2018, Vol. 38
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2. 清华大学, 环境学院 环境模拟与污染控制国家重点联合实验室 国家环境保护环境微生物利用与安全控制重点实验室, 北京 100084;
3. 清华-伯克利深圳学院, 环境与新能源技术工程实验室, 深圳 518055
2. Environmental Simulation and Pollution Control State Key Joint Laboratory, State Environmental Protection Key Laboratory of Microorganism Application and Risk Control(SMARC), School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084;
3. Shenzhen Environmental Science and New Energy Technology Engineering Laboratory, Tsinghua-Berkeley Shenzhen Institute, Shenzhen 518055
消毒是保证水质安全的重要环节, 目前常见的消毒技术有氯消毒、紫外消毒和电化学消毒等(Carpenter et al., 1999; Guerrerolatorre et al., 2016; Mitch et al., 2003; 徐慧, 2010).其中氯消毒是最广泛应用的低成本消毒技术, 但消毒过程会产生三氯甲烷、卤乙酸等致癌消毒副产物, 影响水质安全(Cheema et al., 2017; Nieuwenhuijsen et al., 2009; Xin, 2014).紫外线消毒技术可在一定程度上解决氯消毒中有害副产物生成的问题, 但高能耗和UV灭活后细菌的再生和(或)再活化是其面临的重要问题(Cheema et al., 2017; Guo et al., 2012; Nieuwenhuijsen et al., 2009).电化学消毒法由于具有环境友好、安全和效率高等优点, 近些年来受到越来越多的关注(陈喆等, 2008; 赵树理等, 2016), 而现有的电化学消毒技术由于有效消毒区域仅位于电极表面(李志富等, 2009; 周键等, 2014), 需要被动增加电极数量和(或)提升外接电压来提高消毒效率, 存在很大的局限性.
基于传统电化学消毒存在的一些缺陷, Huo等研究者提出了一种过滤式的电极消毒装置(Abu-Thabit and Basheer, 2014; Hong et al., 2016; Huo et al., 2016; Liu et al., 2013; Rieder, 2008), Huo利用泡沫铜制备获得生长纳米线的CuONW(氧化铜纳米线)电极, 该研究实现了在1 V, 10 s下对流过菌液(大肠杆菌)> 7log的消毒效果.而平流式消毒技术相比(赵树理等, 2016; 徐文英等, 2007), 这种过滤式电极可大大增加细菌与电极的接触概率, 同时CuO电极上纳米线会在尖端形成强电场, 使细菌即使在低电压下仍可造成不可逆的电穿孔, 最终细菌因渗透压失衡死亡(Huo et al., 2016).这种电极虽然能达到高效的灭活效果, 但其本身的不稳定性及难以廉价制备等缺点阻碍了其大规模应用.
碳纤维毡(Fung et al., 1993; Kotnik, 2015; Nieuwenhuijsen et al., 2009; Qian et al., 2007)具有高孔隙率(> 93%)、高导电性(Jangbarwala, 2004; Kuriyama and Dresselhaus, 1990; 张欢, 2014)等特性.经过特殊活化的活性碳纤维毡(ACF)(Xie et al., 2015; Kuriyama et al., 1990; Zhang et al., 2016), 其碳纤维表面会布满纳米级的微孔(0.6~6.0 nm, 普通碳纤维几乎不含微孔).研究发现, 导体中的纳米结构有助于施加电压时强电场的形成(Hu et al., 2010; Kotnik et al., 2015; Nieuwenhuijsen et al., 2009).且与金属电极相比, 碳材料具有化学稳定性好、无毒、来源广, 价格便宜, 可塑性强等优点, 如果能实现高效的消毒效果, 导电碳纤维毡将有望成为过滤式消毒中电极的优选材料.
本文以几种碳纤维毡为研究对象, 采用电阻率、比表面积、SEM等方法对碳材料的基本特性进行表征, 并以大肠杆菌为对象进行消毒性能比较, 筛选获得高效电极并进一步分析了其消毒机理.
2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 电极材料与表征选用4种导电碳纤维毡作为电极材料, 其中3种是活性碳纤维毡, 分别是聚丙烯腈基(A-PCF)、黏胶基(A-LCF)和聚氨酯泡棉基(A-PUF)活性碳纤维毡, 另外一种是未经活化处理的聚丙烯腈基(PCF)碳纤维毡.
