银离子杀菌技术在家电领域的应用研究

银离子杀菌技术在家电领域的应用研究一、研究背景近年来家电市场上有关银离子杀菌、抗菌技术的应用越来越多，包括三星、夏普、LG、TCL等家电生产企业都打出了银离子技术牌。银离子杀菌技术在家电领域的应用可以包括冰箱、冷柜、电饭煲、净水器、加湿器、吸尘器、空调过滤器、便座、梳妆台、洗衣机、餐具、干燥机、换气扇、电话和电熨斗等。三星在冰箱、洗衣机、空调等产品的宣传中称：采用银离子技术“杀菌效果更彻底”。在解释抗菌原理时说：“金属银离子的杀菌活性在无机抗菌剂中是比较强的，由于具有抗菌长效性好、高效光谱、安全环保以及无色无味、无毒无害等独特优势，目前银离子已经成为国际上较为新型和理想的抗菌技术和材料”。“银离子抗菌技术将金属银离子分离成纳米级单位，纳米银离子使细菌蛋白质凝固，破坏细胞活性，造成细菌丧失分裂繁殖能力而死亡，之后银离子从细菌机体内游离出来重复进行杀菌活动，因此抗菌效果持久。”三星称银离子杀菌效果是一般杀菌剂的100倍以上，且杀菌范围更广泛，可有效杀死超过600种病原菌。三星WF-C963AC洗衣机，在功能上最大的特点就是它的银离子杀菌功能，内设（含纯度99.99％银片）银离子发生器，在洗涤过程中电解释放出4千亿个溶于冷水的银离子，对衣物进行杀菌和抑菌，其杀菌和抑菌率均能达到99.9％以上。夏普的数款洗衣机也称“结合银离子保护层，清洁抗菌效果更佳。”洗衣机内外桶使用复合无机银材料，利用产生的银离子来除菌消毒和防止异味，并阻止污垢在桶壁上沉积，随时保持洗衣机自身清洁。同时，夏普洗衣机内置了银离子发生器，银离子在漂洗时，于衣物上形成除菌防臭的银离子层，并且在衣物干燥后银离子层也不会挥发消失，持久抵御细菌侵害。LG的一些洗衣机和空调产品中同样称采用了纳米银离子技术。TCL的银离子健康C系列空调产品中称银离子滤网“对金黄色葡萄球菌等细菌的杀灭率达到99.98%以上。”通过这些报道可见，银离子杀菌技术将在未来的家电市场发展中有由特殊功能向基本功能转变的发展趋势。因此迫切需要发展银离子技术。银离子材料本身的抗菌效果及其检测不成问题。但家电产品采用抗菌材料，材料与细菌必须有一定面积和时间的接触才发生作用，洗衣机采用银离子涂层或银离子发生器，空调采用银离子过滤网，在实际使用中能对衣物或空气起到怎样的杀菌效果，还需要具体的检测指标来衡量，目前我国还没有这方面的检测标准。另外，当银离子浓度过高时，会氧化成氧化银，材料表面会发黑，洗衣机若采用该技术，特别需要控制银离子的浓度，否则可能会“染黑”衣物。因此，在这一技术的发展过程中应着重解决银离子的释放技术、浓度控制和杀菌效果的有效性评价。二、银离子的杀菌作用机理关于银离子的杀菌作用机理研究报告较多，多数学者认为，超细状态银、胶态银其比表面极大，遇水或在水溶液中呈现Ag=Ag++e反应；而氧化银遇水呈现AgO+H2O=Ag2++2OH-反应；因此，银的杀菌作用主要与银离子有关，也有人还认为Ag2+比Ag+离子的杀菌能力更强。Ag+能与菌体中酶蛋白的巯基-SH迅速结合，使一些以此为必要基的酶丧失活性，从而达到杀菌作用。当菌体被Ag+杀死后，又有相当一部分银离子从死亡菌体上游离出来，再与其他细菌接触，又杀灭其他细菌，周而复始，这就是银杀菌性能可保持持久的缘由。银是一种广谱抗菌剂，少量银离子就有很好的抗菌效果。据有关试验资料，当水中银离子浓度为0.05mg/L时，能完全杀灭水中菌群，可保持90d内不会繁殖出新的菌群。从机理上来说，银离子抗菌具有长效、慢效和高效的特点，无毒副作用，并有抗菌、净化空气、防污等功效。银离子消毒剂受温度影响较大，随着温度的升高，杀灭微生物作用不断增强。