明胶-二氧化硅/纳米银杂化材料的制备及其在废水处理中的应用

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环境污染是目前严重影响人类健康的重大问题之一。酚类物质和微生物是废水中的两类主要污染物质。去除此两类物质能够显著改善水质,达到净化废水的目的。银纳米粒子是一种典型的无机纳米材料,由于制备简单,价格低廉,受到人们广泛关注。银纳米粒子不仅有优异的催化活性,能催化降解酚类物质,而且具有极强的抗菌性能,能够抑制多种微生物的生长。因此,银纳米粒子已经广泛用作废水净化材料。然而尽管银纳米粒子合成简单,但其尺寸小,易于团聚,这会显著降低其催化性能和抗菌性能。明胶是一种天然蛋白质,廉价易得,能够原位还原银离子为银纳米粒子。二氧化硅是一种典型的无机纳米材料,具有优异的生物相容性和水溶液稳定性,且廉价易得。明胶-二氧化硅杂化材料兼具明胶和二氧化硅两者的优势。因此,本研究以明胶-二氧化硅杂化材料作为银纳米粒子的基质材料,研制了两种不同类型的明胶-二氧化硅/银纳米粒子杂化材料:杂化微球和杂化纤维膜,评价了其催化性能和抗菌性能,探讨其在废水中酚类物质和微生物去除方面的潜在应用价值。本论文研究内容主要分为以下两方面:(1)明胶-二氧化硅/银纳米粒子杂化微球的制备及其性能评价首先以明胶、硅酸四乙酯(TEOS)和3-缩水甘油基氧基丙基三甲氧基硅烷(GPTMS)为原料,液体石蜡为油相,通过乳化法制备得到明胶-二氧化硅杂化微球(GSi Ms)。对微球进行形貌分析可知,GSi Ms呈球形且圆整度较好,尺寸分布在5~15μm。将GSi Ms浸泡在硝酸银(Ag NO3)溶液中,80 ℃下水热反应32 h,通过明胶对Ag NO3的原位还原作用,得到明胶-二氧化硅/银纳米粒子杂化微球(Ag@GSi Ms)。通过SEM表征观察到,GSi Ms负载银纳米粒子后尺寸未发生明显变化。根据EDS能谱和元素分布图显示,Ag@GSi Ms中含有C、O、Si和Ag元素,且Ag元素在微球上呈均匀分布,证实Ag@GSi Ms中存在银纳米粒子。以硼氢化钠(Na BH4)与对硝基苯酚(4-NP)混合溶液作为催化对象,进行催化性能分析。紫外分光光谱(UV)图及动力学拟合曲线结果表明,Ag@GSi Ms具有极好的催化性能,10 min内催化反应基本结束。将Ag@GSi Ms与大肠杆菌共同培养24小时,进行抗菌性能分析,通过光密度值(OD值)和宏观照片分析表明,Ag@GSi Ms对大肠杆菌的生长有抑制作用,表现出良好的抗菌效果。(2)明胶-二氧化硅/银纳米粒子杂化纤维膜的制备及其性能评价将Ag NO3溶液与低浓度明胶溶液混合,60 ℃下搅拌反应,以明胶作为还原剂和稳定剂,合成银纳米粒子(Ag@gelatin NPs)。根据TEM表征显示,合成的Ag@gelatin NPs粒径分布在20~40 nm,且在明胶基质中呈分散状态。将Ag@gelatin NPs加入明胶-二氧化硅纺丝溶液中,通过静电纺丝法制备得到明胶-二氧化硅/银纳米粒子杂化纤维膜(Ag@gelatin-silica NFs)。通过SEM和TEM表征显示,纤维之间交错分布,形成多孔结构,纤维表面分布有大量银纳米粒子,且无明显团聚现象。进一步对Ag@gelatin-silica NFs进行催化和抗菌性能分析。从UV谱图和动力学拟合结果可知,Ag@gelatin-silica NFs有极好的催化效果,且能回收进行循环催化,三次循环催化后仍能保持较高的4-NP转化率。以大肠杆菌作为抗菌对象,根据OD值和宏观照片分析,Ag@gelatin-silica NFs对大肠杆菌有良好的抗菌效果。
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