GO/PAN纳米纤维膜功能化改性及抗微生物污染性能研究

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膜微生物污染具有普遍存在性、不可逆性和强危害性等特点。细菌长期的繁殖和生长极易对膜内部结构造成严重破坏,对膜性能造成不可逆损坏,缩短膜的使用寿命和提高膜的运行成本。因此,开发具有抗菌和抗黏附性能膜表面已成为目前一个研究热点。本文设计了两种实验方案,通过复合型抗菌方法,构建“攻击”和“防御”抗菌策略。将不同质量分数的氧化石墨烯(GO)和聚丙烯腈(PAN)物理共混,采用静电纺丝技术制备出具有抗菌活性的GO/PAN纳米纤维膜。当GO含量为3 wt.%时,GO/PAN纳米纤维膜具有较强的抗菌作用。分别采用化学接枝和物理涂覆两种方法对GO/PAN膜表面进行改性,制备出不同壳聚糖(CS)含量的CS-g-GO/PAN和CS-GO/PAN膜。方法一:空气等离子体处理对GO/PAN膜表面进行刻蚀和活化作用引入-COOH基团,与CS的-NH2发生酰胺反应,将CS成功接枝到GO/PAN膜表面;方法二:在酸性(p H=5)条件时,通过静电吸引作用,使氨基质子化作用带正电的CS沉积到带负电的GO/PAN膜表面,成功制备出CS-GO/PAN膜。通过设计正交试验对等离子体处理条件进行选择,采用扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶红外光谱(FT-IR)、X射线光电子能谱(XPS)、能谱仪(EDX)、真彩共聚焦显微镜、水接触角(WCA)和Zeta电位等方法表征CS改性纳米纤维膜的形貌和结构。采用比浊法和平板计数法对改性膜抗菌性进行评价,并通过观察细菌SEM和荧光染色法对改性膜抗细菌黏附性进行分析。研究结果表明,随GO添加量的增加,GO/PAN纳米纤维膜中纺锤体数量增加,纤维平均直径逐渐减小,纳米纤维膜表面粗糙度增加,亲水性增加,力学性能先增加后减小。CS成功接枝和涂覆在GO/PAN膜表面,随CS含量的增加,CS-g-GO/PAN和CS-GO/PAN膜表面粗糙度增加,亲水性增强。当CS含量约为33 wt.%时,CS-g-GO/PAN和CS-GO/PAN膜抗菌率均为99.9%,表现出优异的抗菌效果,且膜表面E.coli的覆盖率分别为0.3%和0.5%,S.aureus的覆盖率分别为1.0%和0.8%。本论文制备的CS-GO/PAN和CS-g-GO/PAN膜抗菌性和抗黏附性能协同作用,成功构建“攻击”和“防御”膜表面,为膜微生物污染研究提供新思路和新方法,推动抗菌膜在海水淡化和淡水处理等领域的发展。
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