浅谈卫生陶瓷的抗菌技术及发展趋势

夏涤华

(科勒中国投资有限公司 广州 510620)

1 卫生陶瓷抗菌技术应用的必要性

1.1 微生物的基本知识

微生物是一群个体小、结构简单的低等生物的总称，它具有体型微小、结构简单、繁殖迅速、容易变异、种类繁多、分布广泛等特点。主要包括非细胞型类如病毒、原核细胞类如细菌、真核细胞类如真菌等。

微生物因为体积小，肉眼无法看见，因此人们很容易忽视它们的存在，疏于防范。 但是这些微生物却具有惊人的生长和繁殖速度，只要条件(温度、湿度、营养和pH值等)适宜，大肠杆菌从一个细胞增殖到108(1个亿)只需9 h。微生物在自然界的分布极其广泛，空气、土壤、江河、海洋和自然物体中都存在。只要有水，哪怕在地球上极端恶劣环境下都能找到微生物的踪影。据报道，一般情况下空气微生物含量为1～104个/m3，水微生物含量为1～106个/m3，土壤微生物含量为104～1010个/m3。在卫生间，特别是马桶等卫生洁具上也粘附着大量微生物。其中有些微生物对人类是有害的。 如果疏于防范，这些微生物对人和动物都可能带来非常大的危害。如1996年日本的“O157大肠杆菌流行事件”、2003年香港“非典”侵袭事件。

目前，我国对微生物的危害理解程度还不深刻和对微生物的理解和有害微生物防止的知识了解太少。“眼不见为净”这种观念到了必须纠正的时刻了。

1.2 卫生洁具上微生物的来源

1)由于日常空气中存在大量的微生物，这些微生物一方面是由于人在外界环境中带入洗手间的。 如人在冲水时手上微生物就会粘附在把手，盖板等位置。细菌随着人体的活动可能留在盖板、坐圈上；另一方面主要是由人体废物产生的。卫生洁具上的臭味是微生物产生的胞外脲酶迅速分解人尿，大便等产生的氨气和蛋白酶分解尿蛋白产生的硫化氢等化学物质导致的。这些微生物寄生在便器表面和排污管内表面，与尿垢结合形成生物膜。 如果釉面质量不佳的洁具，釉面孔隙多，易被侵蚀而生成生物膜，因此需经常保洁。同时在冲洗马桶时那里的细菌有可能溅出马桶，飘浮扩散在卫生间。据报道：人在“方便”之后，细菌扩散情况会有所不同。大肠杆菌会在冲水后的2 h内集中分布在以马桶为中心直径约1 m的范围内，沙门氏菌能在30 min内扩散到同样的范围，而梭状芽孢杆菌则主要在60 min内聚集在马桶坐圈到马桶上25 cm的范围内。美国的科普电视节目《流言终结者》证实了，牙刷上如果沾上粪便大肠菌不会让人们患病，不过厕所水沫可以传播诺瓦克病毒，这种病毒会导致游船或其它地方肠胃病爆发。

2)由坐便器直接接触导致的交叉感染，有明确的研究报道，医疗杂志和医院也会提醒使用者注意。其实，任何稍有常识的人都知道在使用公共马桶时要非常小心，不要接触别人坐过的坐便盖。关于这一点，大部分人只在把纸或者塑料膜垫在马桶坐圈上才能放心。马桶是最具备疾病传播条件的共用器具，尤其是粪便中的细菌完全能够借由空气进行传播。 另外，现代社会不同于人口密度低的农业社会，环境恶化、药物滥用导致的各种病原微生物变种层出不穷，一旦有一种病原具备较强的空气传播感染能力，就会形成粪便-马桶-空气-人的感染链条，则马桶作为家庭唯一的便污收集设备，将成为最不安全的“病原传播中心”。如痢疾、脊髓灰质炎、SARS、手足口病人、H7N9禽流感等等患者的粪便中含有大量的病毒粒子，他们的粪便都需要用消毒剂进行彻底消毒然后才能排放到专用的污水处理设施。

