文摘

水消毒引起了全世界科学家的关注由于缺水。最重要的挑战是确定如何实现适当的消毒不产生有害副产品得到通常使用传统的化学消毒剂和开发新的接入点水性病原体的清除和失活的方法。处理过的水的污染物的去除和重用提供成本,显著减少,负债,和劳动力的行业,导致改善环境管理。目前的研究演示了删除的一种新方法大肠杆菌(大肠杆菌从水中)使用产生和修改/功能化碳纳米管(碳纳米管)与1-octadecanol集团(C₁₈)在微波辐射的影响。扫描和透射电子显微镜、热重分析和红外光谱被用来描述形态/碳纳米管的结构和热性能。1-octadecanol (C₁₈)附在碳纳米管表面的官能团通过费舍尔酯化。生成的碳纳米管进行了测试效率破坏病原菌(大肠杆菌)在水中,没有微波辐射的影响。去除率较低(3 - 5%)(大肠杆菌)获得了细菌仅使用碳纳米管时,表明碳纳米管没有引起细菌细胞死亡。结合微波辐射时,未改性碳纳米管能够从水中去除98%的细菌,而更高的细菌(100%)当CNTs-C实现₁₈在相同的条件下使用。

1。介绍

安全的饮用水是人类最基本的需求之一。安全的饮用水是通常定义为水,不构成任何对人类健康风险。世界卫生组织(世卫组织)定义了安全饮用水的水化学,微生物,物理特性符合世卫组织准则饮用水质量和各自的国家饮用水标准。(即高质量的水。,water free of contaminants) is essential to human health and is a critical feedstock in a variety of key industries, including the oil and gas, petrochemical, pharmaceutical, and food industries. The available supplies of water are decreasing due to (i) low precipitation, (ii) increased population growth, (iii) more stringent health-based regulations, and (iv) competing demands from a variety of users, for example, industrial, agricultural, and urban development. Consequently, water scientists and engineers are seeking alternative sources of water. These alternative sources include seawater, storm water, wastewater (e.g., treated sewage effluent), and industrial wastewater. Water recovery/recycle/reuse has proven to be effective and successful in creating a new and reliable water supply while not compromising public health [1]。水传播的病原体是一种主要的公共卫生问题在发展中国家,每年导致数百万人死亡1]。在世界范围内,水传播疾病仍然在许多发展中国家的主要死亡原因。根据2004年的报告,至少有六分之一的世界人口(11亿人)缺乏安全饮用水。后果是令人生畏:腹泻每年大约有220万人死亡,其中大部分是5岁以下的儿童(2]。

