光电催化灭活水中大肠杆菌

万志江，潘湛昌，张宏梅，宋 凯，何喜威，萧炬荣，李麦丹，梁李新，刘 端

(广东工业大学轻工化工学院，广东 广州 510006)

为了解决饮用水氯化消毒可能产生的副产物“卤代有机烃”等物质对人体健康的潜在危害，人们一直在寻求新的饮用水消毒方法。自1985年首次发现TiO2具有对微生物的灭活作用后，TiO2光催化灭活微生物和大肠杆菌的研究已有报道[1～4]。光电催化方法不但克服了悬浮法分离困难的缺点，而且显著提高了降解效率，已应用于光电催化降解有机物方面[5，6]。目前，国内外尚无应用光电催化方法灭活水中大肠杆菌的报道。作者在此采用光电催化方法杀灭水中大肠杆菌，利用正交实验得出了最佳净水效果下的电极板间距、电压和杀菌时间等实验参数。

1 实验

1.1 材料、试剂和仪器

水样取自广东工业大学人工湖。

Na2HPO4、KH2PO4、土豆琼脂培养基、牛肉膏蛋白胨培养基，市售；蒸馏水。

30 V直流稳压电源，培养皿，无菌操作台，湿热灭菌锅，恒温培养箱。

1.2 装置(图1)

图1 光电催化反应装置

光电催化反应器材质为石英玻璃，电极正极为35 mm×55 mm的泡沫镍负载钴掺杂二氧化钛，负极为Φ5 mm×100 mm的碳棒，紫外光源为波长为253.7 nm、9 W的紫外灯，100 mL溶液。

1.3 活菌数的测定

以大肠杆菌浓度为考核指标。采用平皿计数法测定水中的活菌数。采用土豆琼脂培养基或牛肉膏蛋白胨培养基，在37°C下恒温培养24 h，测定水中细菌总数。

2 结果与讨论

2.1 光催化和光电催化灭菌效果比较

在电极板间距为30 mm、外加电压为10 V的条件下比较光催化和光电催化的灭菌效果，结果见表1。

表1 光电催化和光催化灭菌效果对比

由表1可见，光电催化灭菌效果明显优于光催化。

2.2 电压对光电催化的影响(图2)

图2 细菌浓度和电压的关系

由图2可见，杀菌时间相同时，不同电压下光电催化的灭菌效果差别很大。在电压为0～12 V时，灭菌率随着电压的升高而升高；在电压为12～18 V时，灭菌率随着电压的升高而降低。这是因为正极偏压的增大阻止了光生空穴和光生电子的复合，增加了光生空穴和羟基自由基的数量，从而提高了催化活性，因此随着电压的增大，灭菌率不断升高。但光强一定时，光生电子的数量也是一定的，当外加电压达到一定值时，光生载流子已达到充分分离，继续增大电压，产生的气泡反而附在电极表面，形成隔离层，降低了电极和溶液的接触面积，灭菌率反而有所降低。因此，选择较适宜电压为12 V。

2.3 电极板间距对光电催化的影响(图3)

图3 灭菌率和电极板间距的关系

由图3可见，相同杀菌时间和电压下，不同电极板间距下光电催化的灭菌效果差别很大。当电极板间距在6～40 mm范围内时，灭菌率随着电极板间距的增大而升高。可见，过小的电极板间距影响了溶液的扩散，不利于光电催化实验的进行。

2.4 光电催化正交实验

为探讨适宜的工艺条件，以电压、杀菌时间、电极板间距为考察因素，以灭菌率为考核指标进行正交实验，其因素与水平见表2，结果与分析见表3。

表2 正交实验因素与水平

表3 正交实验结果与分析

由表3可知，各因素对光电催化灭菌率的影响大小依次为：杀菌时间>电极板间距>电压。最佳光电催化灭菌条件为A3B3C2,即电压15 V、杀菌时间15 s、电极板间距40 mm，在此条件下，对大肠杆菌的灭菌率达到100%。

2.5 对普通湖水细菌的灭菌效果

在本实验研究的条件下，用12 V电压、40 mm的电极板距离，灭活取自广东工业大学人工湖的水样的细菌，对照组的细菌浓度为1564×102cfu·mL-1，经光电催化处理180 s以后，出水细菌浓度为0 cfu·mL-1，完全符合国标对饮用水的要求(细菌浓度小于50 cfu·mL-1、大肠杆菌浓度小于3 cfu·mL-1)。

3 结论

用泡沫镍负载钴掺杂二氧化钛和碳棒组成的光电催化装置，对236 cfu·mL-1大肠杆菌有很强的杀菌作用，在电压为15 V、杀菌时间为15 s、电极板间距为40 mm条件下，对大肠杆菌的灭菌率达到100%，达到国家饮用水标准。

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