:本發明屬于電化學殺菌,具體涉及一種氧化銅納米線微區電化學殺菌方法,采用熱空氣升華法在cu網上制備了自支撐氧化銅納米線作為電極,在陰極區進行殺菌,且電催化過程中具有電化學尖端效應,并在電極附近形成了更大的oh-擴散微區,降低了反應所需要的過電位,有效提升了殺菌效率。
背景技術
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背景技術:
1、隨著城市化和工業化的不斷加速,空氣中的微生物、病毒、細菌等有害生物的污染問題日益顯著。人們對空氣質量和生活環境的要求提高,傳統的殺菌消毒方法,如化學消毒劑或熱處理,可能存在一些局限性,包括對特定微生物的不敏感性、殘留物質的產生以及在一些情況下對環境的負面影響。因此,科研人員開始尋求更有效、更環保的替代方案。電化學殺菌技術是一種利用電流或電場來消滅微生物的技術,因其高效殺滅有害生物的特性被廣泛研究。電化學殺菌技術作為一種新興的空氣凈化技術,利用電化學反應產生的活性物質具有高效、環保等特點,并在水處理、醫療設備消毒、食品加工等領域得到了大量應用。
2、多年來,研究人員在電催化消毒領域取得了顯著進展。根據微生物滅活發生的電極區域的不同,對陽極區域的研究主要側重于電催化有機質的直接氧化和電場殺菌(電穿孔)方向。與此同時,對陰極區的電化學殺菌機制的相關研究主要聚焦于氧還原或電芬頓反應產生的強氧化活性物種,如過氧化氫、羥自由基、單線態氧等,這些活性物種在殺菌過程中發揮關鍵作用。
3、陰極區電化學殺菌的機制通常涉及在電解液中通入空氣或氧氣,為氧還原反應提供反應底物的條件。值得注意的是,目前對于純粹的陰極區電催化滅菌的研究相對較少,因此有必要進行純粹的陰極區電催化滅菌方法,不引入氣體,也能實現高效滅菌。
技術實現思路
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技術實現要素:
1、本發明的目的是為了解決現有技術存在的不足,提供一種氧化銅納米線堿性微區電化學殺菌方法,氧化銅納米線作為電極,利用納米線尖端在陰極區的電解催化反應形成局部的堿性環境對細菌進行殺滅,能夠在5min內對1×107cfu?ml-1濃度的大腸桿菌具有良好的滅殺效果。
2、為了實現上述目的,本發明提供一種氧化銅納米線堿性微區電化學殺菌方法,利用氧化銅納米線作為工作電極,使用三電極體系,在陰極區和陽極區不互通的電解池中進行殺菌;所述陰極區和陽極區之間使用質子交換膜;菌濃度為1×107cfu?ml-1時,施加負電流,恒電流(-6)~(-15)ma通電,5min殺菌率達到99.9%;具體步驟如下:
3、(1)制備氧化銅納米線:使用80目以上的高純度的銅網裁成相同大小的長方形,隨后,依次用去離子水、乙醇、鹽酸、去離子水、乙醇清洗,獲得經過有效清潔的銅網;再將潔凈的銅網垂直置于馬弗爐中央,設定溫度在400-500℃,制備時間不大于6小時,然后進行冷卻;
4、(2)殺菌性能測試:使用三電極體系,在h型電解池中進行殺菌實驗;電解池中間使用質子交換膜分隔陰陽極,實驗開始之前使用高溫滅菌鍋對電解池和所需電解液進行滅菌處理;配制新鮮的大腸桿菌溶液,加入至電解液中作為含菌電解液測試殺菌性能;將含菌電解液加入至電解池陰極,在恒電流作用下通電3-15min取樣測試細菌活性;為確保細菌活力正常,配制后的含菌電解液須在3h內使用;
