负载单壁碳纳米管静电纺丝复合纳米纤维膜电化学灭菌研究

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原微生物造成的水污染仍是发展中国家的一个主要公共卫生问题。目前,因灭菌技术的局限性和供水环境的复杂性,仍然有大量的人无法得到安全洁净的饮用水。因此,开发终端(point-of-use,POU)饮用水灭菌新材料和技术具有现实意义。本文采用静电纺丝技术将SWNTs(single-walled carbon nanotube,SWNT)、聚丙烯腈(polyacrylonitrile,PAN)、聚氨酯(polyurethane,TPU)及聚苯胺(polyaniline,PANI)混纺制备了具有高强度、持久灭菌和(生态)毒理学缓解作用的单壁碳纳米管-聚丙烯腈/聚氨酯/聚苯胺(SWNTs-PAN/TPU/PANI,SPTP)复合电纺纳米纤维膜,构建了POU饮用水处理的电化学过滤灭菌系统。采用FTIR、FESEM、TEM、BET和EIS等对SPTP复合膜进行表征,通过静态、过滤、电化学灭菌实验,开展了SPTP复合膜灭菌影响因素及效能研究。通过循环实验、摇瓶实验及膜通量变化测试考察了SPTP复合膜的运行稳定性。SPTP复合直径均匀(~200 nm)、无明显串珠,SWNTs以多种形式嵌入复合表面和纤维中。SWNTs的加入增加了复合膜的机械强度和导电性,SPTP复合膜拉伸强度达3.2MPa,且具有良好的导电性。静态灭菌实验结果显示,PAN/TPU(PT)及PAN/TPU/PANI(PTP)复合膜不具灭菌性能。而在3.0 h内,SPTP膜上的E.coli和S.aureus全部灭活。膜过滤实验结果表明,SPTP复合膜对过滤截留的细菌灭活率不理想,仅能够灭活0.8 log的E.coli和0.6 log的S.aureus。但SPTP复合膜可通过筛分机制彻底去除水中的细菌。电化学过滤实验结果表明,过滤过程中同时施加电压导致截留的细菌被显著灭活。电压、加压时长和SWNTs负载量均与消毒效果呈正相关,且在3.0 V电压下20 min内使5 log的E.coli失活。循环实验、摇瓶实验、TEM实验及膜通量变化测试结果表明,SPTP复合膜具有良好的持续灭菌性能,SPTP装置5次循环实验后对E.coli的灭活率仍达到4.8 log,膜通量的损失仅为10.6%。SPTP复合膜中的SWNTs释放量小于100 ppb。在外加电压1.0 V和2.0 V下,SPTP复合膜过滤器电化学失活与电解质浓度和组成无关,直接氧化是电化学灭菌的主要机制,然而,在外加电压3.0 V下,电解质浓度和组成对电化学失活有直接影响,灭菌效果排序为:100 m M Na Cl>10 Mm Na Cl>10 m M Na2SO4。SPTP电化学灭菌体系中产生的活性氧化物质(ROS)发挥主要灭菌作用,为间接氧化灭活机制。
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