铜、银离子可增强氯的消毒作用，研究证明，铜、银离子可增强氯对水中大肠杆菌及大肠杆菌F2噬菌体的消毒效果，且可降低使用剂量。铜与银离子协同也可提高游离氯灭活水中脊髓灰质炎病毒的效果，以400μg/L铜离子加40μg/L银离子与0.3mg/L游离氯协同作用30min，可将脊髓灰质炎病毒I型存活率对数减少2.674。通过铜银离子协同氯化消毒对脊灰病毒核酸的破坏作用的研究结果显示，铜银离子协同氯化消毒灭活水中病毒的作用位点可能在病毒的核酸，关于铜与银离子协同提高游离氯灭活病毒的作用机理，尚待进一步研究。铜银离子化水消毒技术就是利用铜银离子具有的杀菌功能和电化学原理，在控制条件下用电解的方法产生释放定量的铜、银离子强化其功能来达到杀菌的目的。电解铜银离子都是在远低于饮用水卫生标准的浓度情况下取得的(美国EPA，Cu2+1.0mg/L，Ag+0.1mg/L；我国Cu2+1.0mg/L，Ag+0.05mg/L)。有机物的存在使杀菌作用减弱，氯离子也可使银离子杀菌效果下降。三、研究内容3.1银电极在自来水中的阳极溶解性能3.2铜电极在自来水中的阳极溶解性能3.3银铜合金或银铜电极在自来水中的共溶解性能3.4在自来水中低浓度有效氯发生阳极材料研究3.5银、铜离子与有效氯协同杀菌性能研究根据所提供资金能力，本项目目前拟先启动3.1项研究内容。主要研究方案、进度如下：四、研究方案与进度3.20~3.27银电极材料采购（丝、带、网），同时筛选辅助电极材料（铜、不锈钢或钛），辅助电极材料是作为对电极使用的，因此要研究在自来水中其表面发生的阴极还原反应，选择耐腐蚀和具有低阴极过电位的金属。研究方法：极化曲线、交流阻抗、计时电流和计时电位。评价指标腐蚀电位、腐蚀电流、氧阴极还原极限电流密度和析氢电位等。3.28~4.5银在自来水中的阳极溶解反应机制，确定银阳极溶解速度，银活性溶解电位区间，银电极表面积、银离子在溶液中的溶解浓度与时间关系。研究方法：极化曲线、交流阻抗、计时电流和计时电位。评价指标腐蚀电位、腐蚀电流、阳极溶解电流密度、阳极溶解电位、阳极塔菲尔斜率和银溶解效率方程。4.6~4.12银在自来水中阳极溶解的稳定性能，确定银电极间歇电解的稳定性能，银在空气中氧化后的电解性能，银在水中氧化后的电解性能。研究方法：恒槽压、恒电位、恒电流等直流控制方式，测量电流或电位的稳定性能，以及银离子溶解性能与时间关系。4.13~4.19银电解单元设计。基于上述研究根据电熨斗的工况要求，设计银电解槽。包括：银电极形状和面积，辅助电极形状和面积，两电极间距，电连接，电极固定方式，槽压，电流，直流电源控制方式，工作时间等。4.20~4.30工作总结与验收，与海尔技术人员合作对工作进行系统总结和验收。协助确定电解单元安装适用条件，并提供技术支持。五、研究成果形式提供技术报告和设计参数，以及提供一套电解单元（电解槽）样品。六、研究经费材料费、试制费、加工费、能源动力费、管理费和人员劳务费等开支共计1万元，并在合同签定后一次性支付。七、后续研究计划针对银离子技术，还有很多深入的研究工作需要开展，具体的研究方向已在前面研究内容中提到。第一次合作的内容还只是一个进入该领域的基础工作。我相信通过这次合作后我们双方一定会建立起信任关系，并能充分认识到这一技术的重要性和发展潜力，为后续工作的开展，为最终取得技术创新，获得独立自主的知识产权打下坚实的基础。八、项目负责人简介徐海波：1972年5月4日生，男专业：材料电化学工作职务：中国海洋大学化学化工学院高级工程师博士主要经历：2003.12~至今，中国海洋大学化学化工学院，主要从事新能源关键材料技术研究；博士论文《基于TiN制备耐腐蚀电极材料及在能源领域的应用》。