抑菌性超濾膜的合成及其抗生物污染性能研究.pdf

1、超濾技術(shù)在水處理中有著廣泛的應(yīng)用,但現(xiàn)有的超濾膜很少具有抑菌性能,其表面容易附著,滋生微塵物,導(dǎo)致微生物泄露及膜生物污染等一系列問題。本論文首次提出用抑菌性納米材料與聚氯乙烯(polyvinyl chloride,PVC)共混合成平板超濾膜,以廉價(jià)的聚氯乙烯為主要原材料,分別采用納米Ag(n-Ag)、載銀納米二氧化鈦(Ag-n-TiO2)、單壁碳納米管(Single-Walled Carbon Nanotubes,SWCNTs)等納米材

2、料對(duì)膜進(jìn)行抑菌性改性研究。
　　 通過對(duì)膜的結(jié)構(gòu)表征發(fā)現(xiàn)上述納米材料改性前后,膜上層均為一層致密的表皮層,下層為指狀孔支撐層,膜的斷面結(jié)構(gòu)為典型的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)。納米顆粒通過攪拌、超聲等方法可以均勻分散在鑄膜液和膜中,膜改性前后其微觀結(jié)構(gòu)及孔徑?jīng)]有改變。研究發(fā)現(xiàn)n-Ag、Ag-n-TiO2、SWCNTs均能在不同程度上改善膜材料的親水性能:當(dāng)膜中n-Ag、Ag-n-TiO2、SWCNTs含量為2％、2％、1％時(shí),膜材料的表面接觸角分

3、別降低17.16％、15.95％、15.54％。機(jī)理分析認(rèn)為,由于納米粒子具有較大的比表面積,它們的加入能在一定程度上增大膜的表面能,使膜表面的親水性得到改善。
　　 本研究以大腸桿菌(E.coli)為模型微生物,考察膜改性前后膜的抑菌性能及其抗生物污染的狀況。發(fā)現(xiàn)n-Ag/PVC膜、Ag-n-TiO2/PVC膜有明顯的抑菌性能,能在固體平板基質(zhì)上形成明顯的抑菌圈;對(duì)含細(xì)菌的溶液進(jìn)行過濾研究,發(fā)現(xiàn)膜過濾出水中細(xì)菌數(shù)也明顯降低,當(dāng)

4、膜中n-Ag、Ag-n-TiO2含量分別為2％、2％,其細(xì)菌截留率分別提高了22％和24％。對(duì)改性前后膜的抗生物污染性研究發(fā)現(xiàn),生物膜不易在上述納米材料改性膜表面形成,改性膜的抑菌性能具有持久性。機(jī)理分析認(rèn)為,改性膜的抑菌性主要是由于抑菌性納米會(huì)屬離子可從抗菌材料表面溶出,對(duì)細(xì)菌菌體產(chǎn)生破壞或使酶失活所致。
　　 由于n-Ag、Ag-n-TiO2均為球形納米顆粒,易于從膜材料上脫落使膜在使用過程中抑菌性逐漸減弱,本研究進(jìn)一步采用

5、管狀的SWCNTs與PVC合成超濾膜,并對(duì)該濾膜進(jìn)行了抑菌試驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn)SWCNTs/PVC超濾膜膜沒有抑菌圈形成。我們也同樣對(duì)膜做了細(xì)菌截留試驗(yàn),試驗(yàn)表明當(dāng)膜中SWCNTS含量為0％～1.5％時(shí),對(duì)細(xì)菌截留率與碳納米管加入量無相關(guān)性。但在溶液環(huán)境中,當(dāng)游離的SWCNTs與大腸桿菌充分直接接觸的條件下,SWCNTs表現(xiàn)出強(qiáng)烈的生物毒性:當(dāng)溶液中SWCNTs的含量為0.5g/L、1g/L、2g/L時(shí),在接觸時(shí)間達(dá)到8h后,細(xì)菌幾乎全被滅活

6、,滅活率分別達(dá)到987.09‰、991.34‰、996.78‰。研究發(fā)現(xiàn)細(xì)菌滅活的速率與SWCNTs加入的量以及攪拌強(qiáng)度成正相關(guān)。
　　 機(jī)理分析認(rèn)為SWCNTS對(duì)微生物的毒性作用主要來自其對(duì)菌體物理刺破作用,SWCNTs和PVC一起合成超濾膜后,在被復(fù)合材料包埋情況下其抑菌性能受到抑制。在水溶液中分散狀態(tài)下的單壁碳納米對(duì)大腸桿菌的毒性機(jī)理的一種可能原因是其對(duì)大腸桿菌菌體具有物理刺破作用,在一定攪拌強(qiáng)度下,它與大腸桿菌之間存在運(yùn)