掺硼金刚石膜电极除菌除农药性能及机理探讨

日常生活中，食品安全问题始终牵动着每个人的心。我们常担心蔬菜水果表面的农药残留，或是饮用水中的有害细菌可能带来的健康隐患。值得庆幸的是，材料科学领域的一项突破性进展——掺硼金刚石膜电极（BDD）技术，为解决这些困扰提供了全新的解决方案。研究表明，这种创新技术不仅能高效降解水中的农药残留，更能彻底灭活各类致病菌，同时显著降低其毒性效应。让我们共同探索这项融合了尖端材料科学与环境治理的创新技术，了解它将如何为我们的日常饮食安全保驾护航。

图1：来源于网络

一、什么是掺硼金刚石膜电极？

掺硼金刚石膜电极（BDD）是一种特殊的电极材料，通过在金刚石表面掺入少量硼元素，使其具备了独特的电化学性能。这种材料能够在通电时高效地产生臭氧和羟基自由基等强氧化性物质，从而实现对水中污染物的降解和杀菌。BDD电极因其高效、环保的特性，被认为是未来家庭用水安全保障的有力候选技术。

二、BDD电极如何去除农药和细菌？

研究团队通过一系列实验，验证了BDD电极去除农药和细菌的能力。实验中，研究人员选择了敌草隆和异丙威这两种常见的农药，以及金黄色葡萄球菌这种常见的致病细菌作为目标污染物。结果显示，BDD电极能够高效去除这些污染物，降解率分别达到了99%、87%和99.9%。这一过程主要依赖于电极表面产生的臭氧和羟基自由基，它们能够与农药分子和细菌发生化学反应，将其分解为无害的小分子物质。

（一）实验过程及数据解读

1.实验装置与方法

实验装置由水泵、电源、电极和反应容器组成。水泵以1.0 L/min的流速将水送入电极，BDD电极按照水流方向放置，控制电流恒定为1.5 A。水流经电极后进入烧杯与目标物质发生反应。

2.农药降解实验

实验中，敌草隆和异丙威的初始浓度分别为0.6 mg/L和1.0 mg/L。研究人员将配制好的溶液以1.0 L/min的流速通入装置，同时调整BDD电流至1.5 A。实验结果显示，BDD电极在通电1分钟时流出水中的臭氧浓度可达0.79 mg/L（在碳酸氢根浓度为41 mg/L时）。随着反应时间的延长，敌草隆和异丙威的浓度逐渐降低，降解率分别达到了99%和87%。

3.细菌灭活实验

实验中，研究人员将0.1 mL浓度为1.5×10⁹ CFU/mL的金黄色葡萄球菌加入离心管，取10 mL电解水与其摇晃均匀。反应10分钟后，取1 mL反应溶液加入9 mL浓度为20 g/L的硫代硫酸钠溶液中，静置10分钟作为实验组；同时，将上述步骤中的电解水换为生理盐水作为对照组。实验结果显示，BDD电极对金黄色葡萄球菌的灭活对数值高达2.88，表明其对细菌具有很强的灭活能力。

（二）电解质对BDD性能的影响

实验还考察了水中电解质（如氯离子、硫酸根离子和碳酸氢根离子）对BDD电极性能的影响。结果表明，这些离子会与电极表面的活性位点发生竞争，从而影响臭氧和羟基自由基的生成效率。例如，当水中氯离子浓度从27 mg/L增加到240 mg/L时，臭氧的生成量从0.63 mg/L降至0.47 mg/L，而活性氯的浓度则从0.03 mg/L上升到0.41 mg/L。尽管如此，BDD电极对农药的降解和细菌的灭活效果仍然显著。

（三）农药降解路径及毒性变化

研究人员通过高分辨质谱分析，推测了敌草隆和异丙威在BDD体系中的降解路径。敌草隆主要通过芳香环羟基化的方式被降解，而异丙威则会转化为多羟基芳香化合物。实验还通过发光细菌实验评估了降解产物的急性毒性。结果显示，敌草隆和异丙威在BDD体系中反应5分钟后，对发光细菌的抑制率显著下降，表明其急性毒性在降解过程中逐渐降低。

三、未来展望

这项研究为家庭用水安全提供了一种全新的解决方案。BDD膜电极装置体积小巧，适合安装在家庭水龙头前端或末端，能够实时去除水中的农药残留和细菌，保障用户的用水安全。随着技术的不断进步，这种高效、环保的除菌除农药技术有望在未来得到更广泛的应用，为我们的生活带来更多便利和安全保障。

图2：蓝钻芯技术多场景应用一图源蓝钻科技

注：

蓝钻芯

BDD电极是目前制高效臭氧水的方法。蓝钻芯材料相较于目前为数不多的BDD材料的制备，具有更严苛的工艺流程及质量标准，是BDD中的佼佼者。

图3：蓝钻芯电极一图源蓝钻科技

受限于电极材料，一般的电解只能从水中分解出氢气和氧气，而蓝钻芯作为超级电极，得益于其超宽的电化学窗口，可以将水分子（H2O）瞬间电解并轻松重构出OH0（羟基自由基）、O3（三氧）、O0（氧原子）、H2（氢气）和O2（氧气）--Bluamec蓝钻水分子重构技术，而OH0、O3、O0这些因子均具有很强的氧化性，我们称之为“蓝钻富氧因子”，其作用是利用其强氧化性与细菌细胞壁中的脂类双键发生反应，渗透到细菌内部，作用于蛋白质和脂多糖，改变细胞的通透性，导致细菌死亡，也就是具有广谱杀菌能力，其次蓝钻富氧因子还能够氧化分解产生臭味的物质，如氨、甲硫醇、硫化氢等，将其转化为无害的成分，从而消除异味。除了杀菌、除异味，蓝钻富氧因子同样具有上述的高效去农残能力，为保护水资源和人体健康提供有力保障。

参考文献

杨书园， 蔡颖婷等，掺硼金刚石膜电极除菌除农药性能及机理探讨，［J］. 中国给水排水，2023-07，39（13）：103-108.