Liangsheng Qiu

o Școală de Inginerie Civilă, Universitatea de Tehnologie Dalian, Dalian 116024 China

Sufen Dong

b Școala de Științe și Inginerie a Materialelor, Universitatea de Tehnologie Dalian, Dalian 116024 China

Ashraf Ashour

c Facultatea de Inginerie și Informatică, Universitatea din Bradford, Bradford BD7 1DP, Marea Britanie

Baoguo Han

o Școală de Inginerie Civilă, Universitatea de Tehnologie Dalian, Dalian 116024 China

Abstract

Structurile de beton din sistemele de canalizare, ingineria marină, ingineria subterană și alte medii umede sunt ușor supuse atașării microbiene, colonizării și, în cele din urmă, deteriorării. Cu o selecție și un tratament atent, s-a constatat că unii aditivi, inclusiv agenți antimicrobieni anorganici și organici, pot oferi betonului o performanță antimicrobiană excelentă. Această lucrare analizează diferite tipuri de beton antimicrobian fabricat cu diferite tipuri de agenți antimicrobieni. Clasificarea și metodele de aplicare a agenților antimicrobieni în beton sunt introduse pe scurt. Sunt rezumate proprietățile antimicrobiene și mecanice, precum și pierderea de masă/greutate a betonului care încorporează agenți antimicrobieni. Aplicațiile raportate în acest domeniu sunt prezentate și oportunitățile viitoare de cercetare și provocările betonului antimicrobian sunt, de asemenea, discutate în această revizuire.

1. Introducere

În ultimii ani, odată cu dezvoltarea rapidă a nanotehnologiei, unii cercetători au încercat să introducă unele nano-particule în beton pentru a inhiba colonizarea microbiană. De exemplu, cercetările întreprinse de Singh și colab. [47] a indicat faptul că compozitul ciment-ZnO posedă activități antibacteriene și antifungice eficiente sub lumina întunecată și solară datorită adăugării de nanotuburi ZnO. Wang și colab. [48] ​​a demonstrat că betonul de înaltă performanță (HPC) încorporat cu nano ZnO are capacitate antibacteriană împotriva E. coli și Staphylococcus aureus (S. aureus). Betonul fabricat cu nanoparticule de dioxid de titan are un mare potențial în sterilizarea sub lumină [49]. Ganji și colab. [50] a constatat că cimentul cu nano-TiO2 a inhibat creșterea E. coli sub iradiere UV. Mai mult, Fonseca și colab. [18] a propus că anataza poate fi o aplicație alternativă pentru prevenirea biodeteriorării mortarelor.

Această lucrare este destinată să rezume betonul antimicrobian fabricat cu diferite tipuri de agenți antimicrobieni, prezentat intuitiv în Fig. 1. În primul rând, sunt introduse pe scurt clasificarea agenților antimicrobieni și metodele lor de aplicare în beton. Apoi, sunt revizuite proprietățile antimicrobiene și mecanice, precum și pierderea de masă/greutate a betonului încorporat cu agenți antimicrobieni, cu accent pe proprietățile antimicrobiene. Ulterior, au fost explicate mecanismele antimicrobiene ale unor agenți antimicrobieni anorganici și organici. În cele din urmă, sunt prezentate și aplicațiile betonului antimicrobian în sistemele de canalizare, ingineria marină și clădirile împotriva amenințărilor microbiene.

beton

Diagrama schematică a betonului antimicrobian.

2. Clasificarea agenților antimicrobieni utilizați pentru fabricarea betonului antimicrobian

Proprietatea antimicrobiană a betonului antimicrobian a fost atribuită adăugării de agent antimicrobian, care este un nume colectiv aici pentru aditivii antimicrobieni menționați care facilitează betonul să inhibe și/sau să distrugă diferiți microbi, inclusiv bacterii (de exemplu, agenți patogeni), ciuperci și alge. Compușii antimicrobieni, inclusiv biocidele, microbicidele, dezinfectantele, antisepticele și dezinfectanții caracterizați prin capacitatea lor de a distruge microorganismele și/sau de a inhiba reproducerea microbiană, sunt ușor accesibile [23], [34]. Agenții antimicrobieni despre care s-a adăugat că au fost adăugați la ingredientele din beton pot fi clasificați în agenți antimicrobieni anorganici și organici în ceea ce privește compoziția lor chimică, așa cum se detaliază mai jos.

