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)計制備了幾種塊狀和球形載銀炭氣凝膠，通過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)測定評價載銀炭氣凝膠中銀的溶出特性；并以大腸桿菌和金黃

2、色葡萄球菌為測試菌種，對材料的吸附抗菌性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。對制備條件、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方面： 一、載銀炭氣凝膠的制備及結(jié)構(gòu) 通過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。 通過浸漬法設(shè)計制備的異丙醇體系

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。浸漬法工藝簡單方便，載銀量可控而且含銀量范圍較寬。通過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)可以通過改變凝膠形成條件來控制，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程，提高銀的利用率。 通過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現(xiàn)球形凝膠顆粒的簡便快速制備。 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?？?/p>

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+主要來自納米銀的氧化溶解，溶解過程中伴隨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Ag+的吸附之間存在競爭平衡。炭氣凝膠本身不直接參與納米銀的氧化溶解，但是對溶出的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。炭氣凝膠對細(xì)菌的吸附作用增加了細(xì)菌與銀離子接觸的機(jī)會，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

9、程中產(chǎn)生的活性氧中問體在短時間內(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)