1.3 杀菌消毒的方法

1.3.1 物理法

物理法分为热力法与非热力法：

1)热力法又分为干热和湿热法。

干热：包括火焰法、干热空气法、红外线法、远红外;

湿热：包括热压(低温)蒸汽法、煮沸法、低温间隙法、巴氏消毒法。

2)非热力法包括电磁辐射法、磁力法、超声波法、滤过法以及等离子法等，其中电磁辐射又包括电离和非电离法。

非电离法分为：紫外线、红外线、可见光、日光、微波等方法;

电离法包括：X射线等方法。

1.3.2 化学法

化学法包括：药液法、气体法、固体法。

1.3.3 生物消毒法

生物消毒法包括：噬菌体或溶菌酶法。

1.3.4. 协同作用法

热力+低效消毒剂、紫外线+过氧化氢、微波+消毒剂、超声波+化学药剂和化学消毒剂的协同等方法。

2 卫生陶瓷抗菌技术的应用现状

由于人们卫生意识逐渐提高，特别是在“非典”后，消费者才对抗菌卫生陶瓷产品更加青睐，成为消费者构筑健康防线的需求，也成了建筑卫生陶瓷行业的“卖点”和“热点”。为了给消费者提供一个安全、卫生的卫生环境，同时也为改善人类居住的生存环境，越来越多的陶瓷企业开始进行研究开发，把以上的各种杀菌消毒的方法应用到卫生洁具产品上。

目前卫生洁具行业现有的产品技术有以下几种：

2.1 臭氧消毒

这是一种化学消毒法，采用臭氧发生器产生臭氧，臭氧是种很强的氧化剂，能对细菌的细胞体直接氧化，即破坏其DNA而达到抑制的效果，对病毒的RNA亦有破坏作用；对各种毒素具有一定的氧化作用，降低其毒性。在水中臭氧浓度只要达到0.3～2.0 mg/L, 就能在0.5～1.0 min内杀灭细菌。如惠尔杰公司采用该技术，能够对空气质量起到一定的提高作用。

2.2 化学药剂消毒

家庭用84消毒剂，威猛、蓝精灵等含有强氧化成分的化学药剂定期消毒，可杀灭陶瓷表面的病菌。

2.3 紫外联合光触媒消毒

如TOTO的产品，通过TiO2在紫外光下对有机物的降解作用消灭粘附在洁具表面的微生物，具有明显的消毒效果，能够在保护釉面的基础上实现较长时间对陶瓷表面微生物的杀灭作用。

2.4 微电解水消毒

在TOTO、科勒等公司生产的电子盖板产品上安装了电解水产生器，可以对盖板和马桶内壁等进行消毒杀菌。微电解主要是通过3种过程进行消毒：①氧化自来水中残留的氯，产生HClO杀菌；②电解水产生的初生态氧、氢和一些自由基成分；③直接的电流对细胞膜的破坏。

2.5 抗菌卫生陶瓷釉面的技术与应用

1) 为了更加有效、合理和环保地做到卫生洁具的杀菌消毒，很早就开始研究了能否开发出可以长久杀菌的陶瓷釉面。 人们把抗菌材料通过科学的方法添加于卫生陶瓷釉中或均匀涂抹于卫生陶瓷表面，使该产品不仅具有杀死微生物或妨碍其生长繁殖及其活性，减少或降低致病微生物的传播和感染，而且卫生陶瓷产品本身不会成为微生物二次污染源，也不会对人或环境带来其它化学污染。如抗菌洗手盆、抗菌浴缸、抗菌坐厕和抗菌坐厕垫等。与日常家用消毒剂相比，具有抗菌卫生陶瓷釉面的产品具有更安全、使用方便等优点，同时它可以长期阻碍或抑制陶瓷表面细菌或致病微生物的生长与繁殖，降低致病微生物传播和感染的机会。TOTO、INAX、美标以及国内大量卫生陶瓷企业都进行了这方面的研究，并且取得了丰硕的成果。

