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壳聚糖、碘的抗菌性能及其在活性炭纤维抑菌处理中的应用

作　者: 董德荣
导　师: 龚泰石
学　校: 中国人民解放军军事医学科学院
专　业: 生物医学工程
关键词: 活性炭纤维抑菌碘壳聚糖
分类号: R318.08
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

壳聚糖（Chitosan）是甲壳素（Chitin）脱乙酰基的产物，目前主要从虾、蟹等甲壳动物中提取，无毒，可生物降解，具有良好的生物相容性，已在现代工业、农业、医学等领域发挥着重要的作用，同时壳聚糖也有着天然、广谱的抗菌性能，对多种细菌、霉菌具有杀灭作用。碘（Iodine）是卤族元素的一种，单质碘为紫黑色晶体，碘是常用的消毒灭菌剂，可制成碘伏、聚碘树脂等多种抗菌材料。活性炭（AC）自从诞生以来，在诸多领域发挥着重要作用，活性炭纤维（ACF）是继粉末活性炭、颗粒活性炭之后的第三代活性炭材料，具有比表面积大、吸脱附速度快、微孔结构发达、可再生、安全性能好等特点。活性炭纤维由于有着良好的吸附性能，常常被应用于微污染水的净化，去除水中的泥沙、有机物、金属离子等杂质，但活性炭纤维良好的吸附性与生物相容性、丰富的微孔结构、巨大的比表面积，加上其处理微污染水时形成的湿润环境，造成了活性炭纤维上细菌、霉菌等微生物的滋生和繁殖，这些微生物的生长导致了水中细菌总数和亚硝酸盐等菌体代谢产物的超标，严重影响活性炭纤维的净水效果，这是困扰整个活性炭行业在净水领域应用的难题。为解决上述问题，本实验首先筛选出合格的抑菌材料（壳聚糖、碘），并深入评价壳聚糖和碘的抗菌性能，再将其负载于活性炭纤维上，来达到抑制细菌繁殖的目的，实验流程遵循着抑菌剂抗菌性能的评价-抑菌型活性炭纤维制备方法的探索-抑菌型活性炭纤维效果的评价的步骤，主要分为以下几个部分：（1）对碘的抗菌性能进行评价，实验结果显示，碘具有良好的抗菌性能，其抗菌性能随着碘浓度的增加而增强，且随着作用时间的延长而增强。当原水细菌总数采用一个较高的数量级（达到n×105CFU/ml）时，1.291mg/L的碘浓度杀菌率达到96%，具有很强的抗菌能力，当碘浓度低至0.129mg/L时，杀菌率亦能达到4%，因此碘作为抑菌剂符合抑制活性炭纤维上细菌生长的要求。对壳聚糖的抗菌效果进行评价，抑菌圈定性实验发现壳聚糖具有良好的抗菌性能；利用壳聚糖对海河水中细菌的杀灭试验系统地评价了壳聚糖的杀菌效果，分别考察壳聚糖酸溶剂、溶液pH值、壳聚糖浓度和分子量对其杀菌效果的影响，实验结果表明，吐温80-卵磷脂是良好的壳聚糖中和剂，乙酸是较好的酸溶剂，溶液pH值越低壳聚糖杀菌率越高，然实际应用中采用pH6为宜，浓度为1.0g/L时壳聚糖杀菌效果最好，且随着分子量的增大杀菌效果增强，壳聚糖处理后平均杀菌率可达98%以上。其中低分子量的壳聚糖通过双氧水降解法制取，加入的双氧水体积越大，制取的壳聚糖分子量越低，当每100ml3%的壳聚糖溶液中加入5ml36%的过氧化氢溶液时，粘度法测定发现壳聚糖分子量可减小到初始的7.06%。壳聚糖杀菌主要原理是利用壳聚糖的絮凝性能及其分子中的活性氨基的抗菌作用。同时，将壳聚糖季铵化后，其分子中氨基被季铵基取代，生成季铵化壳聚糖，杀菌性能得到了提升。（2）用浸渍法制作载碘活性炭纤维，并用虹吸出水装置分析碘在活性炭纤维上负载稳定性。用虹吸出水装置使水流不断冲刷活性炭纤维，检测出水中碘含量来评价其载碘稳定性，结果显示，简单的浸渍法制得的载碘活性炭纤维的初始出水含碘量较高，随后迅速降低，逐渐趋于平稳，且碘在活性炭纤维上可能有一个饱和吸附值。单纯依靠碘的物理吸附制作抑菌型活性炭纤维方法简便，但碘的负载稳定行欠佳，活性炭纤维较易失去抑菌能力。（3）为提高碘在活性炭纤维上的负载稳定性，将壳聚糖与碘联合起来，作为复合抑菌材料，制备出新型的抑菌型活性炭纤维，并用气体吸附仪、扫描电镜（SEM）分析活性炭纤维比表面积与结构前后的变化，研究此种活性炭纤维对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌性能，分析水力冲刷下活性炭纤维上抑菌剂的负载稳定性，通过傅立叶红外光谱（FTIR）分析壳聚糖与碘络合物的表征。结果显示，壳聚糖与碘在活性炭纤维表面络合，形成颗粒或膜状的物质，当载碘量为2.44%时，活性炭纤维的比表面积下降了20.18%，而对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率均达到了100%，且在水力冲刷下碘不易流失，出水碘浓度低，对人体安全无害。在过水100L后，壳聚糖-碘活性炭纤维仍保持86%以上较高的抑菌性能，FTIR分析显示壳聚糖的-NH2、-OH、C-O参与了与碘的反应，生成新的物质，在活性炭纤维上具有良好的附着稳定性。利用碘与壳聚糖制作的复合抑菌型活性炭纤维具有抑菌效果好、抑菌剂不易流失的特点，具有良好的实用意义。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-10