2.1. Agenți antimicrobieni anorganici

Agenții antimicrobieni anorganici despre care s-a raportat că se aplică în beton includ metale grele (argint, nichel, tungsten), compuși metalici (molibdat de argint, oxid de cupru, oxid de zinc, tungstat de sodiu, bromură de sodiu), NORGANIX (un sigilant pentru beton silicat), acid azotat liber (FNA) și nano materiale anorganice antimicrobiene. Activitatea antibacteriană a ionilor metalici sau metalici este în ordinea: Ag> Hg> Cu> Cd> Cr> Ni> Pb> Co> Zn> Fe [22], [32], [51], [52]. Deși seriile de agenți antibacterieni cu ioni de argint sunt eficiente, dar având în vedere costul ridicat, puține alte alternative cu efect bactericid ridicat au fost explorate în literatura de specialitate. De exemplu, Zhang [22] a constatat că azotatul de ceriu prezintă un efect antibacterian excelent în betonul poros, chiar și cu un conținut scăzut de 1,25%. Mai mult, utilizarea nanomaterialelor pentru a controla colonizarea microbiană a betonului a crescut semnificativ în ultimii ani [53]. S-a raportat că nanoparticulele (NP) de Cu2O, CaCO3, TiO2, ZnO, CuO, Al2O3, Fe3O4 etc. prezintă efecte inhibitoare împotriva unei game largi de microorganisme din acest domeniu [3], [4], [26], [47], [48], [54], [55] .

2.2. Agenți antimicrobieni organici

În general, agenții antimicrobieni anorganici au o durată de viață lungă și o rezistență la temperaturi ridicate, dar au efecte secundare precum toxicitatea. Agenții antimicrobieni organici au un efect bactericid evident pe termen scurt și un spectru larg de activitate de ucidere, dar rezistența lor la temperatură este slabă [22], [31], [32], [60]. Mai mult, majoritatea biocidelor organice sunt în cele din urmă ineficiente la îndepărtarea microbilor și pot duce în cele din urmă la un nou val de microbi pe suprafețele afectate după ce microbii dezvoltă o rezistență [34]. Următoarele secțiuni vor descrie în detaliu acești agenți antimicrobieni și metodele lor de aplicare.

3. Metode de aplicare a agenților antimicrobieni în beton

Aglomerarea datorată activității ridicate a nanoparticulelor antimicrobiene în matricea de ciment este o preocupare comună, scăzând semnificativ activitățile lor chimice și fizice și, prin urmare, afectând eficiența lor în performanța matricei de ciment și în activitatea antimicrobiană [49], [60]. Un mediu de dispersie (cel mai probabil amestec de apă) și încorporarea de amestecuri organice și diferite tipuri de surfactanți, de exemplu, plastifianți și superplastifianți, facilitează abordarea problemei dispersiei omogene în matricea de ciment, așa cum este prezentat în Fig. 2 [49], [54]. Se raportează, de asemenea, că aplicarea superplasticizantului în ciment fotocatalitic poate spori dispersia nano-TiO2 în probe prin prevenirea aglomerării dioxidului de titan în pastele de ciment, ceea ce este, de asemenea, favorabil îmbunătățirii contactului dintre dioxidul de titan și bacterii, contribuind la o mai bună inactivare bacteriană [50 ]. Cu toate acestea, în cazul agenților antimicrobieni care sunt componente funcționale în beton, selectarea tipurilor și conținutului de biocide nu a fost investigată sistematic [35], [65] .

Proces schematic al metodei de dispersie a nanomaterialelor, utilizat în mod obișnuit în prepararea compozitelor pe bază de ciment [54] .

4. Proprietățile betonului antimicrobian

4.1. Proprietate antimicrobiană

4.1.1. Beton antimicrobian cu agenți antimicrobieni anorganici

tabelul 1

Rezumatul diferitelor antimicrobiene anorganice pe proprietatea antimicrobiană.