2) 抗菌陶瓷制造方法分为3类：

第一类：金属离子掺杂型抗菌卫生陶瓷法。在陶瓷釉中掺入金属离子等抗菌剂由二次低温烧制而成，主要通过金属离子和其他抗菌成分的缓释溶出起到阻碍或抑制微生物生长与繁殖。该工艺需增加二次烧制工序，同时存在金属离子溶出的快慢、多少及时间长短等问题。目前只有少量陶瓷企业在使用该技术。

第二类：光催化型抗菌卫生陶瓷法。在已烧制好的卫生陶瓷表面用溶胶-凝胶技术镀上或喷涂具有光催化抗菌效能的材料及薄膜，通过半导体光催化反应产生羟基自由基，对微生物细胞起到抑制作用达到抗菌目的。该工艺的涂层比较光滑致密，有一定的易清洁效果，但也存在以下问题：①需要黑光灯或自然光照射才能达到较好的抗菌效果；②涂层本身的耐磨性、硬度和附着力等比较低。

第三类：无机复合抗菌卫生陶瓷法。在卫生陶瓷釉中添加无机复合抗菌材料烧制而成，主要通过金属离子的溶出和光催化功能协同增效，达到阻碍或抑制微生物的生长与繁殖。该工艺一次高温烧制就可以达到较高的抗菌效果，第一、二类协同增效、长短互补，具有工艺简单、操作简便等特点，目前国内已有多家卫生陶瓷企业使用该技术。

3 卫生陶瓷抗菌技术发展存在的问题及发展趋势

国内卫生陶瓷企业众多，发展差异大，有许多不具有完备技术的公司也纷纷推出能杀菌消毒的产品，同时由于国家缺乏相应的标准和检验方法，这些企业以假乱真，欺骗消费者，以获取非法利润。 如果说降低污染和能耗、改进工艺、提高质量是陶瓷行业技术改造的目标，那么开发生态和环保陶瓷产品、改善人类生存起居环境、提高生活质量就是陶瓷行业的发展方向。

3.1 卫生陶瓷抗菌技术发展中存在的问题

3.1.1 目前技术存在的问题

3.1.1.1 臭氧杀菌消毒

尽管臭氧能有优良的杀菌消毒功能，但过多的臭氧对人的呼吸粘膜有损害，且并不能解决马桶盖板、坐圈、存水弯管和内壁的病原繁殖问题。人们允许接触的臭氧浓度为0.2 mg/m3。如果大于这个浓度，会对人体造成一定的损伤。如何确保人身和环境安全将是这项技术的关键。

3.1.1.2 化学消毒剂

洁具表面结垢是有机物不断粘结和微生物在陶瓷表面形成生物膜产生的，人们往往使用过氧化物或者强酸去除这些污垢，这同时也增加了环境的污染。

3.1.1.3 电解水

我国从1998年开始研究这项技术，但从目前的研究结果看并不理想：

1)电解效果受污水有机物浓度影响很大，对于粪便、污水而言有污物浓度和细菌数量是一般普通污水的数亿倍，不可能通过微电解对含有粪便细菌的污水进行杀毒。

2)微电解作用最大的是HClO，因此对于长时间储存在马桶水箱中的自来水进行微电解消毒是可行的，这些水作为洁身器供水是没有问题的，但对于即热式的洁身器供水没有什么作用。

3)如果我们的目的是使用经过微电解的水对马桶进行冲刷，并对冲水后马桶水封中的细菌进行消毒，则需要一定的条件：首先要有足够的微电解时间，冲水间隔短必然无法制备合格的HClO溶液；其次，当水中的余氯存在并在一定范围才能被电解并产生消毒效果，2005年的一项研究表明，只有当水中余氯含量在15 mg/L，微电解60 s以上才能产生较好的消毒效果，而目前国内自来水标准中要求的余氯含量在用户端最高为4 mg/L，最低仅为0.05 mg/L，所以如何获得灭菌用的足够浓度的氯是微电解消毒面临的重要问题。