第一章绪论  10-19
  1.1 壳聚糖简介  10
  1.2 碘简介  10
  1.3 活性炭纤维简介  10-12
    1.3.1 活性炭纤维制备工艺  11
    1.3.2 活性炭纤维主要用途  11-12
  1.4 活性炭纤维在水处理方面的主要应用  12-13
  1.5 活性炭纤维在饮用水净化中主要存在问题  13
  1.6 国内外抑菌型活性炭纤维研究现况  13-16
  1.7 课题来源、研究目的及意义  16-17
  1.8 研究内容  17-19
第二章碘抗菌性能评价和载碘活性炭纤维的制作  19-29
  2.1 实验材料  19-21
    2.1.1 实验试剂  19-20
    2.1.2 实验仪器  20
    2.1.3 试剂配置  20-21
  2.2 实验方法  21-23
    2.2.1 水中细菌总数测定  21
    2.2.2 碘抗菌性能的评价  21-22
    2.2.3 载碘活性炭纤维的制作  22
    2.2.4 载碘活性炭纤维上碘的稳定性  22-23
  2.3 实验结果与讨论  23-28
    2.3.1 碘抗菌性能的评价  23-26
    2.3.2 载碘活性炭纤维上碘负载稳定性  26-28
  2.4 小结  28-29
第三章壳聚糖抗菌效果  29-40
  3.1 实验材料  29-30
    3.1.1 实验试剂  29
    3.1.2 实验仪器  29
    3.1.3 主要实验试剂的配制方法  29-30
  3.2 实验方法  30-32
    3.2.1 低分子量壳聚糖的制备  30
    3.2.2 壳聚糖分子量的测定  30
    3.2.3 壳聚糖浓度的测定  30-31
    3.2.4 抑菌圈实验  31
    3.2.5 中和剂鉴定实验  31
    3.2.6 不同酸溶剂对壳聚糖（1700kd）杀菌效果的影响  31-32
    3.2.7 不同浓度对壳聚糖（1700kd）杀菌效果的影响  32
    3.2.8 不同 pH 对壳聚糖（1700kd）杀菌效果的影响  32
    3.2.9 不同分子量对壳聚糖杀菌效果的影响  32
    3.2.10 季铵化壳聚糖的制备和抗菌性能  32
  3.3 实验结果与讨论  32-39
    3.3.1 抑菌圈实验  32-33
    3.3.2 双氧水降解后壳聚糖分子量测定  33-34
    3.3.3 中和剂鉴定结果  34
    3.3.4 不同酸溶剂对壳聚糖杀菌效果的影响  34-35
    3.3.5 不同浓度对壳聚糖杀菌效果的影响  35-36
    3.3.6 不同 pH 对壳聚糖杀菌效果的影响  36
    3.3.7 不同分子量壳聚糖杀菌效果的比较  36-37
    3.3.8 季铵化壳聚糖表征和抗菌性能  37-39
  3.4 小结  39-40
第四章壳聚糖-碘复合活性炭纤维的制作  40-47
  4.1 实验材料  40
    4.1.1 实验试剂  40
    4.1.2 实验仪器  40
  4.2 实验方法  40-42
    4.2.1 碘-壳聚糖复合抑菌剂的抗菌性能  40
    4.2.2 材料的制备  40-41
    4.2.3 比表面积（SSA）测定及场发射扫描电镜（SEM）分析  41
    4.2.4 抑菌性能测定  41
    4.2.5 抑菌剂负载稳定性  41
    4.2.6 壳聚糖与碘络合物原理的红外光谱分析  41-42
  4.3 结果与讨论  42-46
    4.3.1 碘-壳聚糖复合抑菌剂的抗菌性能  42
    4.3.2 比表面积及 SEM 分析  42-43
    4.3.3 抑菌性能的评价  43-44
    4.3.4 抑菌剂负载稳定性及其对活性炭纤维抑菌性能的影响  44-45
    4.3.5 碘负载稳定性提高的原理分析  45-46
  4.4 小结  46-47
第五章结论与建议  47-49
  5.1 结论  47-48
  5.2 问题与建议  48-49
参考文献  49-52
与论文相关的文献综述  52-57
  参考文献  55-57
个人简历  57-58
致谢  58

壳聚糖、碘的抗菌性能及其在活性炭纤维抑菌处理中的应用

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