通过在纤维素纳米纤维上原位生长掺银的ZIF-8制备抗菌水凝胶过滤器：一种用于水处理中生物污染控制的新策略

《Carbohydrate Polymers》：Antibacterial hydrogel filters via in situ growth of Ag-doped ZIF-8 on cellulose nanofibers: A novel strategy for biofouling control in water treatment

本研究通过在TEMPO氧化纤维素纳米纤维（T-CNF）上原位生长ZIF-8纳米纤维，结合银纳米颗粒负载和离子交换-化学还原法，制备了具有 necklace-like结构的Ag/Z@CNF复合水凝胶滤膜。该结构增强了界面结合，减少ZIF-8团聚，提升长期稳定性。抗菌实验显示，Ag/Z@CNF滤膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率达98.2%和99.1%，较Z@CNF滤膜分别提高18.25%和15.02%。活性氧信号强度增加2.7倍，动态抗污实验中水通量下降仅14%。该滤膜通过Zn2?和Ag?持续释放及可见光诱导活性氧协同作用实现高效抗菌，为大规模水处理应用提供了环保、高效和经济的解决方案。

　　这项研究聚焦于开发一种绿色、高效且具有抗细菌性能的水过滤材料，以应对全球日益严重的水污染问题。水污染已成为影响人类健康的重要因素，尤其在城市化进程加速的背景下，各种水体中微生物的污染问题尤为突出。传统的水处理技术虽然在一定程度上能够去除污染物，但其在应对生物污染方面存在诸多不足，例如膜材料容易受到生物膜的附着而发生堵塞，导致过滤效率下降、能耗增加以及膜寿命缩短。此外，频繁的清洗或更换膜材料不仅增加了运营成本，也对环境造成一定负担。因此，开发一种兼具抗菌性能和抗生物污染能力的新型过滤材料，具有重要的现实意义和应用前景。

研究团队提出了一种基于纳米纤维结构的创新方案，通过将金属有机框架（MOF）材料与天然纤维相结合，构建出具有优异抗菌性能的水过滤膜。其中，ZIF-8（沸石咪唑酯骨架）作为一种广泛应用的MOF材料，因其结构稳定、孔隙率高以及良好的化学和热稳定性而受到青睐。然而，ZIF-8的粉末形态在实际应用中存在一定的局限性，如容易发生团聚、难以加工和回收，这些特性在水处理过程中可能会导致过滤效率降低和系统运行的不稳定性。因此，如何将ZIF-8有效地负载到具有结构优势的纳米纤维基质中，成为提升过滤膜性能的关键。

在本研究中，研究人员采用了一种“项链状”结构的Ag/Z@CNF纳米纤维材料。这种材料的制备过程包括两个关键步骤：首先，通过原位生长技术将ZIF-8负载到TEMPO氧化的纤维素纳米纤维（T-CNF）表面；其次，通过离子交换和化学还原的方法在ZIF-8纳米纤维中引入银纳米颗粒。这一方法不仅有效提升了ZIF-8的分散性和稳定性，还通过银纳米颗粒的引入增强了材料的抗菌性能。通过这种结构设计，研究团队成功构建出一种具有抗生物污染能力的水过滤膜，其不仅能够有效去除水中的细菌，还能在长时间运行过程中保持良好的性能表现。

研究结果显示，Ag/Z@CNF水过滤膜在对抗大肠杆菌和金黄色葡萄球菌时表现出显著的抗菌效果，抗菌率分别达到了98.2%和99.1%，远高于Z@CNF水过滤膜的79.95%和83.08%。这种提升主要归因于Ag/Z@CNF材料所具有的多重抗菌机制。一方面，银离子和锌离子能够通过持续释放的方式对细菌产生抑制作用；另一方面，材料在可见光照射下能够生成活性氧物种（ROS），进一步增强其抗菌能力。此外，Ag/Z@CNF材料在动态抗生物污染实验中表现出良好的性能，其通量仅下降14%，有效抑制了生物膜的形成，同时减少了生物污染对过滤效率的影响。

