納米銀負(fù)載的炭氣凝膠制備、結(jié)構(gòu)及其抗菌性能研究.pdf

1、納米銀負(fù)載的炭氣凝膠制備、結(jié)構(gòu)及其溶出抗菌性能之間的關(guān)系，及其在水凈化處理等領(lǐng)域的應(yīng)用，是一項(xiàng)具有良好應(yīng)用前景的研究課題。本論文分別采用浸漬法和溶膠凝膠法，設(shè)計(jì)制備了幾種塊狀和球形載銀炭氣凝膠，通過(guò)X-射線衍射(XRD)、掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)、X-射線光電子能譜(XPS)及比表面積和孔結(jié)構(gòu)分析(ASAP)等測(cè)試手段表征其結(jié)構(gòu)；采用電位分析法和原子發(fā)射光譜法(ICP)測(cè)定評(píng)價(jià)載銀炭氣凝膠中銀的溶出特性；并以大腸桿菌和金黃

2、色葡萄球菌為測(cè)試菌種，對(duì)材料的吸附抗菌性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。對(duì)制備條件、材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，并研究了結(jié)構(gòu)與性能之問(wèn)的關(guān)系，探討了其制備原理和溶出、抗菌機(jī)理及作用模式，得出的結(jié)論主要概括為以下三個(gè)方面： 一、載銀炭氣凝膠的制備及結(jié)構(gòu) 通過(guò)浸漬法和溶膠凝膠法制備了四種具有不同凝膠結(jié)構(gòu)特征和納米銀粒徑分布的塊狀和球形載銀炭氣凝膠。本文對(duì)這四種材料的不同制備原理和工藝條件進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。 通過(guò)浸漬法設(shè)計(jì)制備的異丙醇體系

3、和水體系塊狀載銀炭氣凝膠，具有良好的凝膠結(jié)構(gòu)、納米銀均勻分散、銀粒子尺寸可控的特性。浸漬法工藝簡(jiǎn)單方便，載銀量可控而且含銀量范圍較寬。通過(guò)溶膠凝膠法及常壓干燥技術(shù)制備的塊狀載銀炭氣凝膠，其納米銀尺寸和分布、銀的結(jié)合態(tài)、凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以通過(guò)改變凝膠形成條件來(lái)控制，所制備的材料凝膠結(jié)構(gòu)良好，銀分布均勻。溶膠凝膠法縮短了制備過(guò)程，提高銀的利用率。 通過(guò)浸漬法制備的球形載銀炭氣凝膠，顆粒外表面致密的凝膠膜上鑲嵌著粒徑與內(nèi)部凝膠顆粒相近的

4、炭顆粒。通過(guò)采用間歇式低速攪拌及改變油相組分配比，優(yōu)化了乳液聚合法制備球形有機(jī)凝膠的工藝，所制備的材料凝膠結(jié)構(gòu)良好，銀分布均勻。采用異相沉降法制備的球形載銀炭氣凝膠，載銀量和凝膠顆粒大小均勻可控、表面光滑致密，其比表面積可達(dá)400～500m2/g以上。異相沉降法工藝有望實(shí)現(xiàn)球形凝膠顆粒的簡(jiǎn)便快速制備。 二、載銀炭氣凝膠中納米銀的溶出在上述材料制備與結(jié)構(gòu)表征基礎(chǔ)上，研究了不同結(jié)構(gòu)的載銀炭氣凝膠中納米銀在水中的溶出特性及溶出機(jī)理。總

