基于坡缕石载体的金属离子—光催化型纳米复合无机抗菌剂研究

论文摘要

本文应用粘土矿物学、胶体与表面化学、吸附作用应用原理及抗菌试验方法研究了金属离子对天然粘土矿物—坡缕石的改性及其所产生的抗菌性能，同时对光催化材料纳米二氧化钛的固定化方法进行了研究，在此基础上制备了基于坡缕石载体的金属离子—光催化型纳米复合无机抗菌剂，并对该抗菌剂进行了结构表征及性能测试。 首先，介绍了无机抗菌剂的产生、发展、性能、分类、抗菌机理、研究现状、存在的问题以及坡缕石的发展应用前景，并介绍了半导体材料纳米氧化钛抗菌自洁材料的光催化作用原理、提高光催化效率的方法。重点概述了金属离子型无机抗菌剂的活性组份、载体、抗菌机理及评价指标。指出了金属离子型无机抗菌剂研发中存在的问题。提出以我国储量丰富的世界稀有的天然一维纳米材料—坡缕石作为无机抗菌剂的载体，以价廉的铜离子作为抗菌活性组份的设想。对天然坡缕石进行了提纯和活化处理，并采用Ag+、Cu2+对坡缕石进行了离子交换性改性，对提纯、活化和改性工艺进行了参数优化实验，得到了纯度高，分散性好、表面活性高的活化坡缕石以及负载一定量的金属离子型坡缕石无机抗菌剂。研究发现，天然矿物中坡缕石和蒙脱石不易分离，而其他非粘土类杂质可被完全去除。坡缕石上负载金属离子量的多少主要受到坡缕石自身的晶体结构、表面特性等因素影响较大，其负载量达到一定限度时即不易再提高。 其次，对金属离子型坡缕石和以坡缕石为载体的金属离子—光催化型纳米复合无机抗菌剂的微观形貌、晶体结构和表面特性进行了研究，对Ag+、Cu2+改性坡缕石的XRD和TEM的观察和分析认为，该种类型无机抗菌剂基本保持了坡缕石原来的微观形貌、晶体结构特征和吸附特性。分别采用中和水解法和溶胶—凝胶法制备了以坡缕石为载体的金属离子—光催化型纳米复合无机抗菌剂，实验结果证明：该复合粉体实现了纤维状矿物材料和纳米氧化钛粒子的1—0维的纳米复合，保证了各组成相始终高度分散，得到了光催化性能良好的粒度极为细小的锐钛矿型纳米氧化钛。XPS光电子能谱实验结果表明：纳米氧化钛和坡缕石之间实现了Si-O-Ti的化学键连结构，保证了纳米氧化钛分子牢固附着在坡缕石的表面，而充分发挥二者的纳米效应。 再次，对金属离子型坡缕石和基于坡缕石载体的金属离子—光催化型纳米复合无机抗菌剂的抗菌性能、缓释性能、变色性、吸附降解有机物的性能等进行了研究。针对单纯金属离子型无机抗菌剂虽然能够杀灭或抑制细菌的生长，但不能实现自洁功能的状况，将纳米氧化钛的光催化降解有机物的功能与离子型无机抗菌剂实现复合。可减少使用中的添加量，节省成本，同时该复合抗菌剂一方面可使金属离子型和光催化型二者协同抗菌，另一方面由于金属离子的掺杂作用，使纳米氧化钛的光催化效率得到了极大提高，使纳米氧化钛抗菌自洁材

