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过滤除菌技术及其在家庭应用场景概述

18天前

本文针对过滤除菌技术的机理、所用净化材料及应用该技术的家电产品和家庭场景进行概述

过滤除菌是指用物理阻留的方法去除介质中的微生物。在大多数情况下,过滤只能除去微生物而不能将之杀死,处理时必须使欲消毒的物质通过致密的滤材才能将其中的微生物滤除,因此过滤除菌技术适用于对液体与气体等流体物质的处理[1]。人们在生产、生活中利用过滤技术已经有上千年的历史,用过滤材料滤除病毒和细菌的方式也随着新型材料的发展而逐渐兴起。随着人们环保意识的日益增强,以及对高品质生活的不断追求,过滤除菌用净化材料也得到了快速的发展和广泛的应用[2]。本文针对过滤除菌技术的机理、所用净化材料及应用该技术的家电产品和家庭场景进行概述。

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过滤除菌技术机理


1.1 过滤机理

常见的微生物尺寸大小如表1所示[3]。对于如此细小的颗粒,研究过滤除菌机理具有重要意义,蒋绍阶等[4]通过研究发现各种过滤净化材料主要通过机械筛滤和吸附截留作用两方面起到过滤效果。

表1 常见微生物尺寸大小[3]

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机械筛滤作用:过滤净化材料的孔隙形成筛网,使比孔径大或者与其相当的微生物颗粒被截留在表面,同时伴随着过滤的进行,在表面形成滤饼并且逐渐加厚。机械筛滤的作用主要发生在过滤净化材料的表面,与孔径的大小密切相关,许多尺寸较大的微生物主要都是通过这种作用去除的[5]


吸附截留作用:吸附截留作用涉及在过滤净化材料的内部基质中的吸附沉积,微生物颗粒进入过滤净化材料内部时受到物理化学作用和静电引力,使它们沉积在过滤净化材料孔侧壁或者内部基质上,但不会形成滤饼。吸附截留的作用主要发生在过滤净化材料的内部,并与微生物颗粒的物理化学性能、过滤材料性质和组成有关,许多尺寸较小的微生物(大部分病毒)主要都是通过这种作用去除的[2]


驻极体是指具有长期储存电荷功能的电介质材料,驻极体空气过滤材料主要是通过荷电纤维的静电吸附达到高效过滤效率。在驻极体空气过滤材料中,纤维间隙尺寸一般大于细菌、粉尘的尺寸,但是过滤效果却不比机械空气过滤材料差。这是由于极化的纤维通常带有几百甚至千伏的电压,纤维间隙的电场可达每米几十兆伏甚至更高。荷电纤维的静电力不仅能够有效地吸附带电粉尘,未带电的中性微粒也能被强电场极化而最终被捕获,所以驻极体空气过滤材料在获得高效的过滤效率的同时,过滤压力降却很低[6]。静电吸附作用与过滤净化材料和微生物体上所带的电荷有关,大多数革兰阳性菌的细胞壁含有磷壁酸,使细胞壁带负电荷,如果过滤材料具有与微生物体相反的电性,会大大提高过滤效率[2]


1.2 除菌机理

不同的过滤除菌净化材料在杀灭微生物的过程中的物理作用或者化学作用方式不同。比如,李光等[7]的研究显示,改性聚合物纤维过滤材料通过抗微生物制剂与微生物直接作用,通过破坏细胞壁、细胞膜,氧化蛋白酶、核蛋白,阻碍代谢,造成微生物死亡。雷绍民等[8]的研究显示,以纳米TiO2为代表的光催化功能性空气过滤材料不直接与微生物细胞反应,纳米TiO2在近紫外光的照射下形成光生电子-空穴对,再与水或水中的溶解氧反应,形成羟基自由基和超氧离子等活性氧类,它们与细胞壁或细胞内的组成成分发生生化反应进而杀灭微生物,目前已被证明的机理有细胞膜渗透作用、破坏细胞内辅酶A、过氧化使蛋白质和酯类变性分解以及破坏细胞结构等。黄翔等[9]的研究表明,驻极体空气过滤材料是通过驻极体的强静电场和微电流刺激微生物,使蛋白质和核酸变异,破坏细胞质和细胞膜,破坏微生物的表面结构,导致微生物死亡。而负离子空气过滤材料则是通过抗微生物制剂电气石产生的负离子杀灭微生物[10]


