【摘 要】
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饮用水中致病菌的污染和传播,极大地威胁了人类的身体健康。传统工业净水方法是在饮用水中加入化学杀菌剂,但该方法易产生致癌物质残留,极大地威胁了人类的生命安全。相比之下,膜分离技术具有高效除菌、经济安全的优势,成为一种重要的水消毒方式。然而,上述膜材料依赖于致密小孔结构的物理拦截除菌机制,使得微生物易堆积在膜表面形成滤饼,致使膜的消毒性能和水通量急剧下降。因此,构造具有杀菌性能的高通量净水膜材料具有重
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饮用水中致病菌的污染和传播,极大地威胁了人类的身体健康。传统工业净水方法是在饮用水中加入化学杀菌剂,但该方法易产生致癌物质残留,极大地威胁了人类的生命安全。相比之下,膜分离技术具有高效除菌、经济安全的优势,成为一种重要的水消毒方式。然而,上述膜材料依赖于致密小孔结构的物理拦截除菌机制,使得微生物易堆积在膜表面形成滤饼,致使膜的消毒性能和水通量急剧下降。因此,构造具有杀菌性能的高通量净水膜材料具有重要的研究价值。本课题首先制备了氧化铜掺杂型聚丙烯腈纳米纤维膜(CuO/PAN NMs)。将制备的氧化铜纳米颗粒(CuO NPs)掺杂到前驱体纺丝液中,然后通过静电纺丝技术得到了CuO/PAN NMs。测试了CuO NPs和CuO/PAN NMs的抗菌性能,结果表明CuO NPs具有99.9%的杀菌效率,而CuO/PAN NMs仅表现出90%的低抗菌效率。这是因为CuO/PAN NMs中CuO NPs被包埋在纤维内部,无法直接与细菌接触,导致其杀菌性能下降。因此,通过在纺丝液中掺杂CuO NPs来制备具有杀菌性能的高通量净水膜材料是不可靠的,需要设计新的实验方案来制备高效抗菌净水膜材料。为了解决上述问题,本课题进一步制备了氢氧化铜(Cu(OH)2)纳米片包裹型聚乙烯醇缩丁醛(PVB)纳米纤维膜(CNNMs)。然后使用能谱仪(EDS)和X射线光电子能谱(XPS)对CNNMs进行表征,证实了纳米片的化学组成是Cu(OH)2。随后测试了CNNMs的机械性能、孔径分布和纳米片的结构稳定性。结果表明在80%的大弯曲应变下,80次循环后几乎观察不到塑性变形,展现出优异的抗弯曲疲劳性。CNNMs的平均孔径大小为0.5107μm,小于PVB纳米纤维膜(PVB NMs)的0.9897μm。纳米片的结构稳定性测试结果表明,纳米片和纤维之间的紧密结合,在承受剧烈涡旋力和80次弯曲循环后,纳米片结构没有出现掉落、破碎等现象。最后,测试了CNNMs的抗菌性能和水消毒性能,并分析了其在水消毒过程中的安全性。结果表明在化学需氧量(COD)为0时,CNNMs分别在25min和20min内以99.999%的效率杀死大肠埃希氏菌和金黄色葡萄球菌。当COD增加到2000mg/L时,CNNMs仍能在40min内实现99.999%的超高效抗菌性能。对于浓度为5×10~4CFU m L-1的含菌水,CNNMs在超高过滤通量(24000 L m-2 h-1)下,仍显示出99.99%的消毒效率。抑菌圈实验显示CNNMs的杀菌方式是吸附灭菌,这种非溶出型的杀菌机理为其在水消毒过程中的安全性提供了有力保障。电感耦合等离子谱仪(ICP)的测试结果显示,CNNMs释放的最高铜离子浓度为0.5mg/L,低于《生活饮用水卫生标准》的限值(1.0mg/L),验证了CNNMs用于水消毒领域的安全性。这种纳米片包裹型纳米纤维膜的成功制备,为后续制造用于水消毒和公共卫生领域的新型抗菌纳米纤维膜提供了思路。
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