原位构筑银纳米颗粒的抗菌阴离子交换膜及多重抗菌机理研究

Membrane fouling, including inorganic fouling, organic fouling and biofouling, is still the main bottleneck that hinders the further application of membrane. Regarding to how to improve the antibacterial capability of anion exchange membrane (AEM), we intend to construct a significant strategy on multiple antibacterial, which is described as: a hydrophilic functional layer is firstly coated on the surface of commercial AEM to suppress the adhesion of bacterials, followed by in situ immobilizing the antibacterial silver nano-particals on the layer. This strategy allows the modified AEM with superior antibacterial capability. Herein, the effect of functional layer on the modified AEM will be revealed. A special emphasis will be put on the fabrication of relationship between the structure of functional layer and performance of modified AEMs (e.g., ion exchange membrane, area resistance, water uptake, current efficiency and energy consumption of electrodialysis etc.). In particular, antibacterial capability of modified AEMs and the possible multiple antibacterial mechanism will be also investigated. Finally, a complete system consisting of a novel approach, its theoretical fundamentals and technique supports will be provided by this research.

膜污染（包括无机污染、有机污染和生物污染）一直是制约膜的进一步应用的瓶颈之一。针对如何提高阴离子交换膜的抗微生物污染性能这一关键问题，项目拟建立多重抗微生物污染的策略：即首先在离子交换膜表面构建一层亲水性的功能层（御菌），以抵御微生物在离子交换膜表面的粘附，然后在亲水功能层的表面原位生长和负载有效杀灭少量粘附在膜表面的微生物的纳米银颗粒（杀菌）。兼具御菌和杀菌效能的策略可赋予离子膜优异的抗菌性能，为改善离子膜的抗生物污染性能提供简单、有效的解决方法。项目拟研究功能层构筑方法对阴离子交换膜性能的影响；重点阐明新型功能改性层结构对阴离子交换膜的性能（离子交换容量、面电阻、含水率、耐微生物污染、电渗析效率和能耗等）的影响规律；探索功能化改性多重抗菌的可能机理。最后，优选出结构稳定、低电阻、耐微生物污染的阴离子交换膜。从而，为构建面向应用的长周期抗菌型阴离子交换膜的制备提供新方法和基础数据。

仿照贻贝粘附蛋白，在商业阴离子交换膜表面构筑聚多巴胺层（PDA），利用聚多巴胺层上丰富的活性基团，在膜表面原位还原纳米银颗粒，赋予改性膜抗菌性，并通过紫外光促进的迈克尔加成反应在聚多巴胺层上接枝2,5-二氨基苯磺酸增强膜表面负电性，提升改性膜的选择性，得到具有抗菌性和单价选择性的阴离子交换膜，其选择性从原膜的0.59提高到1.42，并对细菌的生长表现出明显的抑制作用，其抗菌环的直径分别达到了10.6 mm和11.3 mm。采用简便的方法制备了N-氯胺功能基团改性的抗菌性阴离子交换膜。以左旋多巴的自聚合所提供的羧基的基础上，通过EDC/NHS反应将对氨基苯磺酸钠接枝到膜表面。由于磺酸基团的引入，制备得到的改性膜（L-PDA@ABS）的表面亲水性提高，负电的功能层在膜表面形成。由于负电功能层的存在，表面带有负电的细菌因静电排斥效应难粘附在膜表面。而且，将改性膜（L-PDA@ABS）浸泡在磷酸缓冲溶液稀释的次氯酸钠溶液中后，膜表面发生的取代反应使接枝过程中形成的酰胺键中的-N-H键转化为-N-Cl键，所引入的N-氯胺抗菌剂赋予膜抗菌性能。通过红外光谱（FTIR）及X射线光电子能谱（XPS）证实上述接枝及取代反应的发生。借助扫描电子显微镜（SEM）及培养基培养等手段，证明制备得到的阴离子交换膜（L-PDA@ABS-Cl）具有优秀的抗大肠杆菌粘附能力以及对大肠杆菌良好的活性抑制能力。优选的出结构稳定、低电阻、耐微生物污染的阴离子交换膜。从而，为构建面向应用的长周期耐污染性离子交换膜制备提供新方法和基础数据。