觸媒沸石液相抗菌反應之研究計畫編號：

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觸媒沸石液相抗菌反應之研究

計畫編號：98-EC-17-A-10-S1-113

摘要

環境中各類水質有其管制的標準，其中一項檢測項目為大腸桿菌，其菌數超過某一特定值，將影響水體適用性。為維持水體品質穩定度，本研究以沸石為載體並添加銀或銅觸媒製備出不同之抗菌材，先進行基本特性分析後，於液相中進行抗菌實驗。觸媒沸石對大腸桿菌液之抗菌研究其 CuO-zeolite (10 wt%)初始濃度 5.5 (10⁹ CFU/mL)於 180 分鐘時有 60 ％之抗菌率；Ag2O-zeolite (10 wt%)初始濃度 3.5 (10⁹ CFU/mL)於 180 分鐘時有 99 ％之抗菌率，整體而言以 Ag2O-zeolite 於同樣含浸濃度下之抗菌效果比 CuO-zeolite 佳；而藉由 ICP-OES 分析得知，

Ag2O-zeolite (3 wt％)含銀量為 2.5 wt％，而 Ag2O-zeolite (10 wt％) 含銀量為 2.7 wt％，其含量無明顯增加，且其抗菌效能相近；因此為成本考量，使用低含量 Ag2O-zeolite (3 wt％)即可達成期望值。另使用一階動力模式計算出反應速率(k)；

CuO-zeolite 的 k 值約為 0.16 至 0.29 (1/hr)、Ag2O-zeolite 的 k 值約為 0.77 至 1.59 (1/hr)，且本研究之抗菌反應符合一階動力模式。觸媒沸石 CuO-zeolite (1、2、3 wt%) 除菌能力為 380 至 1089 (CFU/g)，Ag2O-zeolite (1、2、3 wt%)為 1024 至 1143 (CFU/g)。計算觸媒沸石的抗菌力，將可預估某水體若大腸桿菌超標時，該使用多少觸媒沸石，方可去除其過多的大腸桿菌，使水質趨於穩定狀態。

關鍵字：環境水質、觸媒沸石、抗菌

一、前言

行政院環保署針對地面水體分類及水質標準訂定基準值(Table 1)，其中訂定水中之大腸桿菌群之菌落數 (Colony-Forming Unit，CFU)，於甲類水體(指經消毒處理即可供公共給水之水源)之最高值為 50 CFU/100 mL，於乙類水體(指需經混凝、沈澱、過濾、消毒等一般通用之淨水方法處理可供公共給水之水源) 之最高值為 5,000 CFU/100 mL，於丙類水體(指經活性碳吸附、離子交換、逆滲透等特殊或高度處理可供公共給水之水源) 之最高值為 10,000 CFU/100 mL。

氯消毒、UV殺菌和活性碳吸附為常見的水體淨化方式，但氯消毒可能有產生三氯甲烷之疑慮且水體可能會有消毒水味，UV技術成本高而活性碳只具物理吸附能力(林哲昌，2002)，此類缺點造成技術接受度低或無法確實改善水質之問題。有鑒於此，本研究將以具有物種選擇性吸附(物理、化學吸附)、耐水氣、用

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途廣泛、可塑性高與再生使用率佳之吸附劑－沸石為載體，結合具有抗菌能力之無機抗菌劑(銀、銅)以製備出不同之抗菌材，並以水體中指標性微生物之大腸桿菌為去除的對象，探討不同觸媒沸石條件對其抗菌效率之影響。本研究另探討觸媒沸石之抗菌反應動力常數(k)及總抗菌數/單位抗菌材(CFU/g)之比值，以供作為實場水質改善之重要操作參數。

Table 1 行政院環境保護署各場所之水質標準

水質標準適用範圍大腸桿菌(CFU/100 mL) 地面水體分類及水質標準：甲類 50

地面水體分類及水質標準：乙類 5,000 地面水體分類及水質標準：丙類 10,000 廢水代處理業、醫院、醫事機構 200,000 水肥處理廠(場)、餐飲業、觀光旅館 300,000

社區、公共下水道 200,000

飲用水(自來水)水質 6

二、 文獻回顧

1. 無機材抗菌機制

最常見為銀、銅等金屬材料，其抗菌原理主要有兩種，分別為接觸反應及催化反應。接觸反應為帶正電荷之金屬材料，利用正負電荷相吸原理，

吸引帶負電荷之細菌、真菌等生物氣膠(Fig.1)，無機抗菌材藉此可有效地穿越細菌、真菌等之細胞壁、細胞膜，進入細菌、真菌體內，並使其所需之蛋白質變性，即將細菌、真菌體內必頇之養分以無機抗菌材取代，以致細菌、真菌無法呼吸、代謝和繁殖，直至死亡(張薇馥，2008)。

