基于氧化石墨烯—纳米银复合材料的抑菌陶瓷膜制备及性能研究

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无机陶瓷膜具有耐高温、耐酸碱、化学稳定性好、机械强度高等诸多优点,广泛应用于水净化领域。然而,在应用的过程中面临着一个严峻的挑战,即膜污染,特别是生物污染,直接影响其使用效率和寿命。通过经济有效的方法来改善陶瓷膜的抗污染能力,减缓膜通量的降低,延长膜使用寿命具有重要的科学意义和实用价值。本课题采用实验室自制的陶瓷膜作为载体膜,氧化石墨烯-纳米银(GO-AgNPs)作为抗菌材料,通过浸渍涂覆法制备抑菌陶瓷膜,以赋予膜自身抗菌性能,从而有效解决膜的生物污染问题。本文通过改进的Hummers法制备氧化石墨烯(GO),然后以葡萄糖为还原剂,硝酸银为银盐,在GO表面原位还原得到GO-AgNPs复合材料,采用红外吸收光谱、X射线衍射、扫描电镜、紫外可见吸收光谱对所制备的材料进行表征,探究了硝酸银浓度、反应时间对其性能的影响,结果表明,银以单质形态成功负载在GO表面,粒径在30-50nm之间,当AgNO3浓度为0.015mol/L,反应时间30min下制备的复合材料性能最优,所获得的银粒子尺寸均匀,能有效防止银纳米粒子的团聚。得到的复合材料具有良好的水溶性,分散稳定性强。以大肠杆菌为目标菌,对该材料进行抑菌性能测试,研究发现,GO-AgNPs的浓度在80μg/mL时能完全抑制大肠杆菌的生长,可以作为抗菌材料进行广泛的应用。采用GO-AgNPs复合材料为涂膜液,以陶瓷膜管为载体对其内表面修饰改性,制备出了抑菌陶瓷膜,并对制备过程中的影响因素进行了详细探讨,研究结果表明,当GO-AgNPs复合材料浓度为300μg/mL,负载量在240-320mg/m2左右,选择合适的干燥制度,在100-150℃下热处理改性样品,可在陶瓷膜管内表面获得一层完整的GO-AgNPs抑菌膜层。对抑菌陶瓷膜的抗菌性能、过滤性能以及稳定性能进行评价,结果显示,制备的抑菌陶瓷膜可以有效地抑制大肠杆菌在膜内表面的生长繁殖,有效缓解膜面生物污染状况的发生,对含菌水的除菌效果有所提高。另外,膜通量的衰减速率下降,通量稳定性得到改善,抑菌膜层稳定性好,能在实际应用过程中达到长效抗菌。因此,这种陶瓷膜表面抑菌改性的方法可以有效改善陶瓷膜的生物污染问题,增加其稳定运行时长,延长使用寿命。
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