抗微生物污染分离膜的构建及其应用

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膜技术工程化应用过程中存在的膜污染问题,尤其是不可逆的微生物污染,严重影响了分离膜性能和使用寿命,进而影响分离过程的持续性和经济性。针对这一问题,将抗菌剂引入膜表面,开发具有抗菌功能的分离膜已成为主要的研究方向。本文利用具有杀菌效果的金属纳米颗粒(铜、银)和抗细菌黏附效果的聚多巴胺,通过程序式复合型抗菌方法,设计了三种实验方案制备了三种抗菌分离膜,解决了表面接枝法和掺杂手段存在的问题。(1)表面接枝方法需要膜表面具有一定的功能基团或特定的电荷来促进膜与抗菌剂的紧密结合。本文提出了一种简单、快速的“一步”表面接枝方法,即将膜浸泡在含有铜(Ⅱ)离子的多巴胺溶液中,该方法能够控制铜纳米颗粒在膜表面的负载量,且适用范围广,抗菌率高达99%以上,为表面接枝方法提供了一种可行的途径。(2)纳米粒子与膜材料之间相互作用力较弱,容易导致纳米粒子的流失。为解决上述问题,将Ag/Clay纳米颗粒与铸膜液共混,通过相转化的方式制备抗菌PVDF膜的方法。研究发现最优的膜水通量高达为392 L m-2 h-1,相对于原膜,提高了40%,BSA截留率提高了15%,抗菌率约为100%,且利用错流装置通过处理模拟废水的实验中发现:最优膜的水通量恢复率约为100%,证明此方法制备的抗菌膜在处理废水应用中具有明显的优势。(3)通过界面聚合方法制备了高性能的聚多巴胺包覆单壁碳纳米管正渗透膜,在此基础上,通过浸泡硝酸银溶液来赋予膜优异的抗菌性能。其银纳米颗粒负载量高达1.49%、抗菌率高达99.90%以上。未污染时,原膜与改性膜的水通量基本相同,而污染后的改性膜的通量仅仅下降到103.33±4.92 L m-2 h-1,比原膜的水通量高32.67 L m-22 h-1,比现有文献报道的抗菌正渗透膜的水通量高1倍,因此,利用此方法可制备高通量且具有抗菌性的正渗透膜。此课题开发了三种不同的抗菌膜,并系统评价了抗菌膜的抗菌性能和基本分离性能,旨在开发过程简单,条件温和,并易于大规模应用推广的膜抗菌改性方法,为膜微生物污染研究提供新思路和新方法,推动了抗菌膜在海水淡化和淡水处理等领域的发展。
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