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荷電材料對水中病毒的分離與去除作用
荷電材料是指在材料表面或本體中存在固定電荷的一類新型功能材料，下面是小編搜集整理的一篇關(guān)于荷電材料探討的論文范文，供大家閱讀參考。
前言
近年來，由于水污染加重，在多種水體中均已發(fā)現(xiàn)致病病毒，致病病毒已經(jīng)成為目前人類生存面臨的最大潛在威脅之一.水中常見病毒有肝炎病毒、腺病毒、輪狀病毒、柯薩奇病毒等，雖然水中病毒含量很低，但即使很少量的病毒顆粒亦可致病，給人類健康造成了極大危害.由病毒污染引起的水源性疾病正在增多，已經(jīng)引起了人們的廣泛關(guān)注。
水中病毒的存在嚴重威脅著人類健康，因此，對于水中病毒的去除已經(jīng)迫在眉睫.由于病毒個體微小，多數(shù)病毒直徑在20~200nm,且種類繁多，性質(zhì)千萬差別，所以病毒的分離去除是一項十分艱巨復雜的任務.目前，對于水中病毒常用的去除方法主要有化學消毒、紫外線輻射、物理篩分截留等。但是這些方法都各自存在不足之處，例如，化學消毒時使用的化學藥劑會產(chǎn)生對人體有害的消毒副產(chǎn)物;經(jīng)紫外線處理后的水在管道輸送過程中可能會發(fā)生二次污染;而依據(jù)物理篩分截留原理的反滲透技術(shù)由于需要較大的操作壓力，導致使用成本較高[1-4].然而，由于病毒是帶電微粒，通過荷電材料的靜電吸附作用分離病毒具有工藝簡單、使用安全、吸附分離效果好等特點，因此荷電材料作為一種新型的病毒分離及去除材料，具有良好的應用價值[5-6].
1荷電材料概述
1.1荷電材料的基本性能
荷電材料最基本的性能就是帶電性.荷電材料與中性材料相比，由于其特有的靜電吸附或排斥作用，這就使得分離不同價態(tài)的離子成為可能，并且還可以使相對分子質(zhì)量相近而帶電性不同的組分得以分離[7].
1.2荷電材料的分類
根據(jù)材料組成不同，荷電材料可分為高分子材料和無機材料。有機高分子材料主要有醋酸纖維素(CA)、聚砜(PSF)、磺化聚砜(SPS)、聚醚砜(PES)、聚丙烯腈(PAN)等;而無機材料主要是陶瓷材料.根據(jù)所帶固定電荷的電性不同，荷電材料可分為荷正電材料與荷負電材料，由于在自然界中大多數(shù)病毒帶負電[8-9],因此用于病毒分離的荷電材料主要為荷正電材料.
2荷電材料對病毒的去除
2.1有機荷電材料對病毒的去除
有機荷電材料是在成膜的高分子材料中導入像-SO3-M+或-N+R3X-這樣的電離基團，常用的荷電劑多為含季胺基的高分子聚合物，如聚乙烯吡啶、聚酰胺-亞酰胺、聚乙烯亞胺-表氯醇等，通過浸涂法、相轉(zhuǎn)化法等工藝制成荷電微孔濾膜、荷電超濾膜、荷電納濾膜、荷電反滲透膜等，主要用于溶液中病毒的分離、濃縮及增強膜本身的抗污染性能。
國外，MaHongyang等[10]用雙乙烯基和三乙烯基單體對聚丙烯腈電紡納米纖維表面進行改性，使其表面帶正電荷.這種新型荷正電的納米纖維微濾膜，與商業(yè)化微孔濾膜(對大腸桿菌噬菌體MS2的截留率為90%)相比較，不僅膜滲透通量增大了2~3倍、降低了操作壓力，而且對大腸桿菌噬菌體MS2的截留率高達99.99%.
國內(nèi)，朱孟府等[14]以植物纖維為原料，以殼聚糖為荷電劑，經(jīng)化學改性研制出帶正電的荷電濾板，它除了具有澄清、除菌功能外，還可以通過正負電荷相互吸引作用吸附分離帶負電的細菌內(nèi)毒素、病毒等微粒，可用于藥液或水中細菌內(nèi)毒素的去除以及病毒的分離、濃縮和檢測。朱孟府等采用浸涂工藝，以殼聚糖為荷電劑，制備出表面荷正電的有機微孔濾膜[12-13],實驗結(jié)果表明，其對大腸桿菌噬菌體f2有良好的去除效果，去除率大于99.99%.龔承元等[14]
報道一種以聚酰胺和天然多糖經(jīng)相轉(zhuǎn)化法制備的荷電微孔濾膜，該膜表面帶正電荷，可以去除溶液中帶負電的微量雜質(zhì)，如細菌內(nèi)毒素、病毒、色素等，它屬于一種新型過濾介質(zhì)，在醫(yī)藥、純水制備以及生物醫(yī)學工程等方面有著廣泛的應用前景.
