含有卤胺/卤胺前置体和季铵盐官能团的高分子树脂材料的合成及性能研究

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水污染所导致的清洁饮用水的缺乏是世界上许多国家面临的头号挑战,由此研究低成本并且高效的饮用水处理技术和材料就势在必行。传统的饮用水处理技术和材料由于缺乏持续抗菌性而经常导致饮用水的二次微生物污染,近年来研宄开发的卤胺高分子抗菌树脂材料有效地解决了这一问题,因为它们在快速杀死微生物的同时会释放极其微量的氧化态卤素进入到水中,起到持续消毒的作用。但是己报道的卤胺高分子抗菌树脂材料存在亲水性差、合成工艺复杂等缺点。此外近年来研宄的反渗透膜(R0)技术能够有效地去除饮用水中的微生物、有机物和金属等杂质,但是经过其处理的饮用水同样有被二次污染的可能,而且水中缺乏对人体有益的微量元素。本论文针对以上不足,设计合成了三种新型的含有卤胺/卤胺前置体和季铵盐官能团的高分子树脂材料,并对其性能进行了研究,得到一些有意义的结果。以廉价易得的5,5-二甲基海因(DMH)和大孔交联的氯甲基聚苯乙烯树脂(CMPS)为原料,采用一种简单温和的工艺合成制备了一种新型的大孔交联的含有季铵化卤胺前置体的高分子树脂,聚对乙烯基苯基亚甲基-(5,5-二甲基乙内酰脲基-3)乙基-二甲基氯化铵(PSQH),并经过稀释的次氯酸钠溶液处理得到了季铵化卤胺抗菌高分子树脂材料C1-PSQH,并通过傅里叶红外光谱(FTIR)、X-射线光电子能谱(XPS)、Zeta电位测试和比表面积分析等进行表征。亲水性测试表明,季铵盐宫能团的引入有效地改善了卤胺抗菌树脂的的吸水率。抗菌实验数据显示,C1-PSQH树脂可以在1分钟内完全杀死浓度为1.80407CFU/mL的金黄色葡萄球菌和6.06xl06CFU/mL的大肠杆菌,并且能够在14天内连续不断地完全杀死流动水中浓度高于3.0xl04CFU/mL的大肠杆菌。此外,C1-PSQH树脂表现了良好的再生性和稳定性。我们采用一种既经济又绿色环保的工艺制备得到了一种高效的同时含有季铵盐官能团和卤胺官能团的大孔交联抗菌高分子树脂材料C1-PSHTMA。很有意义的是,所有的原料包括5,5-二甲基海因(DMH)、三甲胺(TMA),大孔交联的氯甲基聚苯乙烯树脂(CMPS)和次氯酸钠(NaOCl)均是工业化大量生产的,而且整个制备过程所用到的溶剂均是绿色环保的水。通过FTIR、XPS、Zeta电位测试、比表面积分析考察了树脂的化学组成和结构性能等。抗菌实验数据显示,CI-PSHTMA树脂可以在1分钟内完全杀死浓度为1.80xl07CFU/mL的金黄色葡萄球菌和1.82M08CFU/mL的大肠杆菌,并且能够在14天内连续不断地完全杀死流动水中浓度高于3.0xl04CFU/mL的大肠杆菌。此外,再生性实验表明C1-PSHTMA树脂在连续10次的再生使用过程中氧化态氯含量基本保持不变;稳定性实验也表明其卤胺抗菌基团很稳定。以1-羟甲基-5,5-二甲基海因和二甲胺为原料,合成了一种带有叔胺基团的海因衍生物1-二甲基胺基甲基-5,5-二甲基海因(DHDA),然后通过季铵化反应将其接枝到大孔交联的氯甲基聚苯乙烯树脂(CMPS)上,制备得到一种新型的含有海因亚酰胺结构的季铵盐高分子树脂材料,聚对乙烯基苯基亚甲基-(5,5-二甲基乙内酰脲基-1)甲基-二甲基氯化铵(PDDC),然后先后经过氯化锌溶液和1/溶液处理得到固载有Z2n+和If的双功能高分子树脂材料PDDC-Z2n+-I3-,并通过FTIR和XPS进行表征。流动水实验显示,PDDC-Z2n+_-I3树脂在7天的时间里残留到水中的Z2n+和13_浓度始终低于0.31ppm和0.93ppm。抗菌实验数据显示,PDDC-Z2n+-I/树脂可以在10分钟内完全杀死浓度为1.56x10s CFU/mL的金黄色葡萄球菌和8.60xl06CFU/mL的大肠杆菌,并且能够在12天内连续不断地完全杀死流动水中浓度高于2.5xl04CFU/mL的大肠杆菌。PDDC-Z2n+-I/树脂在预防经过反渗透膜处理的饮用水受到微生物二次污染,并对其缓释微量元素方面有着潜在的应用价值。
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