在场发射扫描显微镜(电压5 kV)下拍摄场发射扫描电子显微镜(SEM)图像; 用比表面与孔隙度分析仪, 气体吸附仪和电阻仪等对碳纤维材料比表面积、介孔、电阻率等理化性能进行表征(基本物理特性详见下表).
| 表 1 4种碳纤维的基本物理特性 Table 1 Essential physical characteristic of four carbon fibers |
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本过滤式消毒试验的消毒装置如图 1所示(胡洪营等, 2016).将碳纤维毡切割成Φ= 1.0 cm×0.5 cm的圆柱电极.用去离子(DI)水洗涤3次去除碳纤维的碎末.将制备的电极置于消毒装置(5 cm×5 cm×2.5 cm)中, 用塑料网(30目)使两电极绝缘, 并让流动菌液以过滤的方式依次穿过接通电源的正负电极进行消毒.
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| 图 1 消毒装置示意图 Fig. 1 Disinfection device used in this study |
本试验所用模式菌株为大肠杆菌(ATCC 15597), 将其培养至对数期(12 h), 然后使用生理盐水溶液(9.0 g·L-1氯化钠)稀释至所用浓度(约107 CFU·mL-1).
通过处理大肠杆菌菌液来评价碳纤维电极的消毒性能, 由恒流泵控制获得特定的水力停留时间(HRT).考虑到电极体积(φ 1 cm×1 cm)为0.785 cm 3, 为获得1 ~10 s的水力停留时间(HRT), 流速保持在47.1 ~4.71 mL·min-1内.在特定HRT下, 在两个电极之间施加从0~5 V变化的电压.测定流出物(Ni)中的大肠杆菌浓度, 并计算对数去除效率[E=log(N0/Ni)].
空白试验, 在不通电, HRT为10 s的条件下, 使相同浓度的菌液(大肠杆菌浓度4.5×106 CFU·mL-1)分别通过装有不同碳纤维毡电极的内过滤装置, 用无菌离心管收集流出液, 计算细菌的空白截留去除对数.
2.3 消毒效果评价方法平板计数法.将每个样品稀释(保证平板中菌数在30~200个之间), 涂布在琼脂培养基上, 一式两份, 并在37 ℃下培养24 h, 测处理后流出物(施加电压和空白截留)和对照样品(未经处理)的细菌浓度.空白样品在不施加电压下以实验样品相同的流速通过装置.比较处理和对照样品以确定细菌去除率.
扫描电子显微镜(SEM)观察法.细菌样品在15 ℃下以14500 r·min-1离心15 min(HITACHI RX2系列)收集用于SEM的所有细菌样品, 并弃掉上清液.然后将细菌置于2.5%的戊二醛中4 ℃过夜, 然后用0.1 mol·L-1的PB缓冲溶液将样品冲洗3次, 梯度酒精(50%、70%、80%、90%和100%)脱水, 再用叔丁醇干燥2次.(以上时间均为10 ~15 min·次-1).最后在叔丁醇中冷冻干燥.将样品分散在金属砧板上以准备SEM表征.
活/死染料荧光染色法.在15 ℃下以14500 r·min-1离心15 min(HITACHI RX2系列)收获所有细菌样品.将样品重悬于生理盐水中至终体积为0.5 mL.使用活/死荧光试剂(Molecular Probes)进行染色实验.将等体积(5 μL)的SYTO 9和PI染料溶液加入到实验和对照的样品中.将样品在黑暗中放置30 min, 在荧光显微镜下观察.
总氯和pH值测定.对照和处理的样品中的总氯浓度用Hanna HI96724总氯袋比色计测量(本试验水样为生理盐水, 总氯主要指氯气, 次氯酸和次氯酸盐), pH值由Seven2Go pH计测定
3 结果与讨论(Results and discussion) 3.1 碳纤维毡电极的基本特征本实验选取4种导电碳纤维材料, 并结合SEM图像和理化性能对其进行表征.通过SEM图像(图 2 a~d)发现, 与常规圆柱状(图 2b、2d)碳纤维不同, 2a和2c的单根碳纤维成多股黏合状, 且纤维丝更加交错.当含有微生物的待处理流体穿透通孔电极时, 2a和2c更有利于提高微生物与电极表面接触的概率.
