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光催化氧化光生物反應器及殺菌技術(shù)

基于納米級TiO₂光催化原理，在適宜波長的光照射下將有機物（體）催化降解礦化為無毒的CO₂和H₂O，目前已證實其在廢水處理、空氣凈化、水面油污染治理、殺滅細菌和抗癌等多方面具有現(xiàn)實的應用價值。

日本人Tadshi Matsunaga等首先發(fā)現(xiàn)了TiO₂在紫外光照射下油殺菌作用，細胞內(nèi)輔酶A會被TiO₂所氧化，繼而阻止細胞的呼吸，造成細胞的死亡。近年來已有報道的考察TiO₂光催化作用的細菌類有：乳桿嗜菌細胞（Lactobacill us acidopil us）、酵母菌（Saccarom yces cervisiae）、大腸桿菌（Escherichia coli）、鏈球菌（Strepococus mutansd）。Zheng Huang等在研究光催化對大腸桿菌細胞作用位點的實驗中發(fā)現(xiàn)，細胞壁首先被破壞，滲透作用改變，隨之，細胞膜和胞內(nèi)物質(zhì)也被破壞，菌體的存活率下降。在Kayano Sunada等的實驗中證明，TiO₂光催化不僅使大腸桿菌細胞被殺滅，而且其內(nèi)在毒素也被降解。一般抗菌劑只有殺菌作用，但不能分解毒素，這一點也是光催化除微生物污染的優(yōu)勢所在。Lee等對嗜菌體MS2光催化作用下的研究表明，紫外殺菌是嘌呤分子上形成雙建來破壞RNA和DNA，而光催化中則是形成的羥基自由基-OH可以改變蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，核酸易被-OH攻擊，破壞病毒顆粒的RNA。Cai將TiO₂用于殺滅癌細胞實驗，研究發(fā)現(xiàn)在加入TiO₂后對癌細胞的殺傷里比單純用紫外光的效果好得多，結(jié)果表明：TiO₂在紫外光照條件下有明顯殺滅腫瘤細胞的作用。TiO₂光催化殺菌的優(yōu)勢在于：光氧化過程中產(chǎn)生的羥基自由基的氧化勢能可以殺死絕大多數(shù)微生物，能使大部分有機污染物被礦化。

國內(nèi)外現(xiàn)有殺菌技術(shù)及存在問題

養(yǎng)殖場的消毒在我國已成為養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵問題，目前世界上用于殺菌的方法主要是臭氧法或紫外線法，我國用于消毒和病害防治的殺毒劑主要是化學消毒劑和抗生素兩大類。利用納米TiO₂光催化技術(shù)，隨著高效多功能集成式光催化反應器的不斷開發(fā)研究，使反應器成為既殺菌滅病毒、消除病原體及有機污染物殘留毒素等多功能為一體的高效凈裝置。

光催化生物反應器的研究現(xiàn)狀      

光催化反應器按照光源的不同可分為人工光源如紫外燈光，和自然光源如太陽能光催化反應器兩類。國外研究表明，多種結(jié)構(gòu)的光催化反應器已經(jīng)被用于光降解有機污染物，并且取得了一些成功和經(jīng)驗，為了提高光生物反應器的光催化效率，研究光源系統(tǒng)、反應器結(jié)構(gòu)及催化劑光敏性等方面的問題是光催化技術(shù)應用于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的關(guān)鍵所在。

納米TiO₂光催化反應機理

目前研究多的光催化半導體材料為金屬氧化物和硫化物，如TiO₂、ZnO、Cds等等，由于納米TiO₂無毒穩(wěn)定、催化活性高、氧化能力強，因此應用廣。

TiO₂的禁帶寬度是3.2eV，當TiO₂收到波長小于387nm的紫外線照射時，價帶上的電子躍升到導帶，激發(fā)電離出光生電子的同時產(chǎn)生高活性光生空穴，形成電子-空穴對的氧化還原體系，經(jīng)一系列可能的反應后產(chǎn)生大量的高活性自由基，在眾多自由基中，-OH是主要的自由基；光催化納米TiO₂表面的羥基化，使光催化反應的必要條件；光催化產(chǎn)生的-OH，是有水份存在時氧化劑中反應活性很強的，能氧化分解絕大多數(shù)有機和無機污染物，而且對作用物幾乎沒有選擇。

但是，實際使用中的光催化效率不高屬于極普遍現(xiàn)象。究其原因，無外乎光催化的光源和催化劑及其載體材料。

石墨烯吸附性能：

因為石墨烯擁有很大的比表面積和非常高的電子遷移率，所以，對它的吸附性能研究在其發(fā)現(xiàn)之初就得到廣泛的關(guān)注。本征石墨烯、空位石墨烯以及摻雜石墨烯在吸附性能上的差異。利用石墨烯吸附性能制備的傳感器工作原理是：當石墨烯將分子或原子吸附在表面時，吸附對象與石墨烯的電荷將會相互轉(zhuǎn)移，這就導致載流子電子或空穴密度產(chǎn)生改變，石墨烯的電導率也就隨之變化。更為重要的是：由于石墨烯具有很大的比表面積，所以在吸附分子或原子時會具有相當高的靈敏度。

1、本征石墨烯的吸附性能

研究石墨烯吸附性能的是Schedin發(fā)現(xiàn)：石墨烯傳感器能夠?qū)κ┍砻嫔衔降姆肿舆M行判別，石墨烯對NH3\NO2\CO等都具有較強的吸附型；采用真空加熱或紫外光照射，可以解吸。其結(jié)論：NO2位p型雜質(zhì)，石墨烯中的電子流向NO2，從而導致石墨烯的空穴濃度變大，電阻明顯下降；NH3位n型雜質(zhì)，吸附后其電子流向石墨烯，并填充石墨烯導帶中的空穴，使石墨烯的電阻變大。我國中科院金屬所研究：因為碳原子本身的化學惰性，本征石墨烯對分子或原子的吸附能力是有限的，僅僅對極少的分子或原子具有比較強的吸附型，并且基本屬于物理吸附范疇。

2、空位石墨烯

由于制備水平限制，實際制備過程中并不能得到非常純凈的本征石墨烯，也就是說，現(xiàn)階段制備的石墨烯或多或少的都存在著不同的缺陷，不過實踐證明，存在的缺陷反而是有益的。大量的研究者對空位石墨烯的吸附性能進行了研究證明：增大了石墨烯的吸附性能。

3、摻雜石墨烯的吸附能力

不同的摻雜石墨烯的吸附性能呈現(xiàn)出多樣性與差異化。如：摻雜Al的石墨烯對于CO的吸附型提高到本征石墨烯的幾十倍。

立足自主創(chuàng)新技術(shù)），以多波段真空紫外燈做光源、以石墨烯基復合材料做光催化劑，采用催化臭氧氧化技術(shù)+納米二氧化鈦光催化氧化技術(shù)組合，實現(xiàn)高效吸附+高效凈化。集成：臭氧和紫外線抗菌殺病毒技術(shù)、石墨烯材料自身抑制細菌病毒能力，以及石墨烯光催化氧化技術(shù)等多種技術(shù)手段。

經(jīng)廣東省微生物分析檢測中心檢測：

除白葡萄菌：99.12%

除大腸桿菌：97.86%

氨凈化效率：88.2%

除TVOC_S：大于90%

臭氧濃度：0.011mg/m³（標準要求：0.10mg/m³）、紫外線強度（泄漏量）：0