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过滤除菌用净化材料的研究与应用


□ 任 峰 刘太奇

  (北京石油化工学院环境材料研究中心,北京102617)
  摘要:综述了过滤除菌用净化材料的研究与应用进展情况,介绍了目前用于过滤除茵的各种净化材料以及制备新型过滤材料的新工艺。还探讨了过滤除茵的机理,概述了细菌净化材料在空气净化、生产纯净水以及在食品行业、医疗行业等方面的应用。
  关键词:过滤材料;细菌;纳米材料
  中图分类号:TQ 326.55 文献标识码:A
  文章编号:0367-6358(2007)02-121-04
  过滤是利用介质将悬浮液体或气体中的固体物质截留,而液体或气体则穿过介质被澄清或净化。人们在生产、生活中利用过滤技术已有几千年的历史了,用过滤材料滤除病毒、细菌是近几十年来伴随着新型材料的发展而兴起的新方向,也是近年来的研究热点,随着人们的环保意识日益增强,对生活品质的要求日益提高,过滤除菌用净化材料也得到了快速发展和广泛应用。
  
  1 过滤除菌用净化材料
  
  过滤细菌用净化材料包括无机物和有机高聚物,无机物用于制备过滤除菌材料的时间比较早,在1915年,硅藻土过滤技术就被应用于小型水处理装置,二战期间美军应用此项技术过滤水中杂质和病菌来作为战地生活饮用水。由无机材料如金属、金属氧化物、陶瓷、玻璃纤维、石棉、沸石、硅藻土等制成的孔径在微米或纳米级的过滤材料,具有结构稳定,耐高温高压、耐酸碱、耐有机溶剂、抗微生物侵蚀、不老化、寿命长、化学稳定性和机械强度大、孔径均一,易于进行化学清洗等特点。
  有机高聚物制备膜过滤材料被认为是21世纪最有发展前途的高科技之一。常用的高分子膜材料有纤维素类、聚砜类、聚丙烯腈(PAN)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚醚酮(PEK)、聚酰亚胺(PI)等工程高分子材料。高分子纳米滤膜(Nanofihration Membrane)是近年国际上发展较快的膜品种之一,该类膜对相对分子质量在300以上的有机物的截留率较高,对细菌、病毒的过滤效果较好。Cooper等人实验证明利用反渗透(RO)处理,不需任何其它辅助设施便能有效去除病毒。
  随着科技进步,人们通过对传统过滤材料添加抗微生物制剂进行改性或者开发新型生产工艺,制造出不但能够过滤细菌,而且具有抗菌效果的新型抗菌过滤材料,能够有效抵抗微生物侵蚀,除菌效果也更好。表1列举了几种新型的抗微生物过滤材料。
  改性聚合物纤维过滤材料常用的是聚丙烯、聚乙烯和聚酯等生产的熔喷非织造过滤材料,添加的抗微生物制剂种类繁多,因为重金属离子、咪唑类和部分含卤素化合物都有不同程度的毒性,目前已经很少使用,低毒、高效、广谱的抗微生物制剂如胍盐、银型沸石以及天然抗菌制剂等得到了广泛应用。
  
  2 过滤除菌机理研究
  
  2.1过滤机理
  细菌直径一般在0.1微米到十几微米之间,而病毒更细小,一般在十几纳米到几百纳米之间,对于如此细小的颗粒,研究过滤除菌机理具有重要意义,人们通过研究发现各种过滤净化材料主要通过机械筛滤和吸附截留作用起到过滤效果。
  机械筛滤:过滤净化材料的孔隙形成筛网,使比孔径大或与其相当的微生物颗粒被截留在表面,同时随着过滤的进行在表面形成滤饼并且逐渐加厚。机械筛滤作用主要发生在过滤材料表面,与孔径的大小密切相关,许多尺寸较大的微生物都主要通过这种作用去除的。例如利用醋酸纤维素制成的0.45μm孔径的膜材料可以有效去除直径在微米级的细菌,而用0.22μm的微孔滤膜则可以滤掉部分病毒、热原体。
  吸附截留:吸附截留作用涉及在滤材内部基质中的吸附沉积,微生物颗粒进入过滤净化材料内部时受到物理化学作用和静电引力,使它们沉积在滤材孔侧壁或内部基质上,但不会形成滤饼。吸附截留作用主要发生在滤材内部,并与微生物颗粒物理化学性能、过滤材料性质和组成有关,许多尺寸较小的微生物(大部分病毒)都主要是通过这种作用去除的。
  所谓驻极体是指具有长期储存电荷功能的电介质材料,驻极体空气过滤材料主要是通过荷电纤维的静电吸附达到高效过滤效率。在驻极体空气过滤材料中纤维间隙尺寸一般大于细菌、粉尘的尺寸,而过滤效果却丝毫不比机械空气过滤材料逊色,这是由于极化的纤维通常带有几百甚至于千伏电压,纤维间隙的电场可达每米几十兆伏甚至更高,荷电纤维的静电力不仅能够有效地吸附带电粉尘,未带电的中性微粒也能被强电场极化而最终被捕获,所以驻极体空气过材料在获得高效的过滤效率的同时,过滤压力降却很低。静电吸附作用与滤材和微生物体上所带的电荷有关,大多数革兰阳性菌的细胞壁含有磷壁酸,使细胞壁带负电荷,如果过滤材料具有与微生物体相反的电性,会大大提高过滤效率。
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