1997.8~2003.11，中国船舶重工集团公司第725研究所青岛分部，工程师；主要从事腐蚀电化学和电极材料研究。1994.8~1997.7，中国科学院金属研究所，腐蚀与防护专业，工学硕士；硕士论文：《吸附型缓蚀剂作用机制的电化学和表面增强拉曼光谱研究》。1990.8~1994.7，长春工业大学，材料工程专业，工学学士；毕业论文在中科院长春应化所从事有关稀土熔盐化学的基础理论研究。近期的相关论文：(1)“纳米TiN粉体氧化制备铱钛氧化物为中间层的钛基氧化铱电极”，胡杰珍,徐海波（通讯作者）,芦永红等,催化学报，29(12)(2008)1253-1258.(2)“TiN浸渍－热分解法制备IrOx-TiO2粉体催化剂”,孙仁兴,徐海波（通讯作者）,万年坊,王佳，高等学校化学学报,28(5)(2007)904-908.(3)“TiN基IrO2＋Ta2O5涂层电催化性能研究”，姜俊峰，徐海波，王廷勇，王佳，稀有金属材料与工程,36(2）(2007)344-348.(4)“TiN基IrO2＋Ta2O5涂层析氢电极催化性能研究”，徐海波，姜俊峰，王廷勇，王佳，许立坤，催化学报，27(11)(2006)952-956.(5)“SynthesesandCharacterizationofRuthenium-TitaniumCompoundOxideandItsSupportedPlatinumCatalyst”,AipingWang,HaiboXu(Correspondingauthor),YonghongLu,etal.,ChineseJournalofCatalysis(Englishedition)，30(3)(2009),articleinpress.(6)“Oxygenreductionmechanismoncopperina0.5MH2SO4”,YonghongLu,HaiboXu(Correspondingauthor),JiaWang,XiangfengKong,Electrochim.Acta(2009),doi:10.1016/j.electacta.2009.02.019(articleinpress)(7)“ElectrochemicaltechniquesusedinMICstudies”,W.Wang,J.Wang,H.B.Xu,etal.,MaterialsandCorrosion,57(10)(2006)800-804.(8)“Relationshipbetweentheennoblementofpassivemetalsandmicrobeadsorptionkineticsinseawater”,W.Wang,J.Wang,H.B.Xu,etal.,MaterialsandCorrosion,56(5)(2005)329-333.(9)“在氯化钠溶液中铜丝尺寸效应对腐蚀行为影响的研究”,芦永红,徐海波（通讯作者）,王佳,孔祥峰,姜晶,物理化学学报,24(10)(2008)1907-1911.(10)“二苯基脲类化合物在银电极上吸附行为的SERS研究”,徐海波，林海潮,余家康，光散射学报，15(1)(2003)59-62.近期的专利成果：(11)“纳米粉体催化剂及其制备方法”，徐海波，芦永红，王佳，孙仁兴，国际专利PCT/CN2007/070689,WO2008/040222A1(12)“一种纳米粉体光催化剂的制备方法”，徐海波，王伟，王佳，发明专利号ZL200610069077X,2008.(13)“一种纳米粉体的制备方法”，徐海波，芦永红，王佳，发明专利号ZL2006100690765,2008.(14)“一种纳米粉体催化剂的制备方法”，徐海波，孙仁兴，王佳，发明专利号ZL20