雖然有機膜在膜技術(shù)水處理中首先得到應用，制備工藝相對簡單并且比較成熟，而且有韌性、易成型，然而，由于有機膜材料自身存在的一些難以克服的問題，如熱穩(wěn)定性差、不耐高溫、抗腐蝕性差、使用壽命短、污染后不易清洗、再生困難等，使其不能在高溫、強酸堿等苛刻條件下使用，也因此限制了其在許多領域的進一步應用.
2.2無機荷電材料對病毒的去除
與有機材料相比，無機陶瓷材料具有化學穩(wěn)定性好、耐高溫、耐強酸強堿和有機溶劑、耐微生物侵蝕、機械強度高、耐摩擦、易清洗、使用壽命長等諸多優(yōu)點，因此，近年來對荷電微孔陶瓷材料的研究逐漸引起了人們的關(guān)注.由于可通過水進行傳播的病毒表面帶負電荷，因此，我們的目標是在盡量寬的pH范圍內(nèi)研究開發(fā)一種表面帶正電荷的多孔過濾介質(zhì).根據(jù)文獻報道，目前國內(nèi)外已有許多研究人員開展了陶瓷表面改性研究。Brown等[15-16]用聚合高分子電解質(zhì)對硅藻土進行修飾，F(xiàn)arrah等[17]用Al、Fe、Mg和Ca的氧化物對硅藻土進行改性，Lau等[18]將無煙煤顆粒和活性炭顆粒表面涂覆一層納米Al2O3膜，通過這些方法均獲得了表面具有正電性的過濾介質(zhì)，同時研究結(jié)果表明，正電性過濾介質(zhì)對帶負電病毒的吸附過程主要是由靜電力引起的[19-20].
國外，Sobsey等[20]采用荷正電樹脂對硅藻土表面進行改性，制得的荷正電微孔膜可用于脊髓灰質(zhì)炎病毒的濃縮.Lau等[21]在活性碳顆粒表面制備納米多孔Al2O3涂層，提高了材料表面的等電點，增大了對大腸桿菌噬菌體MS2的去除率.近年來，Wegmann等[22]采用浸漬-燒結(jié)工藝對硅藻土表面進行改性，負載荷正電的納米ZrO2膜層，該荷正電微孔陶瓷膜對水中病毒具有很強的靜電吸附作用，以大腸桿菌噬菌體MS2為模擬病毒，對其去除率高達99.9999%,但是ZrO2膜層與基體結(jié)合強度較差，實驗過程中容易脫落。Wegmann等[23]改用荷正電納米Y2O3對硅藻土進行表面改性，制得的荷正電多孔陶瓷膜在pH5~9內(nèi)，通過靜電吸附作用對大腸桿菌噬菌體MS2去除率可高達99.99%,然而該多孔陶瓷膜比表面積較小，導致病毒吸附容量較低，因此未能進行進一步深入研究.
國內(nèi)，朱孟府等[24]以MgO和Y2O3為荷電劑，通過浸漬-燒結(jié)工藝制備出荷正電微孔陶瓷膜，可通過孔徑篩分截留和正負電荷相互吸引作用吸附分離水中污染物，研究結(jié)果顯示，荷正電微孔陶瓷膜對水中的病毒有很好的去除效果，不同孔徑膜對大腸桿菌噬菌體f2的去除率均可高達100%,對細菌內(nèi)毒素去除率大于99%,依此設計生產(chǎn)的單兵凈水器已經(jīng)用于野外應急飲水凈化。
3荷電材料具體應用形式
荷電材料在實際使用過程中可以根據(jù)需要做成不同的形狀，如濾膜/濾板、固體顆粒、中空纖維等，其中最常用的形式為濾膜和固體顆粒，以下主要介紹了這2種介質(zhì)在去除水中病毒中的實際應用。
3.1濾膜吸附
濾膜吸附是利用負載電荷的濾膜吸附水樣中帶相反電荷的病毒微粒。濾膜種類很多[25],商品化濾膜多是用聚合材料制成的，根據(jù)所帶電荷不同，濾膜可分為正電荷濾膜和負電荷濾膜2種。納米鋁濾膜是常用的正電荷濾膜，它可以直接吸附水中帶負電荷的病毒，受外界影響因素少，操作簡單，對不同質(zhì)量水體中病毒濃縮時，平均回收率為31.62%~50.12%;常用的負電荷濾膜有硝酸纖維膜、尼龍膜等，因為在自然條件下，多數(shù)病毒帶負電，所以用荷負電濾膜過濾去除水中病毒時，需在多價陽離子(Al3+、Mg2+等)和低pH(一般為3.5)條件下，這是因為，在低pH條件下病毒表面帶正電荷，從而將病毒吸附去除，而多價陽離子可以降低病毒與濾膜之間的疏水作用[29].