Fig. 1 無機抗菌材抗菌原理 (以銀代表) （廖月禎，2006）

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2. 沸石載體

選擇性高、多孔性、穩定性高之吸附劑，於研究上常被視為載體，結合觸媒，針對不同之污染物質，進行催化或分離之程序。利用具穩定性高等優點之沸石為載體，使用含浸 (Impregnation) 、嫁接(Grafting) 、縮合 (Condensation)和表面活性劑(Surfactant)等方式結合各種不同之金屬觸媒，

以開發各種複合式之綠色材料，且屬於近年學術研究重點之一。

(1) 銀類 – 沸石

結合 AgNO3與沸石，使 AgNO3 上之 Ag 將沸石上之 Na 取代，使沸石具有抗菌之能力，其研究指出 5 wt％之銀沸石(100 mL)，重量為 2.5 mg，2 小時即可完全將大腸桿菌殺滅，6 小時則可將 S. faecalis 完全滅菌(Rivera-Garza et al., 2000)。將 Ag 與沸石結合，其研究指出 0.1 g 之 Ag–zeolite 只需 5 分鐘，

即可將大腸桿菌完全滅菌。其另也指出 10^-5 M 之 AgNO₃亦只需 5 分鐘，

可將菌數量為 10⁷之大腸桿菌完全滅菌 (Yoshihiro et al., 2002)。結合 AgNO3

與沸石，進行抗菌實驗，指出負載於沸石上銀含量為 2.4 wt％，有較佳之抗菌能力 (楊長茂等人，2006)。製備 5 wt％之 Ag/Al₂O3，並用以探討不同條件對大腸桿菌之滅菌效率，發現 Ag/Al2O3 亦有滅菌效果 (Meixue et al., 2007)。

(2) 銅類 – 沸石

將 Cu(NO3)2架接於 Na-ZSM-5 之沸石上之 Na⁺取代，製備成具有抗菌能力之 Cu-ZSM-5，其分別於光照下及暗室中進行大腸桿菌之抗菌實驗，研究結果指出，於光照下 Cu-ZSM-5 對大腸桿菌之抗菌率達 90 ％，於暗室中，

則亦有 85 ％之抗菌率。(Cik et al., 2000)。使用 CuSO₄ 結合於高齡土 (montmorillonite)上，製備出比例為 2.4 wt％之 Cu²⁺- montmorillonite，分別對大腸桿菌進行抗菌實驗，實驗結果顯示濃度為 25 mg/L 之 Cu²⁺- montmorillonite 於 6 小時，則可完全滅菌(Yuhang et al., 2004)。

三、 研究方法

本實驗選用以多孔性吸附劑-沸石為載體，將具有抗菌能力之無機抗菌材

Ag、Cu 兩種觸媒改質於沸石，針對去除大腸桿菌配備各種不同條件之觸媒沸石，探討不同觸媒濃度對大腸桿菌去除效率之影響。以 Ag 為例：在 Rivera-Garza et al.（2000）中以 3、5、7 wt%中皆達到 90 %之除菌能力，考量除菌能力差異不大及經濟成本問題而選用低含量濃度 1、2、3 wt％抗菌材料進行除菌實驗，找尋最佳抗菌之觸媒沸石。另將觸媒沸石進行特性分析，

使用掃描式電子顯微鏡（Scanning Electron Microscopy, SEM），X-ray 繞射儀

（X-ray Diffraction, XRD），傅立葉轉換紅外線光譜儀（Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FTIR）。

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1. 自製觸媒沸石抗菌材之方法

利用微濕含浸法將觸媒與自製沸石結合，含浸之目的乃是將活性成分附在載體以配置觸媒。製備之步驟分為兩個部分如下：

(1)自製沸石

先將矽鋁酸鈉與三氧化二鋁(Al2O3)或二氧化矽(SiO2)混合(Fig. 2)，加入硫酸、鹽酸或氫氧化鈉等膠化劑來控制調整 pH 值，再將混合物成型，目的在於使反應物與生成物能順利在吸附劑中擴散，再來把已成型之沸石放入烤箱(100~150

