眾所周知，生活用水安全與人體健康息息相關(guān)，而水必須通過嚴(yán)格的消毒殺菌處理才能使用，否則水中存在的細(xì)菌、病毒等微生物將會導(dǎo)致腹瀉等人體不適甚至更嚴(yán)重的生命健康威脅。生活用水中對細(xì)菌總數(shù)、大腸桿菌總數(shù)兩項常規(guī)指標(biāo)進(jìn)行嚴(yán)控，若干針對城鎮(zhèn)生活用水水質(zhì)安全的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)：相比其他毒理指標(biāo)、物化指標(biāo)，微生物指標(biāo)超標(biāo)是導(dǎo)致絕大部分地區(qū)水質(zhì)不合格的首要原因。

近期，中國海洋大學(xué)材料學(xué)院陳守剛教授課題組關(guān)于在線高速水處理消毒技術(shù)研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，該材料組裝器件首次實現(xiàn)在外接電壓10 V，水流速度每分鐘1升的情況下，實現(xiàn)了水中細(xì)菌99.9%的高效殺滅。相關(guān)成果分別發(fā)表在國際著名化工期刊Chemical Engineering Journal和環(huán)境納米材料著名期刊Environ. Sci.： Nano等學(xué)術(shù)期刊上。該電殺菌器件簡單經(jīng)濟(jì)，殺菌高效，環(huán)保安全，有望在飲用水、熱水器和養(yǎng)殖廢水等殺菌領(lǐng)域得到應(yīng)用（國家發(fā)明專利公開號：201810511044.9；201910804761.5）。

當(dāng)前一般水處理的方法主要包括氯系消毒法、臭氧處理等化學(xué)方法和紫外殺菌等物理方法。氯系消毒試劑由于其強(qiáng)氧化性、價格低廉、易儲存運輸?shù)葍?yōu)目前在水處理中應(yīng)用廣泛，但水處理的同時會產(chǎn)生較多的有毒副產(chǎn)物，對人們健康存在致癌隱患；臭氧水解時會釋放具有強(qiáng)氧化性的羥基自由基，使細(xì)菌失活，但這種氣體不穩(wěn)定，易對人體造成危害，另外較高的消毒成本也限制了其規(guī)模使用，紫外殺菌技術(shù)在水處理方面對水體澄清度有較高要求，且消毒能力不持久，設(shè)備花費較高。

隨著納米材料的不斷發(fā)展，為解決傳統(tǒng)水消毒技術(shù)的弊端，新型的納米材料及處理技術(shù)被不斷研究和探索。電穿孔殺菌技術(shù)在水消毒領(lǐng)域應(yīng)運而生，由于其消毒速度快、不可逆、無副產(chǎn)物等優(yōu)勢得到廣泛的認(rèn)可。然而電穿孔殺菌技術(shù)需要施加一個極高的外電壓（103 V~106 V），這也帶來了高能耗以及安全性隱患問題。近期研究發(fā)現(xiàn)可以通過導(dǎo)電納米線尖端實現(xiàn)電場的高度集中，在一定的外加電壓下實現(xiàn)大腸桿菌的殺菌；自此，越來越多的研究人員開始將一維納米線結(jié)構(gòu)應(yīng)用到電穿孔殺菌領(lǐng)域。但目前電殺菌技術(shù)應(yīng)用中存在兩個共性的問題：采用納米線電殺菌技術(shù)后，外加電壓明顯降低，但該電殺菌材料的導(dǎo)電性不足，所以主要面向靜態(tài)水或者低流速的水凈化處理，實際上生活用水的流速每分鐘一般在 0.5 升到 3.0升，而目前材料是不滿足實際流速需求的。因此如何保證低電壓下實現(xiàn)對高速菌液的快速原位殺菌的材料選擇和制備就成為需要解決的實際應(yīng)用的關(guān)鍵科學(xué)問題。

此外基于實際應(yīng)用需求，電殺菌材料同時要滿足如下幾個條件：1） 選擇材料通透性和耐腐蝕性能要好，不影響水的流速；2） 材料表面具有針狀突起結(jié)構(gòu)且導(dǎo)電性能要好，更容易放電；3） 結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，成本可控；4）材料要環(huán)境友好，水處理后的各項離子要符合國標(biāo)。

圖1. 泡沫銅上納米線及嵌銀碳膜材料不同倍數(shù)掃描電鏡和透射電鏡照片

基于實際需求，課題組選擇泡沫銅材料進(jìn)行改性研究，并據(jù)此設(shè)計了電殺菌器件進(jìn)行實際應(yīng)用測試。利用刻蝕工藝在泡沫銅上獲得針狀氧化亞銅納米線（圖 1），為了提升納米線的導(dǎo)電性，利用簡單的浸泡-燒結(jié)方法在納米線上制得包覆鑲嵌的納米銀顆粒的導(dǎo)電碳膜，外加金屬顆粒明顯提升功能涂層的導(dǎo)電性（圖 2），且碳膜的固定使其耐水流沖刷的穩(wěn)定性大大增強(qiáng)，即使外加低的電壓也可達(dá)到好的瞬時強(qiáng)放電殺菌。

圖2. 泡沫銅改性材料的能奎斯特測試和有限元模擬外加電壓下電場效應(yīng)示意圖。注：標(biāo)尺= 1 μm。

利用此材料組裝的器件如圖 3 所示，器件中間空隙也為菌液的殺菌提供了緩沖時間，殺菌效率大大提升。該技術(shù)器件可在外接電壓 8-10 V，水流速度在1升 每分鐘的情況下，實現(xiàn)水中細(xì)菌 99.9%的殺滅。此消毒過程無副產(chǎn)物生成，ICP測試經(jīng)過器件水溶液離子濃度符合國家標(biāo)準(zhǔn)，同時消毒之后無細(xì)菌復(fù)活現(xiàn)象發(fā)生。

圖3. 抑菌性能測試過濾裝置示意圖。（a）殺菌實驗實際裝置圖，（b，c）過濾裝置模型及實物圖，（c）兩電極間的絕緣橡膠圈，（d） 改性泡沫銅材料的電極實物圖。

圖 4 活死菌檢測試劑盒對 C/Cu2O-AgNPs 電極過濾前后的菌液染色結(jié)果：E. coli（a，b）和 S. aureus（c，d），注：標(biāo)尺= 20 μm。
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