5、體結(jié)果表明，本文所制備的載銀炭氣凝膠具有較低的銀脫落率和持續(xù)穩(wěn)定的銀溶出特性。 載銀炭氣凝膠中極細(xì)小的原子簇銀和氧化態(tài)Ag+所占比例很小，在水溶液中主要存在納米銀表面的氧化溶解或脫落，在水流沖刷下以Ag0形式脫落的比例較小。通過(guò)研究材料結(jié)構(gòu)及溶出條件與納米銀的溶出特性之間的關(guān)系，提出了納米銀的溶解氧氧化溶出機(jī)理，認(rèn)為溶出的Ag+主要來(lái)自納米銀的氧化溶解，溶解過(guò)程中伴隨OH-的生成，并可能產(chǎn)生O2-及H2O2等活性氧(ROS)中間

6、體。 炭氣凝膠對(duì)Ag+的吸附主要是氧化還原形式的化學(xué)吸附，銀的溶出與炭氣凝膠對(duì)Ag+的吸附之間存在競(jìng)爭(zhēng)平衡。炭氣凝膠本身不直接參與納米銀的氧化溶解，但是對(duì)溶出的Ag+具有還原及吸附作用，間接影響溶液中的Ag+和OH-濃度，并使銀脫落率升高。動(dòng)態(tài)溶出結(jié)果表明載銀炭氣凝膠具有持續(xù)穩(wěn)定的溶出特性，呈現(xiàn)溶解平衡狀態(tài)。 球形載銀炭氣凝膠顆粒外表面致密的凝膠膜起到有效的抗沖刷作用，其銀溶出總量比塊狀載銀炭氣凝膠小，可以有效地降低納米

7、銀的脫落，延長(zhǎng)載銀炭氣凝膠的使用壽命，提高安全性。 三、載銀炭氣凝膠的吸附抗菌性能 在上述納米銀溶出特性研究基礎(chǔ)上，研究了所制備的各種不同結(jié)構(gòu)特征的載銀炭氣凝膠對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的吸附抗菌性能及抗菌機(jī)理。 炭氣凝膠對(duì)細(xì)菌的吸附性能與材料的孔結(jié)構(gòu)和疏松程度，材料的表面性能以及溶液性質(zhì)有關(guān)，與比表面積關(guān)系不大。載銀炭氣凝膠對(duì)細(xì)菌的吸附量隨載銀量的增加而下降，主要是由于材料中溶解的銀離子對(duì)菌體的破壞溶解作用，使

8、溶液中的菌體數(shù)量下降所致。炭氣凝膠對(duì)細(xì)菌的吸附作用增加了細(xì)菌與銀離子接觸的機(jī)會(huì)，使抗菌性能增強(qiáng)，但不是載銀炭氣凝膠具有抗菌活性的根本原因。 載銀炭氣凝膠的抗菌機(jī)理為溶出的Ag+與細(xì)菌接觸式殺菌，無(wú)須與納米銀直接接觸，Ag+使細(xì)菌蛋白質(zhì)凝固，菌體發(fā)生扭曲團(tuán)聚而死亡。納米銀的抗菌活性主要與釋放出的Ag+濃度相關(guān)，細(xì)菌與Ag+的結(jié)合為非可逆過(guò)程，但可以促進(jìn)Ag+的持續(xù)溶出。溶解氧提高抗菌性能的根本原因是促進(jìn)了Ag+的溶出，納米銀溶出過(guò)

9、程中產(chǎn)生的活性氧中問(wèn)體在短時(shí)間內(nèi)促進(jìn)了細(xì)菌的死亡。 球形載銀炭氣凝膠由于較低的銀溶出率，其靜態(tài)抗菌性能比浸漬法制備的塊狀凝膠差，但具有良好的抗菌持久性和安全性。載銀炭氣凝膠的持續(xù)抗菌性能來(lái)源于均勻分散納米銀的牢固負(fù)載及在水中的持續(xù)穩(wěn)定溶出。 本文所制備的載銀炭氣凝膠具有低密度、高比表面積，納米銀均勻分散，及孔徑分布可控的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，具有較低的銀脫落率和持續(xù)穩(wěn)定的銀溶出特性，優(yōu)良的吸附抗菌性能，在飲用水處理工業(yè)中具有良好的應(yīng)