抑菌性超滤膜的合成及其抗生物污染性能研究

论文摘要

超滤技术在水处理中有着广泛的应用,但现有的超滤膜很少具有抑菌性能,其表面容易附着,滋生微生物,导致微生物泄露及膜生物污染等一系列问题。本论文首次提出用抑菌性纳米材料与聚氯乙烯(polyvinyl chloride, PVC共混合成平板超滤膜,以廉价的聚氯乙烯为主要原材料,分别采用纳米Ag （n-Ag）、载银纳米二氧化钛（Ag-n-TiO2）、单壁碳纳米管（Single-Walled Carbon Nanotubes, SWCNTs）等纳米材料对膜进行抑菌性改性研究。通过对膜的结构表征发现上述纳米材料改性前后,膜上层均为一层致密的表皮层,下层为指状孔支撑层,膜的断面结构为典型的非对称结构。纳米颗粒通过搅拌、超声等方法可以均匀分散在铸膜液和膜中,膜改性前后其微观结构及孔径没有改变。研究发现n-Ag、Ag-n-TiO2、SWCNTs均能在不同程度上改善膜材料的亲水性能：当膜中n-Ag、Ag-n-TiO2、SWCNTs含量为2%、2%、1%时,膜材料的表面接触角分别降低17.16%、15.95%、15.54%。机理分析认为,由于纳米粒子具有较大的比表面积,它们的加入能在一定程度上增大膜的表面能,使膜表而的亲水性得到改善。本研究以大肠杆菌（E.coli）为模型微生物,考察膜改性前后膜的抑菌性能及其抗生物污染的状况。发现n-Ag/PVC膜、Ag-n-TiO2/PVC膜有明显的抑菌性能,能在固体平板基质上形成明显的抑菌圈；对含细菌的溶液进行过滤研究,发现膜过滤出水中细菌数也明显降低,当膜中n-Ag、Ag-n-TiO2含量分别为2%、2%,其细菌截留率分别提高了22%和24%。对改性前后膜的抗生物污染性研究发现,生物膜不易在上述纳米材料改性膜表面形成,改性膜的抑菌性能具有持久性。机理分析认为,改性膜的抑菌性主要是由于抑菌性纳米金属离子可从抗菌材料表面溶出,对细菌菌体产生破坏或使酶失活所致。由于n-Ag、Ag-n-TiO2均为球形纳米颗粒,易于从膜材料上脱落使膜在使用过程中抑菌性逐渐减弱,本研究进一步采用管状的SWCNTs与PVC合成超滤膜,并对该滤膜进行了抑菌试验。研究发现SWCNTs/PVC超滤膜膜没有抑菌圈形成。我们也同样对膜做了细菌截留试验,试验表明当膜中SWCNTs含量为0%-1.5%时,对细菌截留率与碳纳米管加入量无相关性。但在溶液环境中,当游离的SWCNTs与大肠杆菌充分直接接触的条件下,SWCNTs表现出强烈的生物毒性：当溶液中SWCNTs的含量为0.5g/L、1g/L、2g/L时,在接触时间达到8h后,细菌几乎全被灭活,灭活率分别达到987.09‰、991.34‰、996.78‰。研究发现细菌灭活的速率与SWCNTs加入的量以及搅拌强度成正相关。机理分析认为SWCNTs对微生物的毒性作用要来自其对菌体物理刺破作用,SWCNTs和PVC一起合成超滤膜后,在被复合材料包埋情况下其抑菌性能受到抑制。在水溶液中分散状态下的单壁碳纳米对大肠杆菌的毒性机理的一种课能原因是其对大肠杆菌菌体具有物理刺破作用,在一定搅拌强度下,它与大肠杆菌之间存在运动剧烈的相对,能对大肠杆菌产生灭活作用；另一种可能原因是单壁碳纳米管具有比较强的吸附作用,导致大肠杆菌被吸附在单壁碳纳米管表面从而使其代谢活动受到影响,进而使其生长受到抑制甚至是被灭活。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 课题背景
• 1.2.1 膜分离技术的特点
• 1.2.2 膜污染问题
• 1.2.3 膜生物污染
• 1.2.4 抗生物附着超滤膜的提出
• 1.3 高分子材料的抑菌性改性技术综述
• 1.3.1 抗菌型涂料技术
• 1.3.2 抗菌性塑料技术
• 1.3.3 常用于高分子材料抗菌性改性的添加材料
• 1.3.4 碳纳米管/聚合物复合材料
• 1.4 常用的膜改性技术
• 1.5 研究纳米共混超滤膜的目的、意义及内容
• 1.5.1 课题研究的目的和意义
• 1.5.2 课题研究的主要内容
• 第2章 实验材料和方法
• 2.1 实验装置
• 2.1.1 搅拌装置
• 2.1.2 膜合成装置
• 2.2 实验仪器
• 2.2.1 膜表征仪器
• 2.2.2 膜通量测定仪器
• 2.2.3 微生物培养仪器
• 2.3 实验材料和药品
• 2.3.1 膜合成材料
• 2.3.2 微生物的培养基
• 2.4 试验方法
• 2.4.1 膜合成方法
• 2.4.1.1 浸没沉淀相转化法合成超滤膜的条件及参数
• 2.4.1.2 浸没沉淀相转化法合成超滤膜需要注意的事项
• 2.4.2 膜性能的表征方法
• 2.4.2.1 膜的SEM表征方法
• 2.4.2.2 膜的EDS表征方法
• 2.4.2.3 膜的AFM表征方法
• 2.4.2.4 膜的接触角表征方法
• 2.4.2.5 膜通量的测量方法
• 2.4.3 微生物培养操作方法
• 2.4.3.1 培养基的制备方法
• 2.4.3.2 细菌的计数方法
• 2.5 本章小结
• 第3章 纳米金属粒子改性超滤膜的性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 纳米金属粒子改性PVC膜的制备
• 3.2.1 金属纳米粒子与有机铸膜液的共混性
• 3.2.2 膜合成参数的确定
• 3.3 纳米金属粒子改性PVC膜的表征
• 3.3.1 膜的SEM分析
• 3.3.2 膜的EDS能谱分析
• 3.3.3 膜的AFM分析
• 3.3.4 膜的接触角表征
• 3.3.5 膜的水通量表征
• 3.4 纳米金属粒子改性PVC膜抑菌性能的研究
• 3.4.1 改性膜的抑菌圈实验
• 3.4.2 膜对细菌的截留作用
• 3.4.3 膜的抗生物污染性能试验
• 3.4.3.1 改性膜对细菌附着生长的抑制作用
• 3.4.3.2 改性膜在过滤过程中的抗生物污染性能试验
• 3.5 纳米金属粒子改性PVC膜抑菌性机理
• 3.6 本章小结
• 第4章 单壁碳纳米管/PVC共混膜的性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 单壁碳纳米管/PVC共混超滤膜的制备
• 4.2.1 共混性
• 4.2.2 膜合成参数的确定
• 4.3 单壁碳纳米管/PVC膜的表征
• 4.3.1 膜的SEM分析
• 4.3.2 膜的AFM分析
• 4.3.3 膜接触角的表征
• 4.3.4 膜的水通量表征
• 4.4 SWCNTs/PVC膜抑菌性能的研究
• 4.4.1 单壁碳纳米管/PVC膜的抑菌圈实验
• 4.4.2 细菌截留率实验
• 4.4.3 膜的抗生物污染性能试验
• 4.5 SWCNTs于分散状态下在水中的杀菌现象研究
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