AntimicrobianMicroorganismMatrixFindings
Bromură de sodiu, oxid de zinc, tungstat de sodiu [65] Bacteroidete, Proteobacterii, Firmicute și ActinomiceteBetonRata mare de sterilizare a NaBr, ZnO față de bacteroidete a fost de 86,80%, respectiv 79,19%, respectiv Na2WO4 a prezentat cea mai mică rată bactericidă, cu 21,95% față de toate bacteriile.
Zeolit ​​încărcat cu argint [30] A. tiooxidaniBetonCreșterea populațiilor de plancton și biofilm de A. tiooxidans a fost inhibată
Zeolit ​​de încărcare cu zinc și argint [29] A. tiooxidaniBetonProbele de beton acoperite cu zeolit ​​funcționalizate cu raporturi de greutate epoxidică la zeolitică de 2: 2 și 1: 3 au avut o creștere neglijabilă a biomasei și rate de producție a acidului
Zeolit ​​de argint/cupru, zeolit ​​de argint/zinc [28] A. tiooxidaniMortarCo-cationii precum Zn 2+ și Cu 2+ cresc activitatea antimicrobiană a zeolitului purtător de argint
Oxid de nano-cupru [26] A. tiooxidaniBetonRata mai mare de levigare a cuprului din filmul de oxid de nano-cupru aderent slab a inhibat în mod semnificativ activitatea A. tiooxidanilor.
Zeoliti de cupru argintiu [25] E. coli, Listeria monocytogenes, Salmonella enterica sau S. aureusMortarCentrarea zeoliților de argint și cupru pentru a obține un efect bactericid pe suprafețele mortarului este necesară cu mai mult de 3%
Zeomighty [33] ThiobacilliN/A.O concentrație de zeoliți metalici de 1% până la greutatea cimentului este optimă pentru suprimarea creșterii tiobacililor
Tungstat de sodiu [41] A. tiooxidaniN/A.Aproximativ de 10 ori mai mult tungstat legat de celulele A. tiooxidans la pH 3,0 decât la pH 7,0
Tungstat de sodiu [42] A. feroxidaniN/A.De aproximativ 2 ori mai mult tungsten a legat celulele A. ferroxidans la pH 3,0 decât la pH 6,0
Compuși metalici (Ni, W), ZnSiF6 [61] T.novellusMortar, betonMortarul cu amestec etanș antimicrobian a avut un pH mai mare (6,8) și o concentrație mai mică de acid sulfuric (3,78 × 10-8 mol/L) comparativ cu cel (6,6 și 2,56 × 10-7 mol/L) de mortar simplu
Oxid de zinc, bromură de sodiu, zgură de cupru, clorură de amoniu, bromură de cetil-metil-amoniu [19] AlgeMortarAdăugarea 20% în greutate de oxid de zinc și 20% în greutate bromură de sodiu a prezentat cea mai eficientă inhibare a algelor în condiții de laborator Adăugarea a 20% în greutate bromură de sodiu și 10% în greutate bromură de cetil-metil-amoniu (un agent antimicrobian organic) a arătat cele mai mari efecte inhibitoare la în condiții de câmp
FNA [44] N/A.BetonRata de absorbție a H2S a scăzut cu 84-92% 1-2 luni și celulele bacteriene viabile s-au redus de la 84,6 ± 8,3% la 10,7 ± 4,3% în 39 de ore după pulverizarea FNA.
Molibdat de argint [52] E. coli și S. aureusBetonNumărul de colonii reziduale de E. coli și S. aureus este de 0 cfu/mL prin adăugarea de 0,004% molibdat de argint
Azotat de ceriu [22] E coliBetonConcentrația bacteriană s-a redus drastic de la 7,50 la 0,01,0,0,02 milioane pe ml după 48 de ore când conținutul a fost de 1,25,5,00,10,00%, respectiv.
TiO2, CaCO3 de dimensiuni nano [4] Pseudomonas, Fusarium, alge, alge albastre-verzi și bacterii oxidante de manganMortarMortarul de cenușă zburată modificată Nano-TiO2 și mortarul de cenușă zburată modificat cu nano-dimensiune TiO2, CaCO3 au prezentat activități antibacteriene îmbunătățite comparativ cu mortarul de cenușă zburată modificat nano-CaO3
Anatase [18] Specii de cianobacterii și clorofiteMortarDouă tipuri de mortare cu diferite tipuri de nisip au prezentat cel mai mic raport de creștere fotosintetic (0% și, respectiv, 0,03%)
Nanocompozit SiO2/TiO2 [68] E coliCiment mortarInactivarea bacteriilor după iradierea luminii UV și fără iluminare după 120 de minute a fost de 67%, respectiv 42%.

Notă: A. tiooxidans: Acidithiobacillus tiooxidans; T. tiooxidans: Thiobacillus tiooxidans; T. novellus: Thiobacillus novellus; A. feroxidani: Acidithiobacillus feroxidani; E. coli: Escherichia coli; S. aureus: Staphylococcus aureus; NA: nu este disponibil.

Imagini CLSM ale distribuției celulelor moarte/vii în cadrul biofilmului atașat la betoane: (a) beton simplu, fără bactericid; (b) beton cu clorură de dodecil dimetil benzil amoniu; (c) beton cu bromură de sodiu; (d) beton cu oxid de zinc; (e) beton cu tungstat de sodiu; și (f) beton cu ftalocianină de cupru [62]. Notă: celulele vii și cele moarte sunt afișate în verde și, respectiv, în roșu, sub lumină albastră.

Nivelurile de SUR, ATP și raportul de bacterii viabile măsurate pe soluții de reactoare care conțin biofilmul de coroziune suspendat răzuit dintr-un cupon de beton după 40 de luni de expunere anterioară la și după tratamentul cu FNA. Raportul de bacterii viabile nu a fost determinat după 700 h de tratament cu FNA, deoarece celulele nu au putut fi extrase din soluția reactorului [44]. Notă: SUR înseamnă rata de absorbție a H2S.

Efectul diferitelor concentrații de compozit ciment-ZnO asupra diferitelor microorganisme [47]: (a) E. coli, (b) Bacillus subtilis și (c) Aspergillus niger.