今天大部分的修复技术,而有效,经常是昂贵和费时的方法。大肠杆菌是肠道的细菌来源的发生和丰富允许其使用定义水和废水的卫生质量。世卫组织已建立1000最大程度的粪便大肠杆菌(FCU) / 100毫升为单位类别水质(3]。氯化是应用最广泛的污水消毒方法,虽然它有缺点由于三卤甲烷的形成和organochlorinated化合物,是致癌物质。另一种消毒方法是使用一些金属,单独或组合,如铁、铜、或固态(Ag)4,5以离子形式),(6- - - - - -11),结合紫外线(12),或作为配方的金属离子,铜、或Ag)被添加到固体基质,如沸石(13,14),陶瓷材料(15],硅酸盐[16)、胶体和金属纳米粒子(17- - - - - -19]。这些金属颗粒不能真正地直接用于水处理,因为他们的毒性对人类还不知道,尽管他们对人类有毒元素形式在高水平的风险。然而,我们的经验使用金属废水消毒是有限的,他们主要涉及使用金属离子结合其它化学消毒剂,如氯、过氧化氢、过醋酸(PAA)。这些组合的消毒剂应用从先进的初级治疗(APT),影响生物废水,或原水(20.- - - - - -23]。纳米科学与工程的发展表明,当前的许多问题涉及水质可以解决或者使用nanosorbents大大改善,nanocatalysts,生物活性纳米颗粒,纳米催化膜,和nanoparticle-enhanced过滤等产品和工艺发展的纳米技术(24]。在过去的二十年,碳纳米管(碳纳米管)已收到相当大的注意力从许多研究人员由于其有趣的性质和广泛的应用。除了出色的力学特性、碳纳米管表现出良好的电和热性能。这些优越特性提供了令人兴奋的机遇为新的应用程序(生产先进材料25- - - - - -35]。因为纳米颗粒(NPs),特别是碳纳米管,有能力的免疫系统或直接进入大脑或血液细胞,一些世界各地的高素质研究中心正在调查将机器连接到单个细胞提供治疗,注射毒品和执行许多任务相关的健康问题(36]。碳纳米管在细菌和病毒的影响并没有得到太多的关注,最有可能由于在水中分散碳纳米管的难度。碳纳米管的抗菌活性需要碳纳米管之间的直接接触和目标微生物(37]。因为碳纳米管是高度疏水性材料,这一发现表明,暂停nonfunctionalised碳纳米管在水里是非常困难的,不提供足够的CNT-microbe接触消毒。几个可用的研究认为纳米抗菌活性对革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌,和造成的损失归因于物理交互或氧化应激,妥协细胞膜的完整性。因此碳纳米管可能有助于抑制微生物吸附和生物淤积形成表面(38- - - - - -41]。例如,康(37)固定纳米膜过滤器表面,观察到87%大肠杆菌在两小时内死亡。斯利瓦斯塔瓦等。42]表明,碳纳米管可以被纳入中空纤维,实现有效的失活大肠杆菌和脊髓灰质炎病毒。Brady-Estevez和Flimelech43实现完整的保留和有效的失活大肠杆菌和5 - 7日志删除一噬菌体使用PVDF微孔膜涂上一层薄薄的纳米管。在大多数情况下,为了实现总测试微生物的失活,接触时间往往是大的,也就是说,2 h (36]。

微波与碳纳米管之间的相互作用是一个有趣的话题,各种潜在的应用。微波与碳纳米管已被用于微生物的失活,提供一个技术简单,绿、大型水净化。作为一个创新应用,微波的组合很好地结合碳纳米管生产水处理的新技术。此外,碳纳米管的属性之外,他们的行为不同于典型的有机化合物可能打开门的准备范围广泛的新材料在许多领域有用。目前的研究提供了一种新方法大肠杆菌从水中使用修改和nonmodified碳纳米管有或没有微波辐射的热效应。

2。实验方法及材料

2.1。羧化作用的碳纳米管

从纳米多层碳纳米管(碳纳米管)购买&非晶态材料,Inc .)、美国。碳纳米管的纯度> 95%,内外直径是10 - 20 nm和5 - 10纳米,分别。这些碳纳米管的长度是10 - 30μm。三百毫升的浓硝酸AnalaR(69%)被添加到2 g的收到基碳纳米管。混合物在120°C回流48 h,然后冷却到室温。混合物和500毫升的去离子水稀释,然后vacuum-filtered通过滤纸(3μ米孔隙度)。这个洗操作重复直到酸碱成为一样的去离子水,其次是在真空干燥箱干燥在100°C。这种情况导致了碳纳米管的催化剂,开放的管帽,胎侧和孔的形成,紧随其后的是一个沿着墙壁和随之而来的氧化腐蚀释放的二氧化碳。这个少有力条件最小化的缩短管,然后化学改性是有限主要的管帽和官能团的形成沿侧壁缺损处。最终产品是纳米管胎侧的结束和碎片被装饰着各种含氧组(主要是羧基组)(图1)[44]。此外,CNT氧化表面的羧基功能的比例不超过4%,而对应的百分比问结构性缺陷(15,16]。

2.2。酯化的碳纳米管

费歇尔酯化反应是可逆反应,而其他酯化路线不涉及平衡。将平衡有利于酯的生产,习惯使用过量的反应物之一,酒精或酸。在目前的反应,过度的1-octadecanol(默克公司97%纯度)使用,因为它是便宜,比碳纳米管更容易去除。另外,水在这个反应是被蒸发形成的反应。

