合膨潤土貓砂的各項性能指標，選擇膨潤土貓砂中活性炭的適宜添加比例為20%，制備的活性炭膨潤土貓砂在吸水性、結團性、粉塵率和除臭抑菌效果上有良好的表現。

表4 膨潤土貓砂的抑菌試驗結果（細菌濃度單位：105 cfu/mL）

在該試驗中，隨著活性炭添加比例的增加，膨潤土貓砂對大腸桿菌與金黃色葡萄球菌的抑菌率明顯提高，可能原因有2 個。作為膨潤土貓砂原料之一的麥飯石具有孔隙發(fā)育的篩網狀結構，能起到吸附滅菌的作用，據報道對大腸桿菌的抑菌率能達到95%。活性炭因強大的吸附能力，在醫(yī)藥上也用來吸附毒素、細菌等，活性炭膨潤土貓砂能夠吸附貓尿與糞便中的一部分細菌、大部分有機物和無機物，使有害細菌缺乏必需的營養(yǎng)物質和適宜的生存環(huán)境，因此能夠有效抑制有害細菌的生長和繁殖，減少貓咪排尿排便攜帶病菌的概率，降低人畜共患病發(fā)生的風險。

3 結論

該研究將活性炭應用于膨潤土貓砂的制備，選擇膨潤土貓砂中活性炭的適宜添加比例為20%，鈉基膨潤土為70%，麥飯石為10%，通過鈉基膨潤土、麥飯石與活性炭三者的協(xié)同作用，保證膨潤土貓砂在具備良好的吸水性和結團性的同時，降低粉塵率，顯著提高膨潤土貓砂除臭抑菌的效果，并高效吸附尿液、糞便中的臭氣，改善空氣質量，抑制有害細菌的存活和增殖，降低貓咪攜帶病菌的風險。該貓砂無特殊香氣和異味，貓咪易于接受。而且所用活性炭主要由農林廢棄物制得，實現了資源節(jié)約與廢物再利用，有利于貓砂行業(yè)和社會的可持續(xù)發(fā)展，因此活性炭膨潤土貓砂具有良好的市場應用前景。