3.1.1.4 抗菌陶瓷釉面

在釉中如何使有效抗菌物质充分溶出，发挥抗菌作用以及光催化型抗菌陶瓷如何提高光催化效率，解决薄膜老化的寿命问题。 除此之外，抗菌卫生陶瓷还需解决技术中所出现的各种问题，包括抗菌剂的加入所引起的陶瓷表面颜色的失真、光泽度变差、涂覆层和陶瓷表面的结合力不够、使用耐久性差、需要专用设备、成本较高等问题。要解决上述问题有赖于深入的基础研究，尤其是应用基础研究。围绕这些问题开展进一步研究不仅有望在抗菌陶瓷技术上得到较大突破，而且可使抗菌陶瓷真正大规模走入市场。

3.1.2 抗菌检测问题

如何能快速直观地检测出抗菌卫生陶瓷与普通卫生陶瓷的差别，这是被消费者认可的关键。但我国各抗菌检测中心对陶瓷抗菌性能的检测还存在一些偏差，笔者认为应加强对各检测中心的培训以及盲样的对比测试，提高各检测中心的检验能力。目前，我国陶瓷抗菌性能定量检测主要依据JC/T 897-2002和JIS Z2801：2000即贴膜法，该方法需有较好的微生物实验条件及专业的微生物检验人员，如能结合定性抑菌法，则更为直观。

3.2 卫生洁具产品抗菌环保发展趋势

抗菌卫生陶瓷在发展过程中会存在各种各样的问题，但人们为了获得优质的生活环境，抗菌技术在卫生陶瓷产品上的应用将成为发展趋势，抗菌卫生陶瓷的发展方向为：

1)卫生洁具的卫生清洁将是人类获得的产品功能的基本要求。由于大众的卫生意识的逐步提高，这类技术和产品将被大众化，将在合理的成本下全面推广。

2)由于越来越多的企业和研究机构在从事卫生洁具的卫生方面的研究，同时由于巨大的市场吸引着无数企业争抢这块蛋糕。这就使得卫生洁具杀菌消毒的技术通过不断的验证和实验，越来越趋于成熟。

3)未来新型抗菌陶瓷材料的研究的发展方向主要有：首先要安全环保，如开发低浓度，无毒性，高效率的化学药剂与其他技术协同的技术；其次要开发新型的抗菌陶瓷釉面和涂抹材料，如稀土等元素在卫生洁具上的应用，能很好地解决工艺和杀菌效率等问题。

4)卫生洁具全方位抗菌化。卫生洁具的种类繁多，有陶瓷、塑料、不锈钢等材料，应将卫生洁具所涵盖的材料都做成抗菌材料，这样的整体抗菌卫生洁具将会受到市场的欢迎，而且抗菌剂技术应同时在塑料、不锈钢、涂料等材料中发展。

5)切断传播途径。从疾病传播原理来看，构成疾病传播的三要素为病原、传染途径、易感人群。在这3个要素中，易感人群是我们无法控制的，病原在洁具的许多位置都存在，可以用细致的消毒手段对病原彻底消灭，前面我们谈到的许多技术和方法是用来处理病原体的。如果我们能够消除传播途径，让病原和人无法接触，则消除疾病传播的目的一样能够达到。使用马桶纸垫圈可以阻断皮肤和不洁表面的接触；利用泡沫覆盖可以防止污水飞溅等，如科赫公司生产的泡沫马桶等。

6)环保与生态的途径。我们期望建造一个会自动将人类排泄物无害化、资源化的设备，这必然是人类可持续发展的目标。

利用固体发酵，微生物燃料电池技术，RO反渗透、超滤膜，微滤膜类的水处理技术实现无能源供给就能就地处理粪便的洁具技术，这些技术在世界各国的研究机构正在大力开发，如比尔盖茨的厕所研究就是其中的研究之一。

4 结语

通过微生物知识和消毒杀菌知识的简单介绍，阐述了当前在卫生洁具行业正在运用的杀菌消毒技术，分析了当前存在的问题，最后提出了卫生洁具产品抗菌环保发展趋势，呼吁大家共同为人类的生存环境做出各自的努力。