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| 图 2 4种碳纤维扫描电子显微镜(SEM)图像 (a.聚丙烯腈基活性碳纤维A-PCF, b.聚丙烯腈基碳纤维PCF, c.黏胶基活性碳纤维A-LCF, d.聚氨酯泡棉基活性碳纤维A-PUF) Fig. 2 Four carbon fiber scanning electron microscopy(SEM) images |
4种碳纤维材料均具有较高的孔隙率(>93%)(表 1).聚丙烯腈基碳材料的电阻率明显小于其他两种基底的电阻率, 且A-PCF的电阻率最小(0.009 Ω·m), 仅为A-LCF和A-PUF的1/30倍, 表明A-PCF的电阻最小, 导电能力最强.A-PCF, A-LCF和A-PUF均含有微孔, 且A-LCF和A-PUF的微孔面积和孔容都明显高于A-PCF.另外PCF比表面积虽然比A-PCF大, 但由于未经活化并不具有微孔结构.
氮气吸脱附曲线(图 3a)表明, 氮气吸附量:A-LCF > A-PUF > PCF > A-PCF, 等温吸附线中最大吸附量越大, 表明纤维中所含的微孔结构越多, 比表面积越高, 吸附性能越优.根据国际纯粹和应用化学联合会(IUPAC)的标准, 4种碳材料的氮气吸脱附曲线的类型均属于Ⅰ型(Qian et al., 2007).其中A-PCF的主要吸附发生在相对压力P/P0 < 0.6的情况下, 且随吸附压力的增加达到吸附平台.这表明A-PCF的孔结构主要以微孔为主.PCF在相对压力>0.5时, 氮气吸脱附曲线均呈上升趋势, 表明存在中孔和大孔.A-LCF和A-PUF主要吸附发生在相对压力(P/P0 < 0.1)较低的情况下, 且在略有平台的相对压力在0.1~0.2(A-LCF)和0.4~0.6(A-LCF和A-PUF)范围内出现了多层吸附导致的滞后回环(Zhang et al., 2016).这表明A-LCF和A-PUF存在大量的微孔和中孔.
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| 图 3 4种碳纤维的氮气吸附-解吸曲线(a)及4种碳纤维的孔径分布特征(b) Fig. 3 The pore diameter distribution characteristics of 4 kinds of carbon fiber |
孔径分布曲线(图 3b)发现, A-LCF和A-PUF孔径主要以0.6 ~6 nm的微孔和中孔为主, 而A-PCF的孔径分布主要以0.5~1.7 nm的微孔为主, PCF孔径主要以2 ~4 nm的中孔(2 ~50 nm)为主.
3.2 不同碳纤维毡电极消毒性能比较消毒效果如图 4所示, 4种电极的细菌去除率均随着施加电压和HRT的增加而增加.当HRT为1 s和2 s时, 只有A-PCF电极在相应电压为5 V和2 V时出水中未检出大肠杆菌, 且对数去除率>6.5log.当HRT增加到5 s时, A-LCF和A-PUF电极在3 V处理条件下才能达到相同的处理效果, 而PCF电极只有将HRT增加到7 s时才会出现类似的现象.
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| 图 4 4种碳纤维电极的消毒效果 (菌体初始浓度:4.5 × 106 CFU·mL-1) Fig. 4 Disinfection effect of four kinds of carbon fiber electrode |
由于碳纤维本身对细菌具有一定的吸附和抑菌特性, 为除去不同碳纤维空白截留对消毒效果的影响, 对4种碳纤维电极细菌的空白截留特性进行比较.结果如图 5所示, 4种碳纤维材料对细菌均具有一定的截留效果, 但去除率仅为0.2 ~0.5log.在相同HRT下, A-PCF材料对细菌的截留最弱(< 0.35 log), A-LCF的截留能力最强(>0.40 log), 此结果与氮气吸脱附曲线(图 3a)中4种材料的吸附性能结果相符.同时说明A-LCF比A-PCF更容易出现电极堵塞.综上结果表明, A-PCF电极的灭菌效果最好.
