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荷電材料對(duì)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(yán)重威脅著人類健康，因此，對(duì)于水中病毒的去除已經(jīng)迫在眉睫.由于病毒個(gè)體微小，多數(shù)病毒直徑在20~200nm,且種類繁多，性質(zhì)千萬(wàn)差別，所以病毒的分離去除是一項(xiàng)十分艱巨復(fù)雜的任務(wù).目前，對(duì)于水中病毒常用的去除方法主要有化學(xué)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(xué)消毒時(shí)使用的化學(xué)藥劑會(huì)產(chǎn)生對(duì)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(huì)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(dǎo)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(jiǎn)單、使用安全、吸附分離效果好等特點(diǎn)，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(yīng)用價(jià)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(jià)態(tài)的離子成為可能，并且還可以使相對(duì)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(jī)材料。有機(jī)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(jī)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(fù)電材料，由于在自然界中大多數(shù)病毒帶負(fù)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(duì)病毒的去除
2.1有機(jī)荷電材料對(duì)病毒的去除
有機(jī)荷電材料是在成膜的高分子材料中導(dǎo)入像-SO3-M+或-N+R3X-這樣的電離基團(tuán)，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(qiáng)膜本身的抗污染性能。
國(guó)外，MaHongyang等[10]用雙乙烯基和三乙烯基單體對(duì)聚丙烯腈電紡納米纖維表面進(jìn)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(duì)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(duì)大腸桿菌噬菌體MS2的截留率高達(dá)99.99%.
國(guó)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(xué)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(fù)電荷相互吸引作用吸附分離帶負(fù)電的細(xì)菌內(nèi)毒素、病毒等微粒，可用于藥液或水中細(xì)菌內(nèi)毒素的去除以及病毒的分離、濃縮和檢測(cè)。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(jī)微孔濾膜[12-13],實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，其對(duì)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(bào)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(fù)電的微量雜質(zhì)，如細(xì)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(xué)工程等方面有著廣泛的應(yīng)用前景.
雖然有機(jī)膜在膜技術(shù)水處理中首先得到應(yīng)用，制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)單并且比較成熟，而且有韌性、易成型，然而，由于有機(jī)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(qiáng)酸堿等苛刻條件下使用，也因此限制了其在許多領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用.
2.2無機(jī)荷電材料對(duì)病毒的去除
與有機(jī)材料相比，無機(jī)陶瓷材料具有化學(xué)穩(wěn)定性好、耐高溫、耐強(qiáng)酸強(qiáng)堿和有機(jī)溶劑、耐微生物侵蝕、機(jī)械強(qiáng)度高、耐摩擦、易清洗、使用壽命長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此，近年來對(duì)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(jìn)行傳播的病毒表面帶負(fù)電荷，因此，我們的目標(biāo)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(xiàn)報(bào)道，目前國(guó)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(duì)硅藻土進(jìn)行修飾，F(xiàn)arrah等[17]用Al、Fe、Mg和Ca的氧化物對(duì)硅藻土進(jìn)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(shí)研究結(jié)果表明，正電性過濾介質(zhì)對(duì)帶負(fù)電病毒的吸附過程主要是由靜電力引起的[19-20].
國(guó)外，Sobsey等[20]采用荷正電樹脂對(duì)硅藻土表面進(jìn)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(diǎn)，增大了對(duì)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(duì)硅藻土表面進(jìn)行改性，負(fù)載荷正電的納米ZrO2膜層，該荷正電微孔陶瓷膜對(duì)水中病毒具有很強(qiáng)的靜電吸附作用，以大腸桿菌噬菌體MS2為模擬病毒，對(duì)其去除率高達(dá)99.9999%,但是ZrO2膜層與基體結(jié)合強(qiáng)度較差，實(shí)驗(yàn)過程中容易脫落。Wegmann等[23]改用荷正電納米Y2O3對(duì)硅藻土進(jìn)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(duì)大腸桿菌噬菌體MS2去除率可高達(dá)99.99%,然而該多孔陶瓷膜比表面積較小，導(dǎo)致病毒吸附容量較低，因此未能進(jìn)行進(jìn)一步深入研究.
國(guó)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(fù)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(duì)水中的病毒有很好的去除效果，不同孔徑膜對(duì)大腸桿菌噬菌體f2的去除率均可高達(dá)100%,對(duì)細(xì)菌內(nèi)毒素去除率大于99%,依此設(shè)計(jì)生產(chǎn)的單兵凈水器已經(jīng)用于野外應(yīng)急飲水凈化。
3荷電材料具體應(yīng)用形式
荷電材料在實(shí)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(shí)際應(yīng)用。
3.1濾膜吸附
濾膜吸附是利用負(fù)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(fù)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(fù)電荷的病毒，受外界影響因素少，操作簡(jiǎn)單，對(duì)不同質(zhì)量水體中病毒濃縮時(shí)，平均回收率為31.62%~50.12%;常用的負(fù)電荷濾膜有硝酸纖維膜、尼龍膜等，因?yàn)樵谧匀粭l件下，多數(shù)病毒帶負(fù)電，所以用荷負(fù)電濾膜過濾去除水中病毒時(shí)，需在多價(jià)陽(yáng)離子(Al3+、Mg2+等)和低pH(一般為3.5)條件下，這是因?yàn)�，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(jià)陽(yáng)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(yùn)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(jiǎn)單、病毒回收率高等優(yōu)點(diǎn)，美國(guó)環(huán)保局推薦它作為暫定的標(biāo)準(zhǔn)方法，但是這種方法造價(jià)昂貴(約100美元/個(gè))，而且在處理濁度較大的水樣時(shí)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(duì)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(yù)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(diǎn)為pH2~3,而病毒的等電點(diǎn)多在pH4.5~5.5,當(dāng)調(diào)節(jié)水樣pH為3.5左右時(shí)，病毒顆粒表面帶正電，濾料表面帶負(fù)電，由于正負(fù)電荷相互吸引，病毒被吸附在固體顆粒表面，從而達(dá)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(dá)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�；钚蕴垦b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(shí)利用負(fù)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(shí)間。
固體顆粒吸附法的優(yōu)點(diǎn)是：水樣的溫度、體積、pH、濁度及有機(jī)物等對(duì)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(dá)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(yǔ)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(xì)菌、病毒及細(xì)菌內(nèi)毒素等的分離、提取及濃縮.
其中，荷電無機(jī)陶瓷材料由于自身優(yōu)點(diǎn)和其獨(dú)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(guó)內(nèi)外有關(guān)荷正電微孔陶瓷的研究報(bào)道還很少，且主要集中在對(duì)商品化微孔陶瓷表面改性和對(duì)病毒的分離評(píng)價(jià)上，材料制備方法比較單一，對(duì)其明確的材料結(jié)構(gòu)-電性能關(guān)系及病毒分離機(jī)理缺乏深入研究。對(duì)于性能優(yōu)良、價(jià)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(diǎn)，將為病毒的分離、檢測(cè)及去除提供一種新型的功能復(fù)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(xué)等方面會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景.
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