【摘要】：課題研究背景:膜分離技術(shù)是一種非常節(jié)能環(huán)保的分離技術(shù),在水凈化處理方面扮演著重要角色,可以滿(mǎn)足部隊(duì)就地取水的要求,保障用水安全。但是在實(shí)際使用過(guò)程中常常會(huì)遇到許多問(wèn)題,其中最主要的制約因素之一就是膜污染。水處理時(shí),水體里的細(xì)菌會(huì)在膜材料表面吸附并形成生物膜覆蓋膜孔,使濾膜的滲透通量下降,甚至導(dǎo)致膜材料發(fā)生劣化,使用壽命縮短。一種有效的解決策略是對(duì)膜材料進(jìn)行改性,使其具備抗菌或抗吸附能力。雖然抗菌和抗吸附材料可以通過(guò)不同的作用機(jī)理抑制細(xì)菌在材料表面黏附與生長(zhǎng),但是他們都有各自不足之處�？刮讲牧峡梢灶A(yù)防早期細(xì)菌在材料表面的黏附,但是這種預(yù)防并不能達(dá)到100%的效果。由于不具備抗菌能力,細(xì)菌在環(huán)境中不斷克隆繁殖后會(huì)產(chǎn)“生物膜效應(yīng)”,最終將濾膜完全覆蓋�？咕牧峡梢詺缂�(xì)菌以抑制生物膜的形成,但是死去的細(xì)菌及其釋放的基質(zhì)會(huì)與其他生物物質(zhì)發(fā)生免疫反應(yīng),產(chǎn)生的復(fù)合物依然會(huì)造成濾膜污染。因此,尋找一種理想的耐細(xì)菌污染的膜材料對(duì)于提高膜分離效率具有非常重要的意義。課題研究目的:聚醚砜(PES)具有耐熱、耐腐蝕、機(jī)械性能強(qiáng)、柔韌度高等特點(diǎn),是常見(jiàn)的有機(jī)濾膜材料,但是由于材料的疏水特性,細(xì)菌很容易吸附在表面造成濾膜堵塞。為了解決這一問(wèn)題,本文在商品化聚醚砜濾膜的基礎(chǔ)上進(jìn)行改性接枝,鍵合不同功能單體,探尋影響細(xì)菌吸附的因素,以期望提高其耐細(xì)菌污染的能力。課題研究方法:(1)選擇商品化的PES微孔濾膜,通過(guò)平板壓片-紫外交聯(lián)反應(yīng)系統(tǒng),將兩性離子MEDSA接枝到聚醚砜微濾膜表面,研究接枝時(shí)間、單體濃度對(duì)接枝率的影響,獲得最優(yōu)接枝方法。通過(guò)ATR-FTIR、XPS、接觸角實(shí)驗(yàn)、Zeta電位測(cè)定等,對(duì)PES改性膜進(jìn)行表征和性能評(píng)價(jià)。通過(guò)24 h細(xì)菌靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)、菌液過(guò)濾實(shí)驗(yàn)分析兩性離子接枝對(duì)PES濾膜性能的影響。(2)將DMAEMA分子與四種不同烷鏈長(zhǎng)度的鹵代烷進(jìn)行季銨化反應(yīng)得到相應(yīng)的季銨鹽單體,產(chǎn)物純化后經(jīng)FTIR、1H-NMR進(jìn)行結(jié)構(gòu)確認(rèn)。在PES濾膜表面接枝自制季銨鹽單體,對(duì)改性濾膜進(jìn)行表征。通過(guò)接觸式抗菌實(shí)驗(yàn)比對(duì)不同烷基取代季銨鹽改性濾膜的抗菌效果,分析季銨化程度對(duì)抗菌活性的影響,評(píng)價(jià)其抗菌活性的構(gòu)效關(guān)系,篩選出抗菌效果好的改性單體。通過(guò)24 h細(xì)菌靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)、菌液過(guò)濾實(shí)驗(yàn)研究接觸性抗菌作用對(duì)濾膜抗細(xì)菌污染性能的影響。(3)在自制改性濾膜PES-g-MEDSA表面接枝季銨鹽單體,并對(duì)濾膜進(jìn)行表征。通過(guò)比較三種改性濾膜的抗菌、抗吸附效果,綜合評(píng)價(jià)兩性離子和(或)季銨鹽對(duì)濾膜抗細(xì)菌污染的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果:(1)平板壓片-紫外交聯(lián)反應(yīng)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)PES濾膜的表面改性。MEDSA單體在PES表面的接枝率與紫外光照時(shí)間和單體濃度成正相關(guān),當(dāng)單體濃度為6%,光照時(shí)間30 min時(shí),接枝率變化幅度不大。PES-g-MEDSA表面的親水性和潤(rùn)濕性增加,表面Zeta電位趨向中性。經(jīng)過(guò)24 h靜態(tài)吸附后,細(xì)菌會(huì)在PES表面團(tuán)聚成菌落,導(dǎo)致生物膜在濾膜表面形成,堵塞表面膜孔,降低濾膜的分離效率,而在PES-g-MEDSA的表面并未發(fā)現(xiàn)明顯的細(xì)菌附著現(xiàn)象。菌液過(guò)濾實(shí)驗(yàn)中,PES-g-MEDSA的水通量衰減較慢,膜通量回復(fù)率較高(RFR=90.7%和85.4%),細(xì)菌截留效率良好。(2)用四種以DMAEMA為母體的季銨鹽單體化合物對(duì)PES進(jìn)行改性后,濾膜表面膜孔數(shù)量減少,孔徑變小。推測(cè)可能是由于季銨鹽單體結(jié)構(gòu)中,季銨基團(tuán)作為電子受體與羰基基團(tuán)作為電子供體可以發(fā)生分子內(nèi)和分子間的氫鍵作用,使得單體在濾膜表面聚合并且團(tuán)聚形成皮層,造成膜孔堵塞。而DMAEMA-DB和DMAEMA-HB的長(zhǎng)烷鏈片段空間位阻較大,氫鍵作用較弱,皮層相對(duì)松散,使大部分膜孔結(jié)構(gòu)被保留下來(lái)。季銨鹽在PES表面接枝后,使其具備一定的抗菌活性,濾膜表面Zeta電位由負(fù)電變?yōu)檎�。PES-g-DMAEMA-DB和PES-g-DMAEMA-HB的抗菌能力強(qiáng)于PES-g-DMAEMA-BB和PES-g-DMAEMA-OB,說(shuō)明改性濾膜的抗菌活性會(huì)隨著季銨鹽的烷鏈取代基延長(zhǎng)而增強(qiáng)。細(xì)菌靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)中,季銨鹽改性濾膜表面細(xì)菌吸附數(shù)量顯著減少。菌液過(guò)濾實(shí)驗(yàn)中,PES-g-DMAEMA-DB和PES-g-DMAEMA-HB的水通量衰減較慢,膜通量回復(fù)率較高(RFR=88.3%和92.7%)。(3)用DMAEMA-HB對(duì)PES-g-MEDSA進(jìn)行二次接枝后,改性濾膜的親水性略有下降,但高于PES和PES-g-DMAEMA-HB,表面Zeta電位呈正電狀態(tài)。細(xì)菌實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),雖然PES-g-MEDSA帶有季銨結(jié)構(gòu),但幾乎不具備殺菌能力。PES-g-SA-HB的抗菌活性高于PES-g-DMAEMA-HB。細(xì)菌靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)中,PES-g-SA-HB未發(fā)現(xiàn)明顯的細(xì)菌附著現(xiàn)象。BSA吸附實(shí)驗(yàn)中,PES-g-DMAEMA-HB的單位面積吸附量最高,PES-g-MEDSA和PES-g-SA-HB均比PES的吸附量低。菌液過(guò)濾實(shí)驗(yàn)中,PES-g-SA-HB的水通量衰減慢,膜通量回復(fù)率較高(RFR=86.5%),抗細(xì)菌污染能力較好。實(shí)驗(yàn)結(jié)論:本實(shí)驗(yàn)采用的平板壓片-紫外交聯(lián)反應(yīng)系統(tǒng)不需要添加光引發(fā)劑和無(wú)氧操作即可實(shí)現(xiàn)PES濾膜的表面接枝改性,是一種廉價(jià)簡(jiǎn)便的紫外交聯(lián)方法。通過(guò)這一方法將兩性離子MEDSA和DMAEMA類(lèi)季銨鹽化合物成功接枝到PES微孔濾膜表面,改性后的PES濾膜具有一定的抗菌、抗細(xì)菌吸附特性。MEDSA可以提高PES的親水性,通過(guò)氫鍵與水分子結(jié)合,在濾膜表面形成水化阻隔層,能夠有效抑制細(xì)菌和蛋白質(zhì)的吸附,表面電荷趨于中性,有助于減弱污染物與膜材料間的靜電作用。DMAEMA類(lèi)季銨鹽化合物可以賦予PES抗菌性,滅菌能力的強(qiáng)弱取決于膜表面的正電荷密度以及季銨鹽烷鏈取代基的長(zhǎng)度,正電性越強(qiáng)、烷鏈取代基越長(zhǎng),抗菌活性越高。雖然接觸性抗菌作用可以通過(guò)殺滅細(xì)菌達(dá)到抗細(xì)菌吸附的效果,但是高正電性使得蛋白質(zhì)更容易吸附在濾膜表面造成污染。兩性離子可以彌補(bǔ)季銨鹽親水性的不足,使其具備抵抗蛋白質(zhì)吸附的能力,同時(shí)還有助于抗菌活性的提高。PES-g-SA-HB能夠利用濾膜表面的季銨鹽基團(tuán)殺滅細(xì)菌,兩性離子基團(tuán)抑制死菌及其它生物大分子的黏附,是一類(lèi)具有抗菌、抗吸附雙重功能的濾膜材料。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)人民解放軍軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：TQ051.893;TU991.2
【圖文】：