氧化引入羧基组代表有用的网站进一步的修改(17),因为它们使共价分子的耦合通过酯(图的创建2)[44]。在250毫升烧杯,10 g的1-octadecanol融化在90°C,电炉和1 g的氧化改性碳纳米管(M-CNTs)补充道。混合物搅拌10分钟之前添加了几滴硫酸作为催化剂。添加催化剂后,反应是保存在电炉和搅拌2小时。反应完成后,苯的混合物倒入250毫升和vacuum-filtered通过滤纸(3μ米孔隙度)。这个洗操作重复了五次,其次是与石油醚洗涤三次和四氢呋喃三次。产品与去离子水和丙酮洗几次,然后functionalised M-CNT材料产生真空烘箱中干燥在90°C。

这个反应的机制涉及到酒精或胺的亲核加成的羰基质子化了的酸在碳纳米管中,紧随其后的是消除一个质子。四面体中间是在酸性条件下不稳定的反应和经历脱水酯化或酰胺。这种机制的关键步骤包括激活的羰基氧羰基质子化作用,使质子化羰基的亲核加成形成四面体中间,和消除水的四面体中间恢复羰基。

2.3。红外光谱测量

傅里叶变换红外(FTIR)光谱显示能力有限调查碳纳米管的结构。一个因素阻碍了进步的红外光谱为穷人问分析作为一种工具的碳纳米管红外透射率。为了克服这个问题,KBr纳米管样本使用的准备。因为他们的黑人角色,碳纳米管具有强大的吸光度和经常无法区别于背景噪音,非常低浓度的碳纳米管在溴化钾粉末使用。然而,更大的自由振动附加聚合物物种产生更明显的峰值,所以附加的物种通常关注的焦点在红外光谱的结果。尽管如此,非常小心样品制备,一些研究人员设法阐明峰值对应于表面束缚半个,如羧酸团体在波数为1791,1203,1080厘米⁻¹。珀金埃尔默的光谱样本记录的16 f PC红外光谱仪器。红外光谱样本由磨~ 0.03 wt %干物质钾溴化。

2.4。热分析

热重分析(TGA)技术措施的变化在一个样本的重量增加温度。水分和挥发性物种的存在与此技术可以确定。计算机控制的图形可以计算重量百分比的损失。动态热重实验研究使用Netzsch模型STA 449 F3木星同步热分析仪,它允许测量相关的质量变化和相变能量。系统配有PtRh炉操作从25到1500°C的能力。和类型的热电偶温度测量。系统是真空的,允许测量控制气氛下进行。差示扫描量热法(DSC)测量也研究相变和放热或吸热分解发生在调查样本。TGA-DSC分析进行小样本(大约6毫克)安装在与Al铂金坩埚₂O₃衬垫和穿盖子的惰性气氛(氩气流量,70 mL / min)的降解研究和空气的条件下(空气流量气体,70 mL / min)的氧化研究。温度范围是不同的从室温到1400°C,和典型的升温速率是20°C /分钟,而平衡的数字分辨率是1μg /数字。

2.5。碳纳米管的表面描述

碳纳米管的形态和结构研究进行了使用场发射扫描电子显微镜(JEOL地产- 6700 f)和透射电子显微镜(飞利浦CM200-FEG)。TEM样品,准备一些酒精是掉在碳纳米管薄膜,用镊子被转移到一个碳涂层铜网格。

2.6。微生物和文化条件

的大肠杆菌写明ATCC 8739号菌株(由法赫德国王大学,石油和矿产诊所)曾在这工作。大肠杆菌生长在一夜之间在营养肉汤37°C在旋转瓶(160 rpm)。整除的pre-culture接种到新鲜的媒介和孵化在相同的条件下的吸光度在600 nm 0.50。细胞被在4000转离心收获10分钟在4°C,洗两次无菌0.9%氯化钠溶液在4°C,和分散溶液中含有碳纳米管和CNTs-C₁₈的浓度CFU /毫升。

杀菌速度可以通过以下公式计算: 在哪里杀菌速度;集落形成单位(CFU) /毫升的控制样本;集落形成单位(CFU) /毫升的样品进行测试。最佳杀菌速度可以在每个培养皿的范围应在30 - 300 CFU /毫升。

