[发明专利]用于水净化的银持续释放组合物

说明书

背景

技术领域

本公开涉及水净化领域并且确切地说涉及用于水净化的与银持续释放相关的组合物和方法。

技术背景

饮用水污染是全世界，特别是在发展中国家和欠发达国家中的一个主要健康问题。多种污染物会影响水的质量，包括生物种类(例如，细菌和病毒)、无机物种类(例如，氟化物、砷、铁)和有机物种类(例如，杀虫剂、挥发性有机物)。在水中的这些污染物是世界庞大人口的多种疾病的来源。与污染水对健康的影响有关的沉重费用负担仍压在穷人的肩膀上。通过开发用于除去这些污染物的负担得起的且有效的解决方法可解决这个问题。

银因其抗菌特性而被广泛已知并且已被用作用于处理污染水的无机银盐、有机银盐以及其盐、氧化物和金属状态的胶体。尽管众所周知银是良好的抗菌剂，但是存在于水中的银的性质确定其抗菌功效。最近，银已被广泛以金属纳米粒子的形式来使用。银纳米粒子的抗菌特性通过纳米粒子-细菌表面相互作用或通过从纳米粒子释放的银离子或通过二者而显露出来。

银纳米粒子的抗菌特性已在多个专利申请中予以讨论，其中已公开了银纳米粒子的合成方法的改进(Pal等在Appl Environ Microbiol中,2007,73(6),1712；De Windt等在美国专利申请20100272770中；Sastry等在936/MUM/2008中)，已使用了用于在非水的介质中合成它们的方法(Chen等，在美国专利7329301中)，并且已讨论了用于在不同基底上负载银纳米粒子的方法(Rautaray等，在印度专利申请1571/MUM/2008中)。银纳米粒子提高的抗菌特性归因于银金属的尺寸限制。尽管已开发了多种方法用于银纳米粒子的合成，但是在由不同种类组成的真水中使反应性粒子长时间保持纳米尺寸是非常困难的。这是因为离子诱导的聚集、表面改性、盐沉积等等。因此，在水净化中采用反应性银纳米粒子时的一个重要要求是在延长时间内的尺寸稳定和防止表面改性。

使用银纳米粒子的抗菌性能的另一个重要方面为释放的银离子的分数(释放的银离子的量/使用的银纳米粒子的量)。已知的是，尽管使用了大量的银纳米粒子，但是仅少量的银离子释放到污染水中。例如，Hoek等(Environ.Sci.Technol.2010,44,7321)报道了在总溶解固体(TDS)为约340百万分率(ppm)的再生产真水中，溶解的银的分数小于所添加的银的总质量的0.1%，不管初始来源是什么(即，AgNO₃或银纳米粒子）。此现象归因于水中不同阴离子的存在，如氯化物(很多银盐具有非常低的稳定性)。因此，在水过滤器中使用的银纳米粒子的量多于最佳量并引起过滤器尺寸和装置成本的增加。

银离子从纳米粒子中释放的速率决定了纳米粒子可用作抗微生物剂多久。银离子持续更长时间从银纳米粒子中恒定释放对于在水过滤器中有效使用是至关重要的。这确保了一致的抗微生物性能和低于如世界卫生组织(WHO)所规定的容许限度的银离子释放。已在文献中讨论了银离子释放的速率。例如，Epple等(Chem.Mater.2010,22,4548和Hurt等Environ.Sci.Technol.2010,44,2169)证明在蒸馏水中银离子从银纳米粒子中的释放取决于温度、孵育天数和存在于水中的种类如溶解氧的水平、盐和有机物质。溶解速率随着时间而变并在短时间内达到饱和。

因此，反应性纳米粒子在水中长时间的稳定性对于银离子的控制释放是至关重要的。金属氧化物已被广泛视为良好的基底。银纳米粒子已被异位和原位地负载到金属氧化物中/上。在金属氧化物中的原位负载已显示有前景的稳定性，即使是在高负载百分比下。例如，早前已报道了在金属氧化物基质中银纳米粒子的原位合成。Chen等Environ.Sci.Technol.2009,43,2905证明了负载到TiO₂纳米复合材料上的银纳米粒子(<5nm)的溶胶-凝胶合成(其中TiO₂粒子用作抗聚集载体)，并且显示负载到TiO₂中的7.4wt%Ag具有针对大肠杆菌的高效抗菌特性。通过使用谷壳灰获得了相似的结果(Rautaray等157l/MUM/2008)。由此组所获得的结果表明，沥滤的银的浓度在1.3ppb至65ppb的广泛范围内变化(在3000L的体积上测量)。