℃)乾燥，並通入氮氣或空氣，最後進入鍛燒階段，去除吸附劑中無關之雜質。

Fig. 2 沸石自製流程 (2)觸媒沸石之製備方式

測量沸石載體之含水量(Fig. 3)，再將觸媒含浸於沸石，接而進行烘乾以及鍛燒，觸媒沸石為氧化狀態(Ag2O-zeolite、CuO-zeolite)，欲進一步將其還原成金屬態(Ag-zeolite、Cu-zeolite)，目的在於增加吸附力，以上即完成觸媒沸石之製備。

量測載體含水量

沸石成品含浸觸媒烘乾鍛燒還原

量測還原溫度

成品

Fig. 3 觸媒沸石自備流程 2. 觸媒沸石特性分析

使用掃描式電子顯微鏡（SEM）觀察沸石表面結構微觀及高解析影像分析，

X-ray 繞射儀（XRD）分析辦別材料之晶相，傅立葉轉換紅外線光譜儀（FTIR）

分析 Si-O-Si 鍵結強度以確認 Si-O-Si 對擔體結構所扮演角色，並改變製程環境及試驗論所形成之晶體結構。

混合膠化成型乾燥鍛燒

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3. 液相中大腸桿菌抗菌實驗 (1) 前置實驗

為確保實驗之準確性，首先將所需使用之所有器具，進行高溫滅菌。滅菌後開始配製實驗所需之培養基（Nutrient broth, NB）。菌種之培養為使用食品工業發展研究所菌種保存及研究中心所購得之大腸桿菌菌株，於無菌狀態下，取出其凍乾保存，將先前配製好液體培養基（NB）進行培養。

(2) 觸媒沸石抗菌測試

將觸媒沸石置入已培養之菌液中，使用搖瓶法，隨時間變動，依續採取菌液，菌液稀釋後，取菌液溶液滴入固體的培養基上，利用環署公告之塗抹法將菌液塗抹均勻，使培養基上之菌液能均勻分布。

(3) 培養基之培養

將已完成塗抹之培養基，以倒立之方式，放置於恆溫培養箱中培養，其培養之溫度與時間，依不同菌種，而有所不同；放入 37℃的培養箱中，培養需經 24 至 48 小時觀察菌落的生長情形，將可知其殺菌效果並比較之，方可數其菌落數。菌落數計算公式如下：總菌落數 (CFU/mL) = 選取培養皿之菌落數總和/選取之實際體積總和。

4. 抗菌反應動力模式

於抗菌實驗採用一階動力模式進行數據分析，將可推算出濃度與時間的線性關係，即衰減係數(k)代表著其反應速率。

dt k C dC  

ln C  ln C

₀

 kt  c c C kt

C

)

  

ln(

0

C⁰ = 大腸桿菌初始濃度(CFU/mL) C= 大腸桿菌濃度(CFU/mL) k = 大腸桿菌之衰減係數(hr^-1) t = 時間(min)

c = 常數

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四、 結果與討論

1. 觸媒沸石特性分析：

(1) 掃描式電子顯微鏡 SEM 分析

本實驗利用 SEM 觀察觸媒沸石之表面微觀的結構，各樣品的放大倍率分別為 10,000 倍，照中的粒徑分別是以 1 μm 的尺寸比例來觀察（Fig. 4）。於 SEM 照片中看出 Ag 和 Cu 顆粒含浸於沸石基體表面，比周圍的基體物質稍亮；且 Ag2O-zeolite 的顆粒分布較 CuO-zeolite 來得均勻，且 1、2、3 wt%之 Ag2O-zeolite 與 CuO-zeolite 於 SEM 圖中結晶大小無明顯的差異。

(a) 1 wt% Ag₂O -Zeolite 10000X (d) 1 wt% CuO-Zeolite 10000X

(b) 2 wt% Ag2O -Zeolite 10000X (e) 2 wt% CuO-Zeolite 10000X

(c) 3 wt% Ag₂O Zeolite 10000X (f) 3 wt% CuO-Zeolite 10000X

Fig. 4 1、2、3 wt %之 Ag2O-zeolite 與 CuO-zeolite SEM 圖

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(2) X 光繞射分析 XRD

XRD 分析主要是利用特定晶相經由特定 X 光輻射之照射，所產生遵循 Bragg’s 定律之繞射現象，並得到特定繞射角度之強度。由此可由資料庫掃描結晶約互相查證，而辦認試樣中可能存在之晶相。

因此對 1、2、3 wt%的 Ag 和 Cu 沸石進行 XRD 分析，晶粒帄均大小亦可藉由 X-光繞射峰變寬的程度來判定，線性變寬值（line broadening）是與結晶大小成反比，其波峰寬度越寬，結晶大小越小；波峰越強，結晶性越佳。在此 XRD 圖上可發現 Ag 和 Cu 在 1、2、3 wt%的沸石其波峰寬度皆無明顯變化(Fig. 5)，

