[发明专利]一种室温条件下催化消毒的高效介孔硅抗菌材料及其应用

说明书

技术领域

本发明属于环境催化技术领域，涉及金属负载的介孔硅抗菌材料及其室温条件下对致病性微生物的催化氧化去除，实现对空气和饮用水的消毒和净化，减小疾病对人体的危害。

技术背景

由于空气和水中的细菌、病毒及其它污染物的存在，给人类的生活带来极大的危害。世界卫生组织的调查显示出当前人类80％以上的疾病与室内空气污染和水污染有关，而其中的致病性微生物污染则是引起疾病的主要杀手。2003年的SARS病毒以及紧随其后的禽流感疫情的肆虐和目前甲型H1N1流感的全球蔓延，更唤起了公众对自身居住环境杀菌、消毒的强烈意识，推动了环境及医疗领域对抗菌材料的开发和研究。

目前应用较多的空气和饮用水消毒技术有臭氧消毒法、紫外线消毒法、氯气消毒法以及化学药剂消毒等。其中应用时间最久的传统的氯气消毒法经最新研究表明极易与水中的有机污染物反应产生三氯甲烷等致癌副产物，臭氧消毒法则易于将水中的溴离子氧化为对人体有害的溴酸根等副产物，另外消毒过程中所使用的紫外线和臭氧均需要现场制备，设备复杂，化学药剂消毒方法在有效破坏有害微生物的同时，大量毒性物质残留，对人体和物品都有很大的破坏性。

近年来，催化氧化技术尤其是以半导体材料如无毒无害的TiO₂为催化剂的光催化氧化技术成为空气和饮用水消毒技术的研究热点，但其在实际应用中存在的问题是，为保证较高的催化活性，除了要以TiO₂纳米粉体或薄膜作为光催化剂外，仍需使用紫外光或近紫外光激发TiO₂产生强氧化性中间体杀死微生物，这就使得该种技术不仅原料制备方法复杂，技术要求高，而且整体设备复杂导致成本较高，如专利96197457.5和98240831.5。这些明显的不足限制了该种技术大规模的推广应用。

现代表面科学和催化的研究结果表明，利用氧化物担载的纳米金属比如Ag和Au等催化剂在室温条件下能有效吸附有机分子，同时可以高效解离空气中的氧分子形成具有较强氧化能力的氧负离子，用以催化有机体的水解和氧化，从而达到对致病微生物的高效吸附和灭活作用[Catalysis Communications，5(2000)170-172，Dental Materials，24(2008)244-249，Carbobydrate Polymers，78(2009)54-59].但这些抗菌材料存在容易变色、在杀菌过程中向水中溶出的金属离子量较大的缺点，限制了它们的广泛应用。近期，研究发现以具有纳米级孔结构和较高比表面的纳米介孔分子筛为载体能够大大减少金属离子的溶出[Carbon，39(2001)1607-1610]。

发明内容

本发明针对上述问题，提供一种不需要紫外光源也不需要任何能源在室温下就可实现对致病微生物彻底催化氧化去除的抗菌材料，在环保和节能的前提下达到杀灭微生物和净化空气以及水源的目的。该催化剂使用SBA-15介孔硅分子筛和少量金属为原料，制备方法简单，且能快速杀菌，不需要复杂的附属设备和外在条件。

本发明的科学原理叙述如下：室温下氧气吸附在很多金属表面可以解离成吸附状态的氧原子或带电荷的过氧或超氧自由基。这些自由基具有极强的氧化性，因而抗菌活性极高。同时进一步的研究表明，具有高比表面积的介孔硅分子筛载体可以有效抑制活性金属组分的团聚，促进其在载体表面的分散，使得催化剂性能更加稳定而不易变色。而且这种催化氧化消毒作用，不会对人体和环境产生任何副作用。

本发明的抗菌材料以SBA-15介孔硅分子筛为主体，活性金属组分为金、银、铜、铁、锌、镁、铈金属群中的一种或多种金属组分。前述SBA-15介孔硅分子筛由硅源与表面活性剂在盐酸或者硝酸溶液中制得。前述按一定摩尔比混合成的溶液于40～60℃搅拌20～24h，然后在80～100℃高压反应釜中老化20～24h，再用超纯水洗剂，80℃烘干过夜，最后经马弗炉于550℃空气中焙烧3～6h，即得SBA-15介孔硅分子筛。在实验条件下现场制备的SBA-15载体具有更大的比表面积和活性。活性组分负载采用初湿浸渍法、浸渍法、共缩合法，例如，选用浸渍法，按照0.5～6％(金属元素重量换算值)负载量的比例将该金属的硝酸盐溶液直接加入到SBA-15溶液中，在室温条件下充分混匀反应1～2h。负载完成之后，用旋转蒸发仪在60℃去掉水分，再放入烘箱中于100℃烘干过夜，最后经马弗炉于600℃空气中焙烧3～5h即制得催化剂抗菌材料。