2.7。微波应用程序

上述解决方案的纳米材料是用在与细菌混合解决方案。每种类型的碳纳米材料,碳纳米材料和细菌的混合物进行了测试和为0,没有暴露在微波辐射(图5和10秒3)。培养细菌(测试细菌有不同的碳纳米材料,没有微波辐射)分析了在营养琼脂板电镀系列稀释后0.9%生理盐水。殖民地被数后48小时孵化在37°C。大肠杆菌控制实验与每个CNTs-C并行执行₁₈材料测试。

3所示。结果与讨论

本研究报告结果使用碳纳米管和碳纳米管functionalised 1-octadecanol组(C₁₈删除)大肠杆菌细菌在水中分散以及额外使用微波辐射的影响。

3.1。描述碳纳米管

纳米FE-SEM和透射电镜观察。碳纳米管的直径被发现从20到40 nm平均直径24海里,而碳纳米管的长度达到几微米。图4(一)SEM照片显示碳纳米管低倍镜下,而图4 (b)显示了一个放大的图像。从SEM观察,产品代表相对高质量的碳纳米管。TEM也描述了碳纳米管的结构(图5)。TEM样品,准备一些酒精是下降到纳米管薄膜,用镊子被转移到一个碳涂层铜网格。很明显的图像,所有的碳纳米管是中空的,管状的形状。的一些图片,可以观察到催化剂颗粒内的纳米管。图5 (b)显示了高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)的碳纳米管和高度有序的水晶问结构。

3.2。碳纳米管的表面改性

图6显示了红外光谱的应用基多层碳纳米管和碳纳米管与1-octadecanol functionalised (CNT-C₁₈)。碳管的红外光谱显示2920厘米的吸收带⁻¹,这是由于不对称和对称的CH₂伸展运动。乐队1698厘米⁻¹是分配给羧基C = O拉伸,1097厘米吗⁻¹对应于切断拉伸醇。这些表面官能团的存在纯粹的热合表明他们的金属催化剂中引入纳米管净化过程。羧基C = O拉伸峰观察到1693厘米⁻¹可以归因于热合的酸处理,这些信息在其他地方报道。替换与1-octadecanol MWCNT-COOH集团的指示性达到了2920厘米⁻¹对应于CH₂伸展的长烷基十八醇分子。山峰1473、1458和1068厘米⁻¹对应于十八醇的醚形成碳纳米管的羧基组。

3.3。热氧化和降解改性和未改性碳纳米管

材料的热降解的研究是主要的重要的,因为它可以在许多情况下,确定材料的使用温度上限。此外,相当多的注意力指向了利用热重数据官能团的决心。为此,热重分析(TGA)是一种广泛使用的技术,因为它简单和简单的热法提供的信息。图7描述了纳米TGA-DSC结果与胺组(CNT-C functionalised₁₈)。在这些数字,TG %指的是与温度有关的质量百分比的变化,壳体(% /分钟)质量变化率(TG曲线导数),和DSC (mW /毫克)的热流率考虑样本。几个质量损失步骤观察,由于释放水分(下图~ 150°C)和分解相关的有机组织。质量损失的步骤在DSC伴随着吸热效果可见信号除了样本。图7显示CNT-C退化₁₈。两个高峰出现在265°C和大约400°C,相应的,分别的最大降解C₁₈和羧酸组。从图8看来,少量的苯酚已附加到羧基,因此产生一个小壳体峰值出现在大约250°C对应的最大降解苯酚其次是达到376°C显示的最大降解羧基组。众所周知,碳在大气环境中分解。样本,燃烧空气气氛下揭示原始碳纳米管的纯度。TG热分析图在空气中进行,并指出,有一些剩余的样品被加热到约900°C时,如图8,这剩余的催化剂。它可以观察到,这个分解过程是一个单级的分解反应过程分解温度是定义良好的。

3.4。碳纳米管和Functionalised去除碳纳米管大肠杆菌细菌

这部小说由碳纳米管组成的纳米材料functionalised 1-octadecanol (C₁₈H₃₈O)或仅仅是C₁₈组调查彻底在这个研究。CNTs-C的加药量₁₈在所有实验被固定在0.2克的碳纳米管/ 100毫升的氯化钠热压处理过的解决方案。表1礼物的百分比大肠杆菌细菌通过添加碳纳米管和CNTs-C删除₁₈纳米材料。