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 无机抗菌剂的研发现状
• 1.2.1 抗菌剂概述
• 1.2.2 国内外无机抗菌剂的市场发展
• 1.2.3 无机抗菌剂的分类
• 1.2.4 金属离子型无机抗菌剂
• 1.2.4.1 活性组份
• 1.2.4.2 载体
• 1.2.4.3 抗菌机理
• 1.2.5 无机抗菌剂的评价指标
• 1.2.5.1 抗菌能力
• 1.2.5.2 安全性
• 1.2.5.3 其它性能
• 1.2.6 无机抗菌剂研发存在的问题
• 1.2.6.1 产品标准不规范
• 1.2.6.2 活性组份变色问题
• 1.2.6.3 成本问题
• 1.3 纳米氧化钛抗菌、自洁材料
• 1.3.1 纳米氧化钛的光催化作用原理
• 1.3.2 纳米氧化钛的抗菌机理
• 1.3.3 提高纳米氧化钛光催化效率的方法
• 1.4 坡缕石粘土的应用
• 1.5 非金属矿／纳米氧化钛复合材料研究现状
• 1.6 非金属矿物在环保中的应用及发展
• 1.7 本课题的研究目的及研究意义
• 第二章 粘土矿物载体的纯化技术研究
• 2.1 引言
• 2.2 坡缕石的特性及晶体结构
• 2.3 明光坡缕石原矿类型及性质
• 2.4 实验部分
• 2.4.1 试验条件
• 2.4.2 坡缕石提纯工艺
• 2.4.3 分析测试
• 2.5 实验结果与讨论
• 2.5.1 XRD分析
• 2.5.2 TEM分析
• 2.5.3 颗粒长度分布分析
• 2.5.4 颗粒宽度分布分析
• 2.5.5 挤压—分散—超声水热法提纯的机理分析
• 本章小结
• 第三章 粘土矿物载体的活化
• 3.1 引言
• 3.2 坡缕石的活化与吸附的关系
• 3.3 实验部分
• 3.3.1 试验条件
• 3.3.2 活化实验方法
• 3.3.3 静态吸附
• 3.3.4 分析测试
• 3.4 结果与分析
• 3.4.1 吸附等温线
• 3.4.2 灼烧温度对吸附性能的影响
• 3.4.3 脱水与复水反应的热焓（ΔH）
• 3.4.4 活化剂浓度对坡缕石吸附性能的影响
• 本章小结
• 第四章 银、铜离子型坡缕石无机抗菌剂的制备
• 4.1 离子型无机抗菌剂的制备技术
• 4.1.1 离子交换法
• 4.1.2 溶胶凝胶法
• 4.1.3 有机／无机复配法
• 4.1.4 其他方法
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 试验条件
• 4.2.2 试验方法
• 4.2.2.1 银、铜离子型无机抗菌剂的制备
• 4.2.2.2 样品中银、铜离子含量的测试
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 银型坡缕石抗菌剂制备的影响因素
• 4.3.2 铜型坡缕石抗菌剂制备的影响因素
• 4.4 银、铜双金属型坡缕石抗菌剂的影响因素
• 4.4.1 反应时间对银、铜离子负载量的影响
• 4.4.2 反应温度对银、铜离子负载量的影响
• 4.4.3 反应液浓度对银、铜离子负载量的影响
• 4.4.4 交换次数对银、铜离子负载量的影响
• 本章小结
• 第五章 银（铜）型坡缕石的结构特征及抗菌性能
• 5.1 引言
• 5.2 银、铜型坡缕石的结构分析
• 5.2.1 样品制备
• 5.2.2 XRD分析
• 5.2.3 FT-IR分析
• 5.2.4 TEM分析
• 5.3 银（铜）型坡缕石的抗菌性能测试
• 5.3.1 试验器材
• 5.3.2 试验方法
• 5.3.2.1 试验菌培养
• 5.3.2.2 抑菌试验
• 5.3.2.3 缓释性能测试
• 5.3.2.4 耐候性测试
• 5.3.3 结果及分析
• 5.3.3.1 金属离子型坡缕石的抗菌性能
• 5.3.3.2 银（铜）型坡缕石的缓释性能
• 5.3.3.3 银（铜）型坡缕石的耐候性
• 5.3.3.4 银（铜）型坡缕石抗菌剂的抗菌机理初探
• 本章小结
• 2固定化研究'>第六章 基于坡缕石载体的纳米TiO₂固定化研究
• 6.1 引言
• 2复合粉体'>6.2 中和水解法制备坡缕石—纳米TiO₂复合粉体
• 6.2.1 理论基础
• 6.2.2 实验部分
• 6.2.2.1 实验原料
• 6.2.2.2 实验设备及仪器
• 6.2.2.3 实验方法及工艺流程
• 6.2.2.4 对亚甲基蓝的光催化脱色实验
• 6.2.2.5 测试与表征
• 6.2.3 结果与分析
• 6.2.3.1 坡缕石溶胶的加料方式对复合粉体微观形貌的影响
• 6.2.3.2 pH值和氨水用量对复合粉体的收率的影响
• 4浓度对反应产物的微观形貌的影响'>6.2.3.3 TiCl₄浓度对反应产物的微观形貌的影响
• 6.2.3.4 灼烧温度对复合粉体的晶体结构的影响
• 6.3 固载型催化剂的光催化性能
• 2比例对光催化活性的影响'>6.3.1 坡缕石与TiO₂比例对光催化活性的影响
• 6.3.2 灼烧温度对固载型催化剂光催化活性的影响
• 2'>6.4 溶胶凝胶法（S-G法）固定纳米TiO₂
• 6.4.1 S-G法的理论基础
• 6.4.2 实验部分
• 6.4.2.1 实验设备及仪器
• 6.4.2.2 实验方法
• 6.4.3 结果与讨论
• 6.4.3.1 不同水量对凝胶时间和粉体微观形貌的影响
• 6.4.3.2 反应温度对凝胶时间和粉体微观形貌的影响
• 本章小结
• 第七章 基于坡缕石载体的金属离子—光催化型纳米复合无机抗菌剂的制备及结构特征
• 7.1 引言
• 7.2 实验部分
• 7.2.1 实验仪器
• 2复合抗菌剂的制备'>7.2.2 铜改性坡缕石—纳米TiO₂复合抗菌剂的制备
• 7.2.3 结构测试方法
• 7.3 结果与讨论
• 7.3.1 XRD分析
• 7.3.2 HRTEM分析
• 7.3.3 XPS分析
• 本章小结
• 第八章 金属离子—光催化型纳米复合无机抗菌剂的抗菌性能及光催化活性
• 8.1 引言
• 8.2 实验部分
• 8.2.1 抗菌性能测试方法
• 8.2.1.1 测试依据
• 8.2.1.2 测试方法
• 8.2.1.3 抑菌率测试
• 8.2.1.4 最小抑菌浓度测试
• 8.2.1.5 抗菌机理实验
• 8.2.2 复合抗菌粉体的光催化性能
• 8.2.2.1 对溶液中甲基橙的光催化降解试验
• 8.2.2.2 甲基橙的测定
• 8.3 结果与讨论
• 2复合抗菌剂的抗菌性能'>8.3.1 铜改性坡缕石—纳米TiO₂复合抗菌剂的抗菌性能
• 2复合抗菌剂的光催化性能'>8.3.2 铜改性坡缕石—纳米TiO₂复合抗菌剂的光催化性能
• 8.3.2.1 初始甲基橙浓度对光催化效率的影响
• 8.3.2.2 复合抗菌剂的投量对光催化效率的影响
• 8.3.2.3 反应温度对光催化效率的影响
• 8.3.2.4 溶液pH值对光催化效率的影响
• 8.3.2.5 不同光源对光催化效率的影响
• 8.3.2.6 反应方式对光催化效率的影响
• 本章小结
• 第九章 全文主要结论
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 参考文献