亲水改性聚丙烯腈超滤膜及抗污染性能研究

论文摘要

作为一种绿色高效的新型分离技术,超滤在生物分离领域具有广阔应用前景。目前,膜污染是制约超滤过程广泛应用的瓶颈。膜材料是影响膜污染的主要因素,本论文以降低高分子超滤膜在生物分离中的污染为出发点,制备了抗污染超滤膜,并对其性能进行了系统的研究。用聚电解质甲基丙烯酸二甲氨基乙酯（DMAEMA）亲水改性聚丙烯腈膜材料。通过自由基聚合方法合成了PAN-DMAEMA共聚物,使用反相成膜技术制备了PAN-DMAEMA超滤膜。XPS结果表明,改性后的膜表面PDMAEMA基团得到富集。PAN-DMAEMA超滤膜具有显著的环境响应性能,随着离子强度和溶液pH值的增大,PAN-DMAMEA的渗透通量增大。这主要是因为在高离子强度和碱性条件下,PDMAEMA高分子链收缩,超滤膜的孔径变大。蛋白质吸附实验结果表明:在1.0 mol/L NaCl和pH=9.5时,PAN-DMAEMA超滤膜具有很低的膜表面蛋白质吸附量。这主要是因为PDMAEMA的构象变化使更多的酯基富集在膜的表面,提高了表面的亲水性,降低了蛋白质在膜表面的吸附。随着溶液中NaCl的浓度的增大和pH值的增大,抵抗蛋白质吸附的能力增强,PAN-DMAEMA超滤膜的抗污染性能提高。用铈盐和聚乙二醇（PEG）组成氧化还原体系引发丙烯腈聚合,获得亲水改性的一系列不同PEG分子量的聚丙烯腈（PAN）共聚物PAN-PEG400、PAN-PEG1000、PAN-PEG2000、PAN-PEG4000、PAN-PEG6000,以二甲基甲酰胺（DMF）和水分别为溶剂和非溶剂,通过相转换法制得PAN-PEG超滤膜。红外光谱分析结果表明PEG分子存在于膜中;接触角结果表明亲水性增强;超滤实验结果发现PAN-PEG2000、PAN-PEG4000取得了良好的抗污染效果。将PAN-PEG2000作为改性剂与PAN共混,制得PAN/PAN-PEG2000共混超滤膜。通过超滤实验结果表明:PEG亲水改性提高了PAN超滤膜的抗污染性能,总污染指数和不可逆污染指数均显著降低。应用仿生的思想,将亲水性的磷脂胆碱（MPC）引入到膜材料中。首先合成了MPC-BMA磷脂聚合物,将其作为改性剂,与聚醚砜（PES）共混,通过相转化法制得改性超滤膜。对其抗污染性能、亲水性能、表面组成、以及断面结构进行了表征。蛋白质吸附实验表明,随着MPC-BMA磷脂聚合物的增加,吸附量显著降低。超滤实验表明经过三次循环,改性后的超滤膜的抗污染效果仍能保持较高水平,在pH=4.5～9.0的范围内保持较好的抗污染能力。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 前言
• 第一章 文献综述
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 超滤过程简介
• 1.1.2 超滤过程的膜污染
• 1.2 膜材料改性方法的研究进展
• 1.2.1 PAN 的共聚改性
• 1.2.2 PAN 的接枝改性
• 1.2.3 共混改性
• 1.3 膜表面改性分子的研究进展
• 1.3.1 聚电解质
• 1.3.2 聚乙二醇及其衍生物
• 1.3.3 两性基团
• 1.4 环境-响应型智能膜
• 1.4.1 环境-响应型智能膜定义
• 1.4.2 环境-响应型智能膜分类
• 1.5 研究内容
• 第二章 PAN-DMAEMA 膜环境-响应行为及抗污染性能的研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验材料和方法
• 2.2.1 主要实验试剂
• 2.2.2 主要实验仪器和设备
• 2.2.3 PAN-DMAEMA 共聚物的制备
• 2.2.4 PAN-DMAEMA 超滤膜的制备
• 2.2.5 PAN-DMAEMA 共聚物的表征
• 2.2.6 PAN-DMAEMA 超滤膜的表征
• 2.2.7 PAN-DMAEMA 超滤膜蛋白质吸附实验
• 2.2.8 超滤实验
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 PAN-DMAEMA 共聚物及膜的表征结果
• 2.3.2 PAN-DMAEMA 在不同环境下对蛋白质BSA 的吸附性能
• 2.3.3 PAN-DMAEMA 在pH 值响应下的超滤性能
• 2.3.4 PAN-DMAEMA 在离子强度响应下的超滤性能
• 2.3.5 PAN-DMAEMA 在环境响应下的蛋白质超滤性能
• 2.4 小结
• 第三章 PAN-PEG 共聚膜及共混膜的制备和性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验材料和方法
• 3.2.1 主要实验试剂
• 3.2.2 PAN-PEG 共聚物超滤膜的制备
• 3.2.3 PAN-PEG 超滤膜的表征与评价
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 PAN-PEG 系列膜的表征结果
• 3.3.2 PAN-PEG 系列超滤膜的分离性能
• 3.3.3 PAN-PEG 系列超滤膜的抗污染性能
• 3.3.4 PAN-PEG 系列超滤膜的阻力分析
• 3.4 小结
• 第四章 PES/MPC-BMA 共混膜的制备及膜性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验材料
• 4.2.1 主要实验试剂
• 4.2.2 主要实验仪器与设备
• 4.3 MPC-BMA 共聚物的制备
• 4.4 PES/MPC-BMA 共混膜的制备
• 4.5 PES/MPC-BMA 共混膜的评价与表征
• 4.5.1 PES/MPC-BMA 共混膜的表征
• 4.5.2 PES/MPC-BMA 共混膜超滤分离性能的评价
• 4.5.3 PES/MPC-BMA 共混膜的表征结果
• 4.5.4 PES/MPC-BMA 共混超滤膜的蛋白质吸附性能
• 4.5.5 PES/MPC-BMA 共混超滤膜的分离性能评价
• 4.5.6 溶液pH 值对PES/MPC-BMA 共混超滤膜的性能影响
• 4.6 小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