[发明专利]一种基于多元复合材料可见光催化水体消毒的方法

说明书

本发明公开了一种基于多元复合材料可见光催化水体消毒的方法，它将二维纳米结构的锌锰铁氧体/纳米银/石墨烯多元复合材料加入到水体中，然后加入双氧水，在可见光照射下激发可见光催化反应，以消灭水体中的有害菌；反应结束后，磁分离回收水体中的锌锰铁氧体/纳米银/石墨烯多元复合材料，即得消毒处理后的净化水。本发明制得多元复合材料具有磁性、二维纳米结构，相比纳米颗粒的结构，能有效控制纳米颗粒团聚，提高材料在水体中的分散性。本发明多元复合材料在可见光照射下便可发挥消毒灭菌功能，避免使用高能耗紫外照射，也可有效避免因氯消毒引起的毒性致癌副产物，是一种更环保、可持续发展的新方法。

技术领域

本发明涉及一种基于多元复合材料可见光催化水体消毒的方法。

背景技术

水体问题密切关联着生态健康、国家经济发展和子孙后代的祸福。据世界卫生组织（WHO）报道，全世界每年超5亿人缺乏安全饮用水，数以百万人因饮用携带病原体污水而死亡。传统的水体消毒技术有臭氧化法、氯化法、紫外光消毒工艺等，这些方法各自存在不足或潜在危害，如有害的消毒副产物、高耗能、或携带环境有毒物（汞灯）等。针对上述原因，需要新方法来替代传统的灭菌法。消毒技术联用，纳米粒子、（光）催化剂、纳米碳材等纳米材料用作灭菌的新策略受到国内外水体消毒研究者的广泛关注。

纳米金属粒子是典型的零价材料，具有独特的物理化学性能，可通过自身还原性杀死病原体。以纳米银Ag⁰为例，其杀菌作用主要通过以下两种机理。（1）破坏细胞壁。纳米银转变成银粒子（Ag⁺）或受光照激发表面等离子体共振（SPR）作用时释放的电子同水中的溶解氧（或其他物质）发生作用形成活性氧物种（ROSs）；ROSs对病原体细胞壁发动攻击破坏其组成成分（如：蛋白质）进而损坏细胞壁结构，使病原体机体受损死亡。（2）抑制三磷酸腺苷形成和酶活性。纳米银释放的银离子能够渗透到病原体细胞内扰乱其代谢途径，扼杀其生命。

光催化杀菌同样能避免消毒副产物产生，通过半导体（如TiO₂）吸收光能受激发形成光生电子，后续产生的ROSs（如O₂^·-，HO^·）会对周围的病原体进行原位攻击将其致死。且半导体材料便于实现后续分离，可有效避免因使用化学试剂造成后续处理难的问题。因此，国内外的研究者对半导体激发的光催化杀菌作用开展了大量的研究，并希望结合类芬顿氧化作用、光芬顿反应等将其用于水体中的消毒灭菌。然而，在开展其环境应用前，如何提高半导体材料的稳定性、降低光生电子空穴复合率以及提高材料表面活性位等问题亟待解决。这是因为半导体材料不稳定容易引起环境二次污染，高光生电子空穴复合率会降低自由基的产生率，材料的表面活性位则影响材料与水体中有害菌进行相互作用的几率，这些都是影响最终应用效果的关键问题所在。

复合材料通过均匀混合两相或多相材料具有优异的综合性能，特别是其性能的可设计性。凭借复合材料中组元间的协同作用，发挥各自组元间的物化性能，研究者们试图实现控制纳米粒子的稳定性、提高能源利用率、提升材料活性位等。复合材料用于灭菌已出现部分研究报告，如TiO₂-BiWO₆，TiO₂-Fe₃O₄，Ag-TiO₂，Ag-SiO₂，Ag-AgX（X = Br, Cl或I）等等。目前，通过光催化杀菌作用达到3logs的细菌灭活率一般需消耗1-4个小时，灭菌效率有待强化。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种基于多元复合材料可见光催化水体消毒的方法。

所述的一种基于多元复合材料可见光催化水体消毒的方法，其特征在于将二维纳米结构的锌锰铁氧体/纳米银/石墨烯多元复合材料加入到水体中，然后加入双氧水，在可见光照射下激发可见光催化反应，以消灭水体中的有害菌；反应结束后，磁分离回收水体中的锌锰铁氧体/纳米银/石墨烯多元复合材料，即得消毒处理后的净化水。