如表所示1,结果表明的百分比大肠杆菌细菌去除碳纳米管和CNTs-C₁₈相对较小(3 - 5%),这可能是由于实验误差,这意味着没有显著去除发生。碳纳米管的抗菌活性需要碳纳米管之间的直接接触和目标微生物(41]。我们的实验提供了直接的证据,没有主要的去除大肠杆菌细菌会发生如果收到基碳纳米管或纳米改性通过羧基或1-octadecanol (C₁₈H₃₈O)官能团。

3.5。删除大肠杆菌细菌与碳纳米管的微波辐射交互

在这次调查,微波被利用作为热源的去除大肠杆菌细菌。的消毒大肠杆菌从饮用水细菌治疗前后碳纳米管和functionalised碳纳米管有或没有微波辐射图所示9。在微波辐射下,死亡是非常有限的,大约0.04到0.4日志减少细菌细胞的数量在5和10秒后,分别使用微波在碳纳米管的存在减少了约0.2到0.6的日志。更高的减少与CNTs-C获得₁₈,产生大约0.2到1.5日志5和10秒后,分别。增加辐射时间12秒,细菌细胞的数量大幅减少使用CNTs-C得到₁₈,减少4日志清除(99.99%),2.7日志(98.9%)与碳纳米管和0.6日志(72%)与微波辐射。细菌死亡,增强使用微波加热后,可能是由于细胞壁上两极分化的影响。预计这两极分化产生急性和过度的潜力和热量,导致细胞壁破裂。

图10显示了切除的示意图大肠杆菌细菌的作用下使用应用基微波辐射和functionalised碳纳米管。碳纳米管的functionalisation C₁₈(碳碳键)组织提供进一步增强热性能的碳纳米管由于长碳链,微波的吸收速率增加热量附着在碳纳米管表面,导致更高的热吸收,从而全面提高温度,尤其是在长时间(12秒)。

4所示。结论

微波与碳纳米管(碳纳米管)之间的相互作用实际上是一个有趣的话题和最近有广泛的应用。本研究突出了新方法的去除大肠杆菌从水中使用应用基碳纳米管和碳纳米管改性1-octadecanol组(C₁₈)在微波辐射的影响。特征的形态学应用基碳纳米管是利用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)和透射电子显微镜(TEM)来确定碳纳米管的直径和长度。碳纳米管的直径变化从20到40 nm平均直径24海里;长度是10微米。碳纳米管的表面与1-octadecanol functionalised (C₁₈)通过费歇尔酯化反应官能团,这证实了傅里叶变换红外(FTIR)光谱、热重分析(TGA)和差示扫描量热(DSC)。修改的,修改后的碳纳米管进行测试的效率破坏病原菌从水,有或没有微波辐射的影响。低(3 - 5%)大肠杆菌观察细菌仅使用碳纳米管时,表明碳纳米管本身不会导致细菌死亡。一个高的大肠杆菌细菌获得了微波辐射时使用。几乎完全切除大肠杆菌使用CNTsC细菌(100%)获得₁₈碳纳米管(98紧随其后。%),然后一个微波源(71%),持续12秒。碳纳米管functionalised carbon-18官能团与微波辐射通常显示最高的抗菌活性与non-functionalised相比碳纳米管与微波辐射和微波辐射没有碳源。这些重要的结果由于多个链C₁₈(碳碳键),微波加热的吸收率增加。作为一个创新的应用,结合微波与修改和未修改的碳纳米管似乎是有前途的,可以补充当前使用的消毒方法。此外,碳纳米管的微波吸收特性和他们独特的行为相比,典型的有机化合物可能打开门准备的范围广泛的新材料在许多领域有用。因此,需要有广泛和深入的科学研究的研究领域的“生物”,不仅为人类的目的,也为我们周围的环境(植物和动物)。未知的疾病,新的病毒,成千上万的危险细菌是填补世界,和这些关键问题是促使科学家部署新技术治疗疾病,水净化的应用程序,和其他许多环境问题(ir 23, 8670 - 8673)。