表示雖然 Ag、Cu 含量增加，但其結晶大小則無明顯改變，與 SEM 結果相符。

Cu(3 wt%)-zeolite

Cu(2 wt%)-zeolite

Cu(1 wt%)-zeolite Cu(3 wt%)-zeolite

Cu(2 wt%)-zeolite

Cu(1 wt%)-zeolite

Ag(3 wt%)-zeolite

Ag(2 wt%)-zeolite

Ag(1 wt%)-zeolite Ag(3 wt%)-zeolite

Ag(2 wt%)-zeolite

Ag(1 wt%)-zeolite

Fig. 5 1、2、3 wt %之 Ag2O-zeolite 與 CuO-zeolite 之 XRD 分析圖

(3) 傅立葉轉換紅外線光譜儀 FTIR 分析

利用傅立葉轉換紅外線光譜儀進行沸石表面官能基分析，其結果 Fig. 6 顯示主要有吸收波峰的地方為 1100 cm^-1、3500 cm^-1的範圍，這兩個波峰分別代表 Si-O-Si 鍵與 O-H 鍵，沸石經含浸法鍍上 Cu 和 Ag 後，沸石表面結

CuO-zeolite (3 wt%)

CuO-zeolite (2 wt%)

CuO-zeolite (1 wt%)

─ CuO-zeolite (1 wt%)

─ Ag2O-zeolite (1 wt%)

─ 使用過後 Ag₂O-zeolite

─ Ag2O-zeolite (3 wt%) Ag2O-zeolite (3 wt%)

Ag2O-zeolite (2 wt%)

Ag2O-zeolite (1 wt%)

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構改變，原本 Si-O-Si 和 O-H 官能基的地方被 Cu、Ag 所覆蓋。而分別對 1、

2、3 wt%的 Ag 與 Cu 沸石進行 FTIR 分析，其結果如 Fig. 6 所示，結果顯示 Si-O-Si 和 O-H 官能基吸收強度 3 wt% > 2 wt% > 1 wt%。

CuO-zeolite Ag2O-zeolite

Fig. 6 1、2、3 wt %之 Ag2O-zeolite 與 CuO-zeolite 之 FTIR 分析圖

2. 液相中大腸桿菌抗實驗結果分析 (1) CuO-Zeolite

銅為具抗菌效能之抗菌材，本實驗將銅結合沸石進行抗菌實驗，分別製備 CuO-zeolite (1、2、3、10 wt％)之觸媒沸石，以探討不同銅含量之觸媒沸石抗菌效能。本實驗皆以 1 g 之觸媒沸石，於大腸桿菌之菌液(330 mL)中進行抗菌實驗，實驗結果如 Fig. 7 所示，180 分鐘時，CuO-zeolite (3 wt％)抗菌率可達 59％。如 Fig. 7，可發現於低含量（1、2、3 wt％）時最高可達到 59 % 之抗菌率，而高含量 CuO-zeolite（10 wt％）之抗菌率為 60 %，並無明顯提升。

Fig. 7 CuO-zeolite 於液相中去除大腸桿菌之效率 Si-O-Si Si-O-Si

O-H O-H

透射率

(%)

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(2) Ag₂O-Zeolite

本研究將具抗菌效能之金屬觸媒-銀，以含浸法將其與沸石結合，製備 Ag2O-zeolite (1、2、3 wt％)之觸媒沸石，以探討不同銀含量觸媒沸石之抗菌效能。實驗以 1 g 之觸媒沸石，分別於大腸桿菌之菌液中進行抗菌實驗，

實驗結果如 Fig. 8 所示，於 60 分鐘時 1、2、3、10 wt%之銀-沸石抗菌率皆可達到 90 %以上。Ag2O-zeolite（3 wt％）於 180 分鐘時抗菌率可達 99 %。

當反應 180 分鐘後，低含量（1、2、3 wt％）觸媒沸石可達到 95 %以上之抗菌率，而於高含量（10 wt％）其抗菌率為 99 %與低含量(3 wt％)約相同，

而由 ICP-OES 分析結果得知，Ag₂O -zeolite (3 wt％)含銀量為 2.5 wt% ， Ag2O -zeolite (10 wt％)含銀量為 2.7 wt%，其含量並無明顯增加，因此其抗菌效能相近。