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| 图 5 不同碳纤维毡电极细菌空白截留特性的比较 Fig. 5 Comparison of blank trapping characteristics of different Carbon fiber felt |
对A-PCF(聚丙烯腈基活性碳纤维毡)电极的消毒机理进行了初步分析.通过不通电处, 水力停留时间为2 s(对照组, 图 6a)和在2 V, 2 s的处理下(图 6 b )死/活荧光染色实验的结果表明, 大肠杆菌细胞在处理期间(2 V, 2 s)失去了膜完整性.因为Syto9是活体核酸透性染料, 对死活细胞都显色, 而PI只能对膜完整性受到破坏的细胞显色.同时发现在2 V, 2 s处理后染色的细菌数量减少(< 截留后菌数, 当HRT = 2 s时空白截留仅为进水菌数的15.3%), 可能是消毒处理破坏了细菌细胞核的完整性, 导致荧光标记无法达到显色剂量.
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| 图 6 消毒前(a)和消毒后(b, 2 V, 2 s)大肠杆菌的荧光显微镜图像 Fig. 6 Fluorescence microscope images of E.coli without treatment and after a 2 V, 1 s treatment |
SEM图像也证实了膜损伤的发生.与未处理的大肠杆菌(表面完整且平滑)(图 7a)相比, 处理后的大肠杆菌(2 V, 2 s)的细胞膜出现了明显的褶皱和破裂现象(图 7b).
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| 图 7 消毒前(a)和消毒后(b, 2 V, 2 s)大肠杆菌的电子显微镜图像 Fig. 7 SEM of E.coli without treatment and after a 2 V, 1 s treatment |
测定流出水样中的总氯浓度和pH值, 其中总氯值主要由电极阳极产生的Cl2和ClO2(标准电极电位分别为1.36 V和1.50 V, (刘子鑫, 1999))决定, pH值由阴阳极产物互相作用决定.结果如图 8所示.当施加电压≤2 V时, 在流出物中未检测出总氯, 这表明该电压没有达到氯检出的电位(过电位导致阳极电位比理论值高), 氯消毒不是该电压处理下大肠杆菌灭活的机制.而pH值基本维持在7左右, 表明该电压下阴极产物的量不足以造成单位时间流过水量的pH变化, 进一步说明在电压≤2 V时电极发生氧化还原化学反应的能力极弱.
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| 图 8 流出物中总氯浓度和pH值时随施加电压的变化曲线 Fig. 8 Electric currents and concentrations of total chlorine in effluent varied with applied voltage |
以上结果表明, 施加电压≤2 V时, 电极的氧化还原产物(Cl2和ClO2标准电极电位分别为1.36 V和1.50 V, (刘子鑫, 1999), ·OH标准电极电位为2.80 V(张祺, 2016))并不是细菌灭活的直接原因, 电场的直接作用才是细菌致死的主要原因.基于死/活荧光染色实验和SEM照片, 发现灭活细菌的膜受到了不可修复的破坏, 并没有发现电穿孔, 但细胞膜的通透性变大, 说明电灼烧很可能是造成细菌致死的机制.同时由A-PCF的基本特性(表 1)和消毒对比图(图 4)分析, 与其他碳纤维毡相比, A-PCF具有较高的导电性(电阻率仅为0.009 Ω·m).同时成多股黏合状微米尺寸的碳纤维相互交错, 大大增加了细菌与电极表面的接触概率.且与同基底且高导电性(电阻率为0.012 Ω·m)的PCF相比, A-PCF的消毒性能明显优于PCF.表明碳纤维表面的孔径均一的纳米级微孔很可能增大了纤维表面的电场.因此电阻率和微孔结构可能是影响碳纤维消毒效果差异的关键原因, 使A-PCF即使在较低外接电压下, 当菌液滤过并接触穿透电极表面时, 仍然可以被强电场电破坏致死.
4 结论(Conclusions)在相同的条件下, A-PCF电极对大肠杆菌的消毒性能最好, 在2 V, 2 s下即可实现>6.5log的高效灭菌.电场的直接作用是细菌致死的主要原因, 死/活荧光染色实验和SEM图像证实了灭活细菌膜损伤的存在, 低电压(≤2 V, 流出水样未检测到氯, pH值不变)排除了电极氧化还原产物的影响.A-PCF是电极穿透式消毒的高效材料.
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