导　　师： 符若文

学科专业： G0305

授予学位： 博士

作　　者： ;

机构地区： 中山大学

摘　　要： 纳米银负载的炭气凝胶制备、结构及其溶出抗菌性能之间的关系，及其在水净化处理等领域的应用，是一项具有良好应用前景的研究课题。本论文分别采用浸渍法和溶胶凝胶法，设计制备了几种块状和球形载银炭气凝胶，通过x-射线衍射(xrd)、扫描电镜(sem)、透射电镜(tem)、x-射线光电子能谱(xps)及比表面积和孔结构分析(asap)等测试手段表征其结构；采用电位分析法和原子发射光谱法(icp)测定评价载银炭气凝胶中银的溶出特性；并以大肠杆菌和金黄色葡萄球菌为测试菌种，对材料的吸附抗菌性能进行了系统的研究。对制备条件、材料结构进行了优化，并研究了结构与性能之问的关系，探讨了其制备原理和溶出、抗菌机理及作用模式，得出的结论主要概括为以下三个方面： 一、载银炭气凝胶的制备及结构 通过浸渍法和溶胶凝胶法制备了四种具有不同凝胶结构特征和纳米银粒径分布的块状和球形载银炭气凝胶。本文对这四种材料的不同制备原理和工艺条件进行了系统的研究。 通过浸渍法设计制备的异丙醇体系和水体系块状载银炭气凝胶，具有良好的凝胶结构、纳米银均匀分散、银粒子尺寸可控的特性。浸渍法工艺简单方便，载银量可控而且含银量范围较宽。通过溶胶凝胶法及常压干燥技术制备的块状载银炭气凝胶，其纳米银尺寸和分布、银的结合态、凝胶网络结构可以通过改变凝胶形成条件来控制，所制备的材料凝胶结构良好，银分布均匀。溶胶凝胶法缩短了制备过程，提高银的利用率。 通过浸渍法制备的球形载银炭气凝胶，颗粒外表面致密的凝胶膜上镶嵌着粒径与内部凝胶颗粒相近的炭颗粒。通过采用间歇式低速搅拌及改变油相组分配比，优化了乳液聚合法制备球形有机凝胶的工艺，所制备的材料凝胶结构良好，银分布均匀。采用异相沉降法制备的球形载银炭气凝胶，载银量和凝胶颗粒大小均匀可控、表面光滑致密，其比表面积可达400～500m2/g以上。异相沉降法工艺有望实现球形凝胶颗粒的简便快速制备。 二、载银炭气凝胶中纳米银的溶出在上述材料制备与结构表征基础上，研究了不同结构的载银炭气凝胶中纳米银在水中的溶出特性及溶出机理。总体结果表明，本文所制备的载银炭气凝胶具有较低的银脱落率和持续稳定的银溶出特性。 载银炭气凝胶中极细小的原子簇银和氧化态ag+所占比例很小，在水溶液中主要存在纳米银表面的氧化溶解或脱落，在水流冲刷下以ag0形式脱落的比例较小。通过研究材料结构及溶出条件与纳米银的溶出特性之间的关系，提出了纳米银的溶解氧氧化溶出机理，认为溶出的ag+主要来自纳米银的氧化溶解，溶解过程中伴随oh-的生成，并可能产生o2-及h2o2等活性氧(ros)中间体。 炭气凝胶对ag+的吸附主要是氧化还原形式的化学吸附，银的溶出与炭气凝胶对ag+的吸附之间存在竞争平衡。炭气凝胶本身不直接参与纳米银的氧化溶解，但是对溶出的ag+具有还原及吸附作用，间接影响溶液中的ag+和oh-浓度，并使银脱落率升高。动态溶出结果表明载银炭气凝胶具有持续稳定的溶出特性，呈现溶解平衡状态。 球形载银炭气凝胶颗粒外表面致密的凝胶膜起到有效的抗冲刷作用，其银溶出总量比块状载银炭气凝胶小，可以有效地降低纳米银的脱落，延长载银炭气凝胶的使用寿命，提高安全性。 三、载银炭气凝胶的吸附抗菌性能 在上述纳米银溶出特性研究基础上，研究了所制备的各种不同结构特征的载银炭气凝胶对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的吸附抗菌性能及抗菌机理。 炭气凝胶对细菌的吸附性能与材料的孔结构和疏松程度，材料的表面性能以及溶液性质有关，与比表面积关系不大。载银炭气凝胶对细菌的吸附量随载银量的增加而下降，主要是由于材料中溶解的银离子对菌体的破坏溶解作用，使溶液中的菌体数量下降所致。炭气凝胶对细菌的吸附作用增加了细菌与银离子接触的机会，使抗菌性能增强，但不是载银炭气凝胶具有抗菌活性的根本原因。 载银炭气凝胶的抗菌机理为溶出的ag+与细菌接触式杀菌，无须与纳米银直接接触，ag+使细菌蛋白质凝固，菌体发生扭曲团聚而死亡。纳米银的抗菌活性主要与释放出的ag+浓度相关，细菌与ag+的结合为非可逆过程，但可以促进ag+的持续溶出。溶解氧提高抗菌性能的根本原因是促进了ag+的溶出，纳米银溶出过程中产生的活性氧中问体在短时间内促进了细菌的死亡。 球形载银炭气凝胶由于较低的银溶出率，其静态抗菌性能比浸渍法制备的块状凝胶差，但具有良好的抗菌持久性和安全性。载银炭气凝胶的持续抗菌性能来源于均匀分散纳米银的牢固负载及在水中的持续稳定溶出。 本文所制备的载银炭气凝胶具有低密度、高比表面积，纳米银均匀分散，及孔径分布可控的结构特点，具有较低的银脱落率和持续稳定的银溶出特性，优良的吸附抗菌性能，在饮用水处理工业中具有良好的应用前景。

关 键 词： 炭气凝胶 纳米银 制备工艺 抗菌活性

分 类 号： [O648.17]

领　　域： [理学] [理学]