季铵盐和卤胺聚合物改性活性炭的制备及其应用

摘要

活性炭(AC)是一种具有特殊微晶结构的多空碳，它具有巨大的比表面积、发达的空隙结构，被广泛应用于污水处理，但是活性炭在水处理的过程中富集有机物后，会成为细菌和微生物繁殖的温床，造成处理水的二次污染，因此通过改性活性炭赋予其抗菌性能是目前活性炭改性的重要研究方向。本文首次通过原位聚合的方式将3-（三甲氧基硅烷基）丙基十六烷基二甲基氯化铵和3-(5，5-二甲基海因)丙基三乙氧基硅烷的聚合物固载到活性炭表面，制备了两种改性活性炭。
　　 首先，制备了聚硅氧烷季铵盐改性活性炭(AAC)，并通过XPS、SEM、Zeta电位和BET对其进行表征。结果表明改性后活性炭表面电位由-33.4 mV移动到+43.8 mV，其比表面积的变化与盐酸的加入和活性炭所固载的聚硅氧烷季铵盐的量有关。改性后活性炭的碘吸附值由508.4 mg/g增加到543.9 mg/g，亚甲基蓝的吸附值由46.3 mg/g大幅度增加到650.4 mg/g。通过研究活性炭改性前后对苯酚和重铬酸根的吸附性能，发现活性炭改性后对苯酚的吸附能力没有降低，而对重铬酸根的吸附能力则有了大幅提高，在20.00 mL重铬酸钾溶液中(含100.00 mg/LCr6+)，投加0.80 g活性炭或改性活性炭，活性炭对重铬酸根的去除率为19％，而改性活性炭对重铬酸根的去除率为99％。对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌性能的研究则表明，改性后活性炭具有良好的杀菌性能，杀菌率随着聚硅氧烷季铵盐固载量的增加而增加。在流动水中稳定性实验则表明虽然改性活性炭在初始阶段会流失一些季铵盐，但在96 h后活性炭固载的季铵盐的含量稳定在0.55×10-4 mol/g，这表明改性活性炭具有良好的稳定性。实验表明在赋予活性炭杀菌能力的情况下，固载聚硅氧烷季铵盐提高了活性炭对特定污染物的吸附性能，且具有良好的稳定性。
　　 其次，制备了聚硅氧烷海因改性活性炭，改性活性炭经过氯化后获得最终聚硅氧烷卤胺抗菌活性炭(MAC)，并通过XPS、SEM和BET对其进行表征。研究结果表明3-(5，5-二甲基海因)丙基三乙氧基硅烷在酸性条件下很容易水解和聚合并固载到活性炭表面。抗菌结果表明，聚硅氧烷卤胺改性活性炭具有非常好的杀菌性能，可以在10 min内杀死75.00mL浓度为1×107 CFU/mL的大肠杆菌和浓度为1×106 CFU/mL金黄色葡萄球菌。在空气中的稳定性实验结果则表明:活性炭吸附的次氯酸根在室温下放置6天后就完全分解，而活性炭上固载的卤胺官能团在室温下稳定性良好，放置21天后其氧化态氯含量仅下降0.01％（由0.38％降为0.37％）。实验结果表明，卤胺抗菌活性炭具有良好的抗菌性能，且稳定性良好。

目录

摘要

第一章 综述

1．1 我国水资源现状

1．2 活性炭概述

1．3 活性炭在水处理中的应用

1．4 活性炭改性的研究现状及改性方法背景

1．4．1 活化改性法

1．4．2 固载改性剂改性法

1．5 抗菌材料的研究背景

1．6 活性炭抗菌材料研究背景

1．7 本论文的研究内容、目的、意义和创新性

第二章 季铵盐聚合物改性活性炭的制备、表征和性能研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 试剂及仪器

2．2．2 3-(三甲氧基硅烷基)丙基十六烷基二甲基氯化铵的合成

2．2．3 原位聚合制备聚硅氧烷季铵盐改性活性炭

2．2．4 聚硅氧烷季铵盐改性活性炭(AAC)亚甲基蓝吸附值的测定

2．2．5 聚硅氧烷季铵盐改性活性炭(AAC)碘吸附值的测定

2．2．6 聚硅氧烷季铵盐改性活性炭(AAC)吸附水中苯酚的研究

2．2．7 聚硅氧烷季铵盐改性活性炭(AAC)吸附水中重铬酸根的研究

2．2．8 聚硅氧烷季铵盐改性活性炭(AAC)在流动水中稳定性的研究

2．2．9 聚硅氧烷季铵盐改性活性炭(AAC)抗菌性能评价

2．3 结果与讨论

2．3．1 原位聚合法制备聚硅氧烷季铵盐改性活性炭工艺条件分析

2．3．2 X-射线光电子能谱分析(XPS)

2．3．3 Zeta电位分析

2．3．4 扫描电镜分析(SEM)

2．3．5 比表面积和孔容积分析

2．3．6 聚硅氧烷季铵盐改性活性炭亚甲基蓝吸附值分析

2．3．7 聚硅氧烷季铵盐改性活性炭碘吸附值分析

2．3．8 聚硅氧烷季铵盐改性活性炭吸附苯酚分析

2．3．9 聚硅氧烷季铵盐改性活性炭吸附重铬酸根分析

2．3．10 聚硅氧烷季铵盐改性活性炭的抗菌功效

2．3．11 聚硅氧烷季铵盐改性活性炭在流动水中稳定性分析

2．3．12 聚硅氧烷季铵盐改性活性炭在流动水中稳定性试验后抗菌性能分析

2．4 本章小结

第三章 卤胺聚合物改性活性炭的制备、表征及抗菌性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 试剂及仪器

3．2．2 3-(5，5-二甲基海因)丙基三乙氧基硅烷(BA1)的合成

3．2．3 3-(5，5-二甲基海因)丙基三乙氧基硅烷原位聚合制备改性活性炭

3．2．4 聚硅氧烷海因改性活性炭(MAC)的氯化反应

3．2．5 聚硅氧烷卤胺改性活性炭(MAC)上氧化态氯含量的测定

3．2．6 聚硅氧烷卤胺改性活性炭抗菌性能测试

3．2．7 聚硅氧烷卤胺改性活性炭在空气中稳定性实验

3．3 结果与讨论

3．3．1 硅氧烷海因(BA1)原位聚合制备聚硅氧烷卤胺改性活性炭反应条件分析

3．3．2 X-射线光电子能谱分析(XPS)

3．3．3 场发射扫描电镜分析(FE-SEM)

3．3．4 比表面积和孔容积分析

3．3．5 聚硅氧烷海因改性活性炭的氯化反应时间对其氧化态氯含量及氧化态氯稳定性的影响分析

3．3．6 聚硅氧烷卤胺改性活性炭抗菌功效分析

3．4 本章小结

第四章 本文小结

致谢

参考文献

硕士期间主要研究成果

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