圖 1.1 生物膜形成示意圖為了控制生物膜的形成，人們研究了很多對(duì)策，主要可以分為兩類(lèi)方法：一類(lèi)是利用抗菌劑、酶、噬菌體殺滅細(xì)菌。目前，抗菌劑已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于器材設(shè)備的表面清潔，如乙醇、次氯酸、乙醛、過(guò)氧乙酸、臭氧、洗必泰、季銨鹽等[11-15]。這些抗菌劑活性強(qiáng)，但容易受溫度、濃度、pH 值等多因素的影響，效果不穩(wěn)定，且僅能清除表面的浮游微生物[14]。由于無(wú)法滲透進(jìn)入生物膜的內(nèi)部，對(duì)于已形成生物膜中的深層微生物無(wú)法起到殺滅效果[10,15-17]。另一類(lèi)是通過(guò)對(duì)材料表面進(jìn)行功能改性以抑制細(xì)菌吸附。研究發(fā)現(xiàn)，超疏水的表面可以有效抑制假單胞菌和金黃色葡萄球菌在材料表面的粘附[18,19]，親水表面可以形成水化層隔絕細(xì)菌、蛋白質(zhì)等污染物[20-22]，接觸性抗菌材料可以有效殺滅材料表面黏附的細(xì)菌[23-26]。此外，改變材料微觀物理結(jié)構(gòu)也可以防止細(xì)菌在表面的吸附[27,28]。目前，對(duì)膜材料表面進(jìn)行功能化改性已成為提高膜抗菌抗吸附能力的主要手段。親水性改性可以弱化膜材料與細(xì)菌和蛋白質(zhì)之間的疏水性吸附作用，大大降低膜污染情況，延長(zhǎng)膜的使用壽命，提高膜的生物相容性。由于膜和水的親和性

