纳米银修饰型超滤膜抗生物污染性能强化及机理研究.pdfVIP

摘要

水源水微生物污染，是影响饮用水供水安全的重要问题。超滤可有效截留

水中的细菌、病毒等致病微生物，是保障饮用水生物安全性的首选技术之一。

然而，超滤在去除水中微生物的同时，截留在膜表面的微生物又会引起严重的

生物膜污染，导致超滤产水能力下降和运维工作量增加。纳米银（AgNPs）超滤

膜的研发为控制生物膜污染提供了创新性解决思路，然而如何获得分离性能及

抗生物污染性能同步提升、AgNPs均匀分布且长期稳定的AgNPs超滤膜仍是一

个巨大的挑战。因此，在本研究提出了两种AgNPs修饰型超滤膜制备方法，考

察了膜表面微观结构和理化特性，探究了其去除污染物效能、膜污染特性和抗

菌性能，并解析了改性膜的抗生物污染机制。

采用AgNPs预合成耦合超声分散的方式制备了低负载量AgNPs掺杂型超

滤膜，并获得了最佳的药剂投加配比，显著提高了相转化过程中溶剂与非溶剂

之间的交换速率，促进大孔指状结构的形成。相比于对照膜，优化合成的AgNPs

掺杂型超滤膜的渗透通量（372.71Lm-2h-1bar-1）提高了40.3%，对牛血清蛋

白的截留率高达90%以上，对大肠杆菌及金黄色葡萄球菌的抗菌率分别提升至

98.8±0.3%、98.4±0.4%，同步提升了超滤膜的渗透性能和抗菌性能。

为进一步缓解AgNPs在超滤膜制备过程中的团聚问题及提高超滤膜性能，

提出了基于柠檬酸钠在铸膜液原位还原合成AgNPs制备抗菌超滤膜的新方法，

构建了新型原位合成AgNPs超滤膜；该方法制备的超滤膜中的AgNPs均匀分

散，使其性能得以充分发挥，显著提升了膜孔隙率，具有平滑的表面和优异的

亲水性能（接触角由69.4°下降到54.2°），纯水通量高达421.7Lm-2h-1bar-1，

牛血清蛋白截留率提升至96.6%，突破了渗透性能及截留性能的相互制约关系，

同时抗生物污染性能显著提升（抗菌率可达99.99%以上）。

为探究在实际水体复杂背景下AgNPs超滤膜的过滤效能和抗菌性能，利用

其处理了松花江水，结果表明，AgNPs超滤膜对水中的悬浮物、微生物和天然

有机物等污染物具有较佳的去除效果，浊度去除率大于99%，UV254去除率高达

30%；同时增强了其抗污染性能，改性膜的不可逆膜污染显著低于对照膜。结合

滤后膜面及菌落形态分析，发现AgNPs超滤膜缓解生物膜污染的主要路径为抑

制细菌在膜面粘附和沉积，阻控膜表面生物污染层的形成，且伴生一定的细菌

灭活作用。相比于AgNPs掺杂型超滤膜，原位合成AgNPs超滤膜中银稳定性

更佳，经长期浸泡后银的浸出率低于3%（降低了64.90%），且对大肠杆菌和金

黄色葡萄球菌的灭活率仍可维持在80.08%和76.73%（分别提高了39.78%和

40.66%），表明原位合成AgNPs超滤膜具有更稳定的长期抗菌性能。

本文明确了不同制备方式对AgNPs超滤膜性能的影响规律，提出了利用柠

檬酸钠在铸膜液原位合成AgNPs制备复合超滤膜的新方法，有效缓解了AgNPs

的团聚性并降低了银浸出速率，同时解析了AgNPs超滤膜抗生物污染机制，为

超滤技术的发展和应用提供理论与技术支持。

关键词：超滤；生物膜污染；纳米银；原位合成；地表水

Abstract

Microbialcontaminationofsourcewaterisanimportantissueaffectingthe

safetyofdrinkingwatersupply.Ultrafiltrationcaneffectivelyremovepathogenic

microorganismssuchasbacteriaandvirusesinwater,andisoneofthepreferred

technologiestoensurethebiologicalsafetyofdrinkingwater.However,