镧之妙用：镀镧陶瓷过滤器用于终端净水除菌
华南师范大学环境研究院杨海燕等以废纸和叶纤维等为造孔剂，采用镧氧化物对陶瓷过滤器进行表面涂覆改性，以强化其除菌效果，应用于终端净水除菌。相关研究论文发表在ACS ES&T Water上。
图片摘要
成果简介
陶瓷过滤是目前低收入地区应用最广泛、社会认可度最高的终端净水技术之一，然而其除菌效果有待提高。本文以废纸和叶纤维等为造孔剂，采用镧氧化物对陶瓷过滤器进行表面涂覆改性，以强化其除菌效果。与未改性的陶瓷过滤器相比，在400℃条件下制备的镧镀层可将除菌率提高4个数量级（>6log）；经过镀镧的陶瓷过滤器能够有效处理约60000孔容积细菌污染的水源水，出水水质达生活饮用水标准(<0 CFU/100 mL)。进一步对镀镧陶滤的理化特性、表面作用及细菌的红外光谱结合多元统计分析发现，镀镧陶瓷过滤器增强除菌性能归因于：(1) 镧镀层改变了陶瓷的孔径分布，增强过滤器自身的物理截留作用；(2) 镧镀层显著降低了细菌-陶瓷过滤表面的界面能垒；(3)镧镀层与细菌结构中的含磷基团相互作用影响细菌细胞结构。我们的研究结果表明，由可再生材料烧制的镀镧陶瓷过滤器可提供一种低成本和有效的终端净水除菌方案，大大延长陶瓷过滤器的使用寿命。
引言
获得安全饮用水是联合国《2030年可持续发展议程》中17项可持续发展目标之一。然而，据统计，全球仍有超过20亿人使用致病微生物污染的饮用水源。这部分人口较多地生活在发展中国家市政供水网络不完善的地区，亟需廉价有效的终端净水技术保障饮用水安全。陶瓷过滤器是由当地粘土混合木屑等造孔剂高温烧制成的环保终端净水装置。陶瓷过滤器的全球应用减少了水传播疾病（如腹泻、肠胃炎、隐孢子虫病等）的爆发。但目前其除菌性能欠佳，为提高其除菌性能的纳米银镀层往往成本较高，且缩短过滤器使用寿命。因此有必要开发更安全、廉价且有效含有新型镀层的陶瓷过滤器。本研究提出以镧氧化物为新型镀层强化陶瓷过滤器除菌性能，并探讨其除菌机理。
图文介绍
（1）除菌性能
本文采用共热处理把镧氧化物修饰到陶瓷过滤器表面。实验对比了镧镀层涂覆的温度及镧溶液浓度对陶瓷过滤器除菌性能的影响，发现热处理温度为400℃并采用3.5 mol/L镧溶液进行镀层涂覆时，所得到的镀镧陶瓷过滤器除菌效果最佳 (> 6 log) (图1)，达到世卫组织建议的“高保护”除菌标准。此外，该镀镧过滤器能有效处理>60000孔容积细菌污染的水源水(图2), 出水水质可达生活饮用水标准(<0 CFU/100 mL)，相当于商用陶瓷过滤桶处理>90000 L水量，大大提升陶瓷过滤器的水处理能力。
图1. 不同热处理温度/不同镧溶液浓度对制成的镀镧陶瓷过滤器除菌性能影响
图2.陶瓷过滤器镀镧前后除菌性能的比较
（2）除菌机理
物理过滤作用 镧镀层的涂覆改变了陶瓷材料孔径分布等孔结构性质，小于细菌的孔(<2 μm)比例有所上升，理论上增强了陶瓷过滤器对细菌的物理过滤作用。
X-DLVO界面作用 相比未改性陶瓷过滤材料， 镀镧陶瓷材料表面的电负性减弱，表面亲疏水性有所改变。镀镧前后陶瓷表面与细菌的X-DLVO能垒计算发现，镧镀层的添加显著降低了细菌与陶瓷表面的界面作用能垒，促进细菌的粘附；同时出现了自由能极大的二级最小自由能(图3)，使得粘附表面的细菌较难逃逸。
图3. 不同热处理温度对制成的镀镧陶瓷过滤器与细菌的界面作用能的影响
镧镀层与细菌细胞结构相互作用 采用FTIR光谱结合主成分-线性差别分析 (PCA-LDA)探讨镧底层与细菌的生化作用。研究收集并提取细菌生化指纹振动相关(1280-900 cm-1)和CH伸缩振动相关(3050-2800 cm-1)的光谱信息特征。CH伸缩振动相关(3050-2800 cm-1)光谱信息，说明与镧镀层作用后细菌细胞脂质相关的光谱峰发生显著变化(图4a)，膜流动性指数(CH3与CH2伸缩振动强度比值)比对照组出现显著下降(P<0.001) (图4e)，反映其细胞膜流动性的改变。此外，细菌生化指纹区中与PO2-相关的振动峰 (如1240，1066，958 cm-1) 在其与镧镀层反应后发生显著变化 (P<0.001)，显示镧镀层极可能通过与细菌结构中的含磷基团相互作用。综上，镀镧陶瓷过滤器促进了细菌粘附到陶瓷表面，其后镧镀层通过与细菌细胞结构中含磷基团作用影响细菌细胞结构。
图4. 不同镧镀层与细菌作用CH伸缩振动相关(a, c)、生化指纹振动相关(b, d)红外光谱及细胞膜流动性指数(e)差异
论文信息：Yang HY, Zhu SQ, Lin XR, Wu JL, Du XR, Chen R, Wang Y, Xu SP, Hu LX, Ying GG (2022) Lanthanum(III)-coated ceramic filters in poit-of-use water treatment for bacterial removal. ACS EST Water 2 (4), 583–592. https://doi.org/10.1021/acsestwater.1c00427