Haramoto等[27-28]利用正電荷濾膜富集地表水、飲用水及海水中的各種腸道病毒，回收率高且運行穩(wěn)定.Fuhrman等[29]利用醋酸纖維素/硝酸纖維膜(HA)從淡水中濃集腸道病毒，回收率為51%,而從海水中的回收率為23%.基于濾膜吸附-洗脫法發(fā)展起來的荷正電多褶濾筒，具有操作簡單、病毒回收率高等優(yōu)點，美國環(huán)保局推薦它作為暫定的標準方法，但是這種方法造價昂貴(約100美元/個)，而且在處理濁度較大的水樣時容易產(chǎn)生堵塞[30].
濾膜吸附法適用于處理較潔凈的大體積水樣(如飲用水、地表水、海水等)，對于含有較多雜質(zhì)的水樣(如工業(yè)廢水、生活污水等)，雖然可以經(jīng)過預處理去除較大的懸浮顆粒，但濾孔仍易被較小雜質(zhì)堵塞.
3.2固體顆粒吸附
固體顆粒吸附是利用帶電荷濾料吸附病毒微粒，目前常用的固體顆粒濾料有硅膠、硅藻土、玻璃粉/玻璃絨、活性炭等，以及其它基于以上成分的改性濾料.這些濾料具有較大的比表面積，等電點為pH2~3,而病毒的等電點多在pH4.5~5.5,當調(diào)節(jié)水樣pH為3.5左右時，病毒顆粒表面帶正電，濾料表面帶負電，由于正負電荷相互吸引，病毒被吸附在固體顆粒表面，從而達到去除效果。
Li等[31]利用正電荷濾料濃縮水中大腸桿菌噬菌體，平均回收率達85%,且回收率較穩(wěn)定;從小體積飲用水樣品(0.2~1.5L)和大體積飲用水樣品(30~100L)中濃集脊髓灰質(zhì)炎病毒，回收率分別為96%和88.7%.Jothokumar等[32]用顆粒活性炭裝柱過濾大量飲用水，再用尿素-精氨酸-磷酸鹽緩沖液洗提，同時利用負電荷濾膜過濾、相同緩沖液洗脫濃縮，2種過濾-洗脫方法的平均回收率分別為80.21%和74.23%,但用顆�；钚蕴窟^濾100L水樣只需2h,而用濾膜過濾卻需將近10h,由此可見，固體顆粒過濾大大縮短了水樣處理時間。
固體顆粒吸附法的優(yōu)點是：水樣的溫度、體積、pH、濁度及有機物等對去除率的影響不大，并且不需要昂貴的儀器，不僅適用于較潔凈的水樣，還適用于濁度大、容易堵塞濾膜的污水水樣，處理水樣體積大，可達數(shù)十升甚至上百升，而且成本比較低，有望成為一種頗具發(fā)展前景的水處理方法。
4結(jié)語與展望
荷電材料具有優(yōu)異的靜電吸附或排斥作用，可用于水及水溶液中細菌、病毒及細菌內(nèi)毒素等的分離、提取及濃縮.
其中，荷電無機陶瓷材料由于自身優(yōu)點和其獨特的分離特性，吸附去除水中的病毒所需成本低，分離效果好，且沒有副產(chǎn)物生成.然而，目前國內(nèi)外有關(guān)荷正電微孔陶瓷的研究報道還很少，且主要集中在對商品化微孔陶瓷表面改性和對病毒的分離評價上，材料制備方法比較單一，對其明確的材料結(jié)構(gòu)-電性能關(guān)系及病毒分離機理缺乏深入研究。對于性能優(yōu)良、價格低廉的荷電微孔陶瓷膜制備方法的研究將成為今后研究的熱點，將為病毒的分離、檢測及去除提供一種新型的功能復合陶瓷材料，相信未來在水處理、醫(yī)藥品生產(chǎn)、生物工程以及軍事醫(yī)學等方面會有廣闊的應用前景.
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