Fig. 8 Ag2O-zeolite 於液相中去除大腸桿菌之效率

(3) 不同觸媒架接於沸石於液相中抗菌效能比較

在相同的實驗條件下，由 Fig. 7、8 可看出 Ag2O-zeolite（3 wt％）抗菌效能達到 99 ％，而 CuO-zeolite（3 wt％）的抗菌效能僅有 61 ％，故可得知銀的抗菌能力較優於銅。如 Table 2 所示，於一階抗菌反應動力模式中，

計算出 CuO-zeolite 之 k 值約為 0.16 至 0.29 (1/hr)，Ag₂O-zeolite 之 k 值約為 0.77 至 1.59 (1/hr)；其 k 值越大，代表效率越好，其抗菌反應較為符合一階動力模式。

大腸桿菌抗菌結果，CuO-zeolite 於 180 分鐘時，330 mL 大腸桿菌溶液初始總菌落數為 1815 (10⁹ CFU)，抗菌率達 60 %，則 1 g 之沸石可去除 1089 (10⁹ CFU)的大腸桿菌，Ag2O-zeolite 於 180 分鐘時，330 mL 大腸桿菌溶液初始總菌落數為 1155 (10⁹ CFU)，抗菌率達 99 %，則 1 g 之沸石可去除大腸桿菌菌落數 1143 (10⁹ CFU)。利用初始濃度與去除率的關係，將可推算出欲去除水體中大腸桿菌所需之沸石量(g)。

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c C kt

C

)

  

ln(

0

Fig. 9 CuO-zeolite 於液相中大腸桿菌抗菌菌落變化

c C kt

C

)

  

ln(

0

Fig. 10 Ag2O-zeolite 於液相中大腸桿菌抗菌菌落變化 Table 2 不同觸媒沸石於液相中之初始濃度、抗菌率、k 值、沸石除菌率含浸量

(wt%)

抗菌材料 C₀ *10⁹ (CFU/mL)

3 hr 抗菌率 (%)

k (1/hr)

R² 總菌數/單位抗菌材 (10⁹CFU/g) 1

CuO - zeolite

3.2 36 0.16 0.94 380 2 2.8 51 0.23 0.95 471 3 3.1 59 0.29 0.88 604 10 5.5 60 0.27 0.78 1089

1

Ag2O - zeolite

3.3 95 0.82 0.61 1035 2 3.2 97 0.77 0.84 1024 3 3.5 99 1.24 0.71 1143 10 3.5 99 1.59 0.81 1143

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五、 結論與建議

1. 藉由 SEM 以及 XRD 分析表示，雖然含浸於沸石上的 Ag 和 Cu 含量有增加，

但其結晶大小無明顯的改變；使用 FTIR 進行沸石表面官能基分析，其結果 Si-O-Si 和 O-H 官能基吸收強度隨含浸濃度增加(3 wt% > 2 wt% > 1 wt%)。

2. 觸媒沸石對去除大腸桿菌效果 Ag₂O-zeolite 優於 CuO-zeolite。

3. 大腸桿菌液中之抗菌研究以 Ag₂O-zeolite (10 wt％)最佳，於 180 分鐘時有 99

％之抗菌率，效率最佳，但藉由 ICP-OES 分析得知，Ag₂O-zeolite (3 wt％)含銀量與 Ag₂O-zeolite (10 wt％) 含銀量無明顯的差距，且其抗菌效能相近。成本考量下，使用低含量 Ag₂O-zeolite (3 wt％)即可達成期望值。

4. CuO-zeolite (1、2、3 、10 wt%)與 Ag₂O-zeolite (1、2、3、10 wt％)對大腸桿菌抗菌動力模式之 k 值分別為 0.16 至 0.29 與 0.82 至 1.59 (1/hr)，每克沸石可去除之總菌落數(CFU/g)分別為 380 至 1089 與 1035 至 1143 (10⁹CFU/g)，以上數據可供作為推估改善水質所需沸石用量之依據。

5. 本研究目前已完成高濃度大腸桿菌約 3.2-5.5 (10⁷ CFU/100mL）之抗菌實驗，建議未來可針對低濃度（數百或數千 CFU/100mL）大腸桿菌進行相同系列試驗，建立水質大腸桿菌濃度與單位沸石可去除之大腸桿菌菌落數（CFU/g）

之相關性，以供各式水體或含不同大腸桿菌濃度水體作為改善之參考依據。

六、致謝

感謝經濟部在地型產業加值學界科專計畫提供本研究團隊執行「沸石吸附材料關鍵技術應用於醫療院所之研發」計畫，本研究為此計畫之延伸探討，透過科專計畫的資金補助，使得本研究能順利進行。

七、 參考文獻

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