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过滤除菌用净化材料及优越性


过滤细菌用净化材料包括无机物和有机高聚物,无机物用于制备过滤除菌材料的时间比较早,在1915年,硅藻土过滤技术就被应用于小型水处理装置[11]。由无机材料如金属、金属氧化物、陶瓷、玻璃纤维、石棉、沸石、硅藻土等制成的孔径在微米或纳米级的过滤除菌材料,具有结构稳定、耐高温高压、耐酸碱、耐有机溶剂、抗微生物侵蚀、不易老化、寿命较长、化学稳定性和机械强度大、孔径均一、易于进行化学清洗等特点[12]。  


有机高聚物制备膜过滤材料被认为是21世纪最有发展前途的高科技之一。按分离物质的大小,将膜过滤技术分为微滤(MF)、超滤(UF)、反渗透(RO)和纳滤(NF)等,膜的分类与特性如图1所示[13]。常用的高分子膜材料有纤维素类、聚砜类、聚丙烯腈(PAN)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚醚酮(PEK)、聚酰亚胺(PI)等工程高分子材料[14]

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图1 膜的分类与特性[13]

随着技术的进步,人们通过对传统过滤材料添加抗微生物制剂进行改性或者开发新型生产工艺,制造出不仅能够过滤细菌,而且具有抗菌效果的过滤材料,可以有效抵抗微生物侵蚀,且除菌效果更好。如表2所示,列举了几种的抗微生物过滤材料[2]

表2 抗微生物过滤材料[2]

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过滤除菌技术在家庭环境中的应用


3.1 在空气净化中的应用

据统计,人类活动70%的时间都在室内。然而对于家中相对密闭的室内环境,随着人们的日常活动,会有意或无意地增加室内污染。尤其是在新冠肺炎疫情的特殊时期,需要人们在家勤开窗通风,保持室内空气流通。空气净化器对空气中的颗粒物、气态污染物、微生物等一种或多种污染物具有一定的去除能力;新风机作为一种家用换气设备,能够给室内提供新鲜的空气,降低室内空气中CO2的含量和细微污染物的浓度,保持室内空气的流动。这两种家用电器产品能够有效保证室内空气的健康。


空气净化器和新风机所采用的净化技术主要是物理过滤(高效HEPA过滤网)和静电集尘。物理过滤的方式,即通过内置的滤网将吸入的空气进行过滤。这其中最常使用的就是高效HEPA过滤网,其可有效过滤掉细菌、微细颗粒,包括部分病毒。


同时,空气净化器和新风机的过滤网还可能存在抗菌涂层。抗菌涂层通过添加Ag、Cu、Zn、Mg系无机催化杀菌材料或离子液体类有机抗菌剂等,可以抑制细菌和霉菌,破坏细菌的细胞养料输送,使其无法生长繁殖,最终丧失活性导致死亡,对于去除大肠杆菌、白色葡萄球菌、金黄色葡萄球菌、白色念珠菌、肺炎链球菌等具有一定效果。


3.2 在家庭净水中的应用

随着经济的发展和物质生活水平的提高,人们对饮用水的质量要求越来越高,各种类型的净水器也越来越多的出现在大众家庭中。家用净水器采用的主要技术有:以活性炭为主的介质过滤法;以微滤、超滤、纳滤、反渗透为主的膜法;以除菌功能为主的物化消毒法;以软化、电解为主的水质调节法。其中,活性炭可以去除余氯和消毒副产物如二卤甲烷等,去除各种有机污染物,去除色度、异味、异嗅,改善水的口感。微滤、超滤、纳滤、反渗透等膜法可滤除水中的铁锈、泥沙、悬浮物、胶体、细菌、病毒、大分子有机物等有害物质,并能保留对人体有益的一些矿物质元素。同时,家用净水器还能够对饮用水起到矿化、磁化、活化、弱碱化的效果。家用净水器作为一种微型化的水质深度处理装置,在自来水末端设置效率高且经济的净化饮用水装置,能够改善饮用水的水质,并且有效的保证饮用水的安全[15]


