[发明专利]非溶出型抗菌聚季铵盐改性活性炭的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种活性炭表面的季铵盐改性方法和应用。具体涉及一种活性炭表面的季铵盐硅氧烷单体化合物现场聚合方法以及季铵盐改性活性炭在水处理方面的应用。

背景技术

活性炭（AC）已被广泛应用于水的常规处理和深度处理中。由于活性炭自身的超强吸附能力，使之成为去除水中有机污染物的最成熟最有效的方法之一。美国水质协会（Water Quality Association）已经认可活性炭过滤是一种可以使饮用水中的一些污染物含量低于美国环境保护署（EPA）规定的国家饮用水标准的有效手段。然而活性炭在水处理，特别是用于饮用水深度处理的净化设备中，也存在着无法解决的问题，即活性炭介质的自身污染问题。它就像一个超级的海绵，在吸附大量的有毒有害污染物的同时，在它的微孔中会繁殖大量的细菌。另外，含氮有机化合物在微生物的作用下于活性炭表面发生硝化分解，有机氮逐步分解为蛋白氮、氨氮、亚硝酸盐氮等，从而使活性炭过滤器在使用一段时间后，经其净化的水中亚硝酸盐含量大大增加，这样不但达不到净化水质的目的，反而会污染水质。如何既经济又有效地解决这个问题直至今日仍然是一个具有挑战性的工作。

为了克服活性炭在使用一段时间后可能出现上述的一些缺点，可行的办法是将具有杀菌功能的物质固载到活性炭的表面，以消除采用活性炭净化水过程中微生物繁殖所带来的二次污染。中国专利101337704A公开了一种抗菌杀藻活性炭及制备方法。该专利方法将丙烯腈-苯乙烯树脂涂抹在活性炭表面，经化学处理使丙烯腈-苯乙烯树脂结合铜离子来制备抗菌杀藻活性炭。日本专利JP6287103公开了一种通过活性炭外表面上的多孔硅胶固定银来制备抗菌活性炭的方法。韩国专利KR20040110398公开了一种通过在活性炭中掺杂纳米金来制备抗菌活性炭的方法。

以上这些方法制备的抗菌活性炭虽然具有良好的抗菌性能，但金、银、铜等金属价格比较昂贵且稀缺。因此，开发一种抗菌材料来源广泛便宜的抗菌活性炭具有非常重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有抗菌活性炭材料及其技术存在的一些缺点，提供一种抗菌材料来源广泛便宜、制备路线简单的抗菌活性炭材料及其技术。

本发明的技术方案为，季铵盐是一类带有正电荷的非氧化型杀菌剂，其杀菌功效稳定长久。如果通过独特的现场聚合方法，使得季铵盐硅氧烷单体化合物均匀地聚合于活性炭的表面，充分利用季铵盐的抗菌性能和活性炭的高比表面积和强吸附性能，就有可能制备抗菌性能优良的非溶出型聚季铵盐改性活性炭材料。目前，还没有这方面的报道。为此，本发明采用活性炭为载体，通过季铵盐硅氧烷单体化合物在其表面的现场聚合来制备对环境无害的非溶出型抗菌聚季铵盐改性活性炭，现场聚合反应式如下：

本发明所述的非溶出型抗菌聚季铵盐改性活性炭可以通过卤烷基硅氧烷和叔胺反应合成季铵盐硅氧烷单体化合物、季铵盐硅氧烷单体化合物在活性炭表面的现场聚合来制备，具体过程包括如下步骤：

（1）季铵盐硅氧烷单体化合物的合成

将卤烷基硅氧烷和叔胺按1:1～5:1的摩尔比加入到有机溶剂中，在氮气或惰性气体保护下，40℃～150℃下反应4至72小时；卤烷基硅氧烷和叔胺的摩尔比优选为1:1～2:1；反应温度优选为80℃～120℃；反应时间优选为24～48小时。反应结束后减压蒸馏除去未反应的卤烷基硅氧烷和叔胺以及溶剂，获得季铵盐硅氧烷单体化合物。

卤烷基硅氧烷的结构如式（I）：

其中R₁、R₂和R₃为C₁～C₈烷基或羟基，R₁、R₂和R₃优选为C₁～C₃烷基或羟基;X为卤素Cl、Br、I；n为1～12的整数，n优选为1～4的整数。

叔胺的结构如式（II）：