纤维素纳米纤维（CNF）作为基质材料，因其天然来源、可再生性以及良好的生物相容性，成为构建新型过滤膜的理想选择。CNF具有较高的比表面积和丰富的官能团，如羟基和羧基，这些特性不仅有助于ZIF-8的均匀生长，还能够增强材料的稳定性。此外，CNF的可注射性使其在过滤膜的制备过程中能够实现均匀的分散和结构整合，从而形成一种三维多孔的水凝胶网络。这种网络结构不仅提高了过滤膜的机械强度，还增强了其在水处理中的应用潜力。

在本研究中，研究人员还采用了注射驱动的过滤系统，将Ag/Z@CNF纳米纤维材料与CNF水凝胶薄膜结合，形成一种新型的复合过滤膜。这种复合结构不仅提高了过滤膜的抗菌性能，还有效减少了生物污染的发生。通过这种设计，过滤膜能够在长时间运行过程中保持较高的通量和过滤效率，从而满足大规模水处理的需求。此外，这种过滤膜的制备过程具有较高的可持续性，使用天然纤维素作为基质材料，不仅减少了对环境的影响，还降低了生产成本，使得该技术具有广泛的应用前景。

本研究的创新点在于将ZIF-8与银纳米颗粒相结合，并通过原位生长技术将其负载到纤维素纳米纤维表面，从而形成一种具有结构优势的纳米纤维复合材料。这种材料不仅克服了传统MOF材料在水处理中的局限性，还通过其独特的结构设计提升了过滤膜的抗菌性能和抗生物污染能力。此外，研究团队还通过实验验证了Ag/Z@CNF材料在不同条件下的性能表现，包括静态和动态抗菌实验，以及抗生物污染实验。实验结果表明，Ag/Z@CNF材料在抗菌率、通量保持率以及生物膜形成抑制方面均表现出优异的性能，这为其在水处理领域的应用提供了有力支持。

从实际应用角度来看，这种新型过滤膜不仅能够有效去除水中的细菌，还能够通过其多孔结构和三维网络设计提高对污染物的吸附和分离能力。此外，该材料的制备过程具有较高的可扩展性，可以通过规模化生产实现大规模应用。这种技术的推广将有助于提升水处理的效率和可持续性，同时减少对环境的污染和对水资源的浪费。此外，由于该材料具有良好的生物相容性，其在医疗、环境和化学领域的应用也具有广阔的前景。

本研究还强调了抗菌机制的多样性及其协同作用。银纳米颗粒和锌离子的共同作用不仅能够通过物理接触破坏细菌的细胞膜，还能够通过释放金属离子干扰细菌的代谢过程，从而实现高效的抗菌效果。同时，可见光诱导下的活性氧物种生成为材料提供了额外的抗菌途径，使得其在不同光照条件下仍能保持良好的性能。这种多重抗菌机制的结合，不仅提高了过滤膜的抗菌能力，还减少了抗菌剂对水体的二次污染，避免了传统抗菌方法可能带来的环境风险。

此外，本研究还关注了过滤膜的长期稳定性和机械性能。通过将ZIF-8纳米纤维紧密包裹在纤维素纳米纤维基质中，研究团队成功构建出一种具有高机械强度和稳定性的复合过滤膜。这种结构不仅能够有效防止ZIF-8颗粒的脱落和团聚，还能够提升过滤膜的整体性能，使其在长时间运行过程中保持较高的过滤效率和抗菌能力。这种稳定性对于实际水处理系统来说至关重要，因为它能够减少膜材料的更换频率，从而降低运营成本并提高系统的可持续性。

总的来说，这项研究为水处理领域提供了一种新型的、高效且可持续的过滤膜技术。通过将ZIF-8与银纳米颗粒结合，并将其负载到纤维素纳米纤维表面，研究团队成功构建出一种具有多重抗菌机制的纳米纤维复合材料。这种材料不仅能够有效去除水中的细菌，还能够通过其独特的结构设计提升过滤膜的抗生物污染能力。此外，该材料的制备过程具有较高的可扩展性和环境友好性，使其在大规模水处理中具有重要的应用价值。未来，该技术有望在饮用水净化、污水处理以及海水淡化等领域得到广泛应用，为实现更加高效、环保和可持续的水处理方案提供技术支持。