5、殺菌實驗效果由涂板計數法取得:定性分析時,每個平板取實驗后含菌電解液直接涂板,平板涂覆后,倒置于37℃恒溫培養箱中培養18-24h,觀察結果。
6、本發明所述電解液為硫酸鈉電解液,或其他導電且不產生其他反應的電解液。
7、所述電流為負電流,恒電流(-6)~(-15)ma。
8、本發明通過掃描電化學顯微鏡(secm)的應用,驗證了氧化銅納米線結構在擴大oh-擴散微區方面的關鍵作用;采用secm的競爭模式,通過測量產生的電流反映電極附近某一距離處的ph值,觀察到電流的大小與oh-濃度呈負相關關系,與未經處理的cu網電極相比,氧化銅納米線的存在使得oh-濃度下降速度明顯減緩。
9、本發明通過構造氧化銅納米線結構,增加表面積,提高電場強度,加速電子輸運,利用尖端電流增強,形成一個堿性迅速增強的局部微區,利用局部的高堿性條件,通過改變微生物周圍環境的酸堿度,破壞其細胞膜和蛋白質結構,達到殺菌的效果。這種特性能夠對細菌進行快速有效的殺滅而對大范圍的整體環境ph改變較小。
10、本發明與現有技術相比,有以下優點:
11、(1)相較于現有技術,本發明將氧化銅納米線用于電化學殺菌,無需依賴氣體通入,因此能夠在沒有氣體引入的情況下高效殺菌,不需要消耗額外的能源來產生氣體流動。因此,在能源利用上更加高效,同時減少了對外部氣體的依賴,有利于環保。
12、(2)利用納米線的尖端效應能夠快速有效的增強電催化局部的oh-濃度,達到高效殺菌的目的,局部堿性微環境對整體電解液酸堿性改變較小,減少了因處理堿性液體造成的環境污染與資源浪費。
13、綜上,本發明通過熱空氣升華法制備的氧化銅納米線具有電化學尖端效應,能夠快速形成堿性微區高效殺滅細菌,能夠維持更大的oh-擴散微區,延長了高ph區域與細菌的接觸時間,提高了殺菌效率,能夠在5min內對1×107cfu?ml-1濃度的大腸桿菌具有良好的滅殺效果;本發明采用電化學方法制造堿性微區殺菌,無需通入氣體,電壓只需-1v左右,具有高效殺菌、無化學污染、電壓小、能耗低等特點,且制備方法簡單。整個過程綠色無污染,應用環境友好,市場前景廣闊。
1.一種氧化銅納米線堿性微區電化學殺菌方法,其特征在于,利用氧化銅納米線作為工作電極,使用三電極體系,在陰極區和陽極區不互通的電解池中進行殺菌。
2.根據權利要求1所述的氧化銅納米線堿性微區電化學殺菌方法,其特征在于,電解池中電解液包括但不限于硫酸鈉。
3.根據權利要求1所述的氧化銅納米線堿性微區電化學殺菌方法,其特征在于,陰極區和陽極區之間使用質子交換膜。
4.根據權利要求1所述的氧化銅納米線堿性微區電化學殺菌方法,其特征在于,菌濃度為1×107cfu?ml-1時,施加負電流,恒電流(-6)—(-15)ma通電,5min殺菌率達到99.9%。
5.根據權利要求1所述的氧化銅納米線堿性微區電化學殺菌方法,其特征在于,所述電解池為h型電解池,電解池中間使用質子交換膜分隔陰陽極,陽極池中鉑片為陽極;在陰極池中,氧化銅納米線為工作電極,銀/氯化銀作為參比電極;陰極池中菌濃度為1×107cfuml-1;陰極池開啟攪拌,施加負電流,恒電流(-6)—(-15)ma通電,3min殺菌率達到99.9%。
6.根據權利要求1所述的氧化銅納米線堿性微區電化學殺菌方法,其特征在于,所述氧化銅納米線的制備方法為:使用銅網,依次用去離子水、乙醇、鹽酸、去離子水、乙醇清洗,獲得潔凈的銅網;再將潔凈的銅網垂直置于馬弗爐中央,設定溫度在400-500℃,制備時間不大于6小時,然后進行冷卻;得到氧化銅納米線。