圖 1.3Ag/MWNTs/PAN 制備流程圖納米銀作為一種新興的納米材料，雖然在抗菌方面有較好的效果，但是作為一種重金屬制品，依然存在一定的安全隱患。由于納米銀粒徑很小，可以通過(guò)呼吸道、消化道、皮膚等途徑進(jìn)入人體，造成潛在危害。目前已知大劑量的納米銀暴露可引起急性毒性損傷，能夠通過(guò)不同的信號(hào)傳導(dǎo)通路誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，因此，納米銀在醫(yī)療器械材料中主要是長(zhǎng)期或短期低劑量使用。由于針對(duì)納米銀的毒性研究主要集中在體外實(shí)驗(yàn)，其對(duì)人體長(zhǎng)期的影響和慢性毒性損傷情況尚未明確，所以，國(guó)家對(duì)于此類(lèi)制品的審批要求也比較嚴(yán)格，這在一定程度上限制了載銀材料的應(yīng)用。（2） 二氧化鈦光催化殺菌是一種新型的殺菌技術(shù)，利用光催化劑在光照作用下發(fā)揮抗菌活性，對(duì)真菌、細(xì)菌、病毒等微生物都有較高的滅活能力。光催化劑是一類(lèi)固體半導(dǎo)體，能夠吸收可見(jiàn)光或紫外光，具有化學(xué)和生物學(xué)惰性，對(duì)光穩(wěn)定，價(jià)格便宜

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前4條

1 王靜;水中和;冀志江;曹延鑫;侯國(guó)艷;王繼梅;王曉燕;;銀系無(wú)機(jī)抗菌材料研究進(jìn)展[J];材料導(dǎo)報(bào);2013年17期

2 王華;劉艷飛;彭東明;王福東;魯曼霞;;膜分離技術(shù)的研究進(jìn)展及應(yīng)用展望[J];應(yīng)用化工;2013年03期

3 張莉;王聰;錢(qián)玉梅;袁建;;間接電還原法合成銀納米顆粒及納米銀粉的抗菌性能[J];稀有金屬材料與工程;2011年04期

4 李婷;鐘澤輝;;載銀沸石抗菌劑的研究進(jìn)展[J];包裝工程;2011年03期

本文編號(hào)：2728949