另外,过滤除菌技术还可以应用在生活污水的处理上。生活污水一般用生物降解/化学氧化法结合处理,但氧化剂的浪费太大,残留物多。如果能添加一纳滤环节,使能被微生物降解掉的小分子透过,并且截留住不能生物降解的大分子,进入化学氧化器后再进行生物降解,这样就可以充分利用生物降解性,节约氧化剂和活性炭用量,降低最终残留物含量[16]


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总结


本文针对过滤除菌技术的机理、所用净化材料及应用该技术的家电产品和家庭场景进行了概述。人们在生产、生活中利用过滤技术由来已久,经过上千年历史的发展,现在过滤除菌技术已被广泛应用于食品饮料、医药、化工、电子、家用电器、能源、环保和检验等领域。同时,过滤除菌所用的净化材料也越来越丰富。相信伴随着人们生活水平的提高,以及新技术、新工艺的不断发展,越来越多的新型过滤除菌净化材料会被制备出来并不断满足人们健康生活的需要。



参考文献
[1] 刘育京.消毒学基础讲座 第六讲 过滤除菌[J].消毒与灭菌,1988,5(2):109-113.
[2] 任峰,刘太奇.过滤除菌用净化材料的研究与应用[J].化学世界,2007(2):121-124.
[3] 王建军.过滤除菌工艺与应用探讨[J].化工与医药工程,2016,37(3):18-23.
[4] 蒋绍阶,石长恩,江志贤.膜过滤技术用于饮用水消毒可行性探讨[J]. 重庆环境科学,2003,(4):52-54.
[5] 宋宇,张小清,黄雨荪.滤膜、过滤器的选择及其在制药除菌中的应用[J].中国药业,2001,10(5):63-64.
[6] 黄翔,顾群,吴生.聚合物驻极体空气过滤材料(器)在空调中的应用[J].洁净与空调技术,2003,(4):38-42.
[7] 李光,江建明.抗微生物聚丙烯及其纤维的发展[J].产业用纺织品,2000,(6):9-13.
[8] 雷绍民,熊毕华,郝骞,等.纳米TiO2复合抗菌材料抗菌机理与研究进展[J].资源环境与工程,2006, 20(4):459-462.
[9] 黄翔,顾群,狄育慧.功能性空气过滤材料及其应用[J].洁净与空调技术,2003,(3):38-42.
[10] 洪贤良,陈胜发,戚志浩,等.电气石空气过滤网的抗菌除臭负离子效果研究[J].洁净与空调技术,2005(4):51-52.
[11] 王泽民.硅藻土助滤剂在水过滤中的应用[J].工业水处理,2000,20(8):4-7.
[12] 尹占兰,汪群拥.膜分离技术简介[J].中学化学教学参考,2004,(12):49-51.
[13] 严希康,俞峰伟.纳米过滤膜的应用[J].中国医药工业杂志,1997,28(6):280-286.
[14] 杨亚楠,王鹏,郑庆柱.改性高分子超滤膜的研究进展[J].离子交换与吸附,2005,20(1):87-94.
[15] 蒋莉蓉.家用净水器技术与其展望[J].中山大学研究生学刊(自然科学.医学版),2016,37(1):25-34.
[16] 赵扬,席莹本,许莉.纳米过滤技术及其在我国的发展与展望[J].流体机械,2003,31(5):25-28.


家电科技介绍

《家电科技》期刊创刊于1981年,是由中国轻工业联合会主管、中国家用电器研究院主办的国家级学术期刊,被《中国核心期刊(遴选)数据库》收录,是家电及相关行业公认的权威科技期刊。

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