原位植入纳米颗粒改性超滤膜及其抗生物污染机理研究

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1、原位植入纳米颗粒改性超滤膜及其抗生物污染机理研究(申请清华大学工学硕士学位论文)培养单位：环境学院学科：环境科学与工程研究生：黄小川指导教师：王小亻毛副教授二○一七年六月ModificationandAnti-biofoulingMechanismsofUltrafiltrationMembranesWithNanoparticlesBytheIn-situEmbedmentApproachThesisSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofMasterofS

2、cienceinEnvironmentalScienceandEngineeringbyHuangXiaochuanThesisSupervisor:AssociateProfessorWangXiaomaoJune,2017摘要摘要生物污染是限制超滤膜进一步广泛应用的主要问题。原位植入法作为一种表面改性方法，可将纳米颗粒植入到膜表面并有效提高膜的抗生物污染性能。然而其适用性受到纳米颗粒性质的影响，而且膜抗生物污染性能提高的机理尚不清晰。因此，本研究通过对原位植入法进行优化，制备了具有不同覆盖率的纳米氧化铝和纳米二氧化钛改性超滤膜，通过纯水通量、接触角、粗糙度测试以及抑菌实验

3、和细菌粘附实验等，对不同纳米颗粒改性膜的基本性能和抗生物粘附性进行评价。通过原子力显微镜对细菌和不同膜之间的粘附力进行测试，并结合细菌粘附和膜的基本性质之间的关系，最终揭示纳米颗粒植入后膜抗粘附性提高的机理。调节pH为4的原位植入法可以有效地植入二氧化钛纳米颗粒。通过改变凝固浴中纳米颗粒的浓度，分别制备了覆盖率为6.7%、13.7%、36.8%和41.0%的氧化铝改性超滤膜，以及覆盖率为12.3%、17.0%、22.4%和27.7%的二氧化钛改性超滤膜。氧化铝颗粒的植入能够降低膜阻力，提高亲水性。相对于普通超滤膜，不同覆盖率的氧化铝改性膜的膜阻分别下降了44.6%、47.4%

4、、49.0%和77.8%，接触角从70.8°降为68.2°、68.5°、65.3°和59.5°。二氧化钛颗粒的植入使膜阻力增加，而亲水性有一定提高。不同覆盖率的二氧化钛改性膜的膜阻相对于普通超滤膜分别上升了16.7%、74.9%、17.5%和20.7%，接触角为69.3°、74.1°、71.7°及66.2°。纳米颗粒不具备抑菌性能，但是纳米颗粒的植入大幅提高了膜的抗粘附性能。不同覆盖率的氧化铝改性膜的细菌粘附相对于普通超滤膜分别减少了44.3%、85.6%、91.4%和94.9%，而二氧化钛改性膜表面细菌粘附分别减少了65.7%、78.1%、93.0%和92.3%。根据粘附力

5、测试结果，在PBS溶液中，铜绿假单胞菌和普通超滤膜的粘附力为22.5nN，和不同覆盖率的氧化铝改性膜的粘附力分别是12.9、13.2、7.7和5.7nN；铜绿假单胞菌和不同覆盖率的二氧化钛改性膜的粘附力分别是17.9、3.13、2.32和4.20nN。随着纳米颗粒覆盖率的提高，铜绿假单胞菌在不同膜表面的粘附比与细菌和膜之间的粘附力呈现显著的正相关关系，因此是纳米颗粒植入后膜的抗生物粘附性能增强的原因之一。关键词：膜改性；纳米颗粒；原位植入法；生物污染；抗粘附IAbstractAbstractMembranebiofoulingisthekeyissuethatlimitsth

6、ebroaderapplicationofultrafiltrationinwaterandwastewatertreatment.Byin-situembedmentapproach,membranessurface-modifiedwithnanoparticlesshowedagreatimprovementinanti-adhesionperformance.Tofurtherstudytheanti-adhesionmechanismsofdifferentnanoparticles,thein-situembedmentmethodwereoptimized,an

7、dnano-aluminaandnano-titaniaembeddedultrafiltrationmembraneswithdifferentcoverageratioswereprepared.Thebasicpropertiesandanti-adhesionperformanceofmembraneswereevaluatedbyroughnesstest,filtrationtest,contactanglemeasurement,bacteriuminactivationtestandba