生物膜为固着于材料表面并被胞外聚合物所包裹的微生物聚集体。生物膜法水处理技术是指利用生物膜内微生物摄取污水中的有机物等污染物为营养物质进行利用降解的污水处理技术。生物膜载体表面性能直接影响微生物的固着,从而影响生物膜法处理污水的效果。碳纤维作为生物膜载体广泛地应用在生物膜法水处理技术中。然而,由于未处理碳纤维的惰性表面,限制了微生物的固着。因此,有必要对碳纤维载体进行表面改性提高其生物亲和性,进而提高生物膜污水处理效率。DLVO理论是由Derjguin、Landau、Verwey和Overbeek四位学者提出用来描述带电胶体溶液经典理论的简称,该理论现在也能用来描述细菌与基体表面的固着行为。本论文对碳纤维载体进行表面改性,并基于DLVO理论评价碳纤维载体表面性能对细菌固着的影响。主要研究内容和成果如下:（一）电泳沉积法研制三种碳纤维复合材料,基于DLVO理论对三种碳纤维复合材料固着细菌的能力进行评价。本研究采用电泳沉积法制备羟基磷灰石/碳纤维、聚甲基丙烯酸甲酯/碳纤维和碳纳米管/碳纤维三种复合材料。细菌固着实验表明:与未改性碳纤维相比,碳纤维复合材料具有更强固着细菌的能力。DLVO理论表明:碳纤维复合材料与细菌之间具有较低的总势能;较低的总势能源于较小的二碘甲烷接触角而导致范德华势能的降低。此外,羟基磷灰石和聚甲基丙烯酸甲酯与细菌细胞粘附在一起形成致密的膜,碳纳米管能够缠绕细菌细胞表面,有利于碳纤维复合材料对细菌的固着。挂膜实验表明:碳纤维复合材料挂膜量明显增加,碳纤维复合材料具有更强固着污水中细菌的能力。实验结果和DLVO理论证明三种碳纤维复合材料都具有高生物亲和性的生物膜载体。（二）基于DLVO理论,采用硝酸氧化和尿素改性结合法对碳纤维载体进行表面改性。本研究采用硝酸氧化和尿素改性结合法对碳纤维载体进行表面改性。挂膜实验和细菌固着实验表明:与未改性碳纤维相比,氧化碳纤维载体具有更强固着细菌的能力,并且两小时硝酸氧化碳纤维载体固着最多的细菌细胞;尿素改性后的氧化碳纤维固着细菌的能力增强,并且固着细菌的数量随着氮元素含量升高而增加。DLVO理论表明:与未改性碳纤维相比,氧化碳纤维与细菌之间的总势能降低,并且两小时氧化碳纤维具有最低的总势能;尿素改性后的氧化碳纤维总势能降低,并且随着氮元素含量的升高而降低。原因在于氧化后的碳纤维表面引入了含氧基团,导致二碘甲烷接触角减小引起范德华势能降低,又导致zeta电位降低引起静电势能升高;尿素改性过程在氧化碳纤维表面引入氨基,导致碳纤维zeta电位升高而引起静电势能降低。实验结果和DLVO理论证明:结合硝酸氧化和尿素改性法能够增强碳纤维载体固着细菌的能力,使其成为具有高生物亲和性的生物膜载体。（三）基于DLVO理论,采用微波等离子体化学气相沉积法分别制备出双重抗菌功能的碳纤维材料和高生物亲和性的碳纤维载体。本研究采用微波等离子体化学气相沉积法（MPCVD）在碳纤维表面制备一层由石墨烯构成的石墨花瓣。扫描电镜结果显示:经过30分钟反应时间(CF-GP₃₀),碳纤维表面生成垂直排列且边缘锋利的石墨烯;经过60分钟反应时间(CF-GP₆₀),碳纤维表面生成平行于碳纤维表面生长且边缘卷曲的石墨烯。挂膜实验和细菌固着实验表明:石墨花瓣/碳纤维复合材料仅能固着少量的细菌细胞;经过硝酸氧化后的石墨花瓣/碳纤维复合材料(CF-OGP₆₀)能固着大量的细菌细胞。细菌活性实验表明:CF-GP₃₀具有超强杀菌性能,表面活大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的百分比分别为13.6%和6.5%;CF-GP₆₀和CF-OGP₆₀对细菌细胞没有毒性。扫描电镜结果显示:CF-GP₃₀表面垂直生长的石墨烯边缘与细菌细胞充分接触,且锋利的边缘能够穿透细胞膜使细菌细胞破裂。DLVO理论表明:CF-GP₃₀与细菌之间具有较大的能量势垒,细菌很难越过能量势垒固着在载体表面;CF-OGP₆₀与细菌之间未产生能量势垒且总势能较低,细菌能够快速地固着在载体表面。实验结果和DLVO理论证明:CF-GP₃₀为具有抗细菌固着和杀菌双重功能的超强抗菌材料;而CF-OGP₆₀为具有高生物亲和性的生物膜载体。（四）对比分析五种碳纤维载体固着细菌的能力。本研究对比分析五种碳纤维载体固着细菌的能力。实验结果和DLVO理论证明五种碳纤维载体固着细菌能力由小到大排列为CF-OGP₆₀、CF-U5、CF-CNTs、CF-P20、CF-HA₁₈₀,最大挂膜量分别为3.21 g/g、3.43 g/g、3.73 g/g、3.85 g/g、4.14 g/g。因此CF-HA₁₈₀为具有最佳生物亲和性的生物膜载体。