两性离子陶瓷复合膜的制备及其在水质净化中的应用研究

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多孔陶瓷膜由于具有耐腐蚀性强、材料性质稳定、分离效率高等优异特性,在生物医药、石油化工、食品、环保等行业的分离纯化中得到良好的应用。但是膜分离含有蛋白质的物料过程中,蛋白质分子容易吸附在膜表面和孔道内壁,由此引发的膜污染会导致膜渗透通量的严重衰减,降低膜在实际应用过程中的分离效率,增加膜的使用成本。膜污染不仅与膜孔结构有关,还受膜表面性质的影响。近几年,为有效解决膜污染问题,膜表面性质的研究受到了越来越广泛的关注。在膜表面性质调控的方法中,表面接枝技术经济可行,由于其具有操作方便、条件易控等优点,在陶瓷膜表面改性领域中得到了重点研究。因此,通过表面接枝技术实现膜污染的有效控制成为促进陶瓷膜在蛋白质分离应用领域发展的重要课题,具有极大的现实意义。  本文以解决膜污染为出发点,提高陶瓷膜分离性能为主要研究目标,以表面接枝技术为主要研究方法,在陶瓷膜表面接枝亲水性的基团,考察其在实际应用体系中对有机物及离子的抗污染能力,将实验与理论相结合,研究接枝对陶瓷膜渗透分离选择性的影响与机理。  为制备渗透性能更佳的陶瓷膜,采用环境友好的两步法在陶瓷膜表面接枝亲水性的两性离子,制备出两性离子陶瓷复合膜。以(N,N-二甲基-3-氨丙基)三甲氧基硅烷(DMAPS)以及2-溴乙基磺酸钠(SBTS)为改性剂,利用陶瓷膜表面存在的羟基进行接枝改性。热重数据分析表明两性离子已接枝在陶瓷膜表面;电镜照片显示出两性离子不会改变陶瓷膜的表面形貌和结构;红外光谱及XPS数据进一步证明两性离子以化学键的形式接枝于陶瓷膜表面,纯水渗透实验数据表明,两性离子接枝改性的陶瓷膜纯水渗透能力有所提高。  为分析两性离子陶瓷复合膜的抗污染能力,考察接枝前后膜的荧光蛋白吸附能力及蛋白过滤清洗实验。结果表明,未改性陶瓷膜和两性离子陶瓷复合膜对蛋白都有较好的截留效果,复合膜表面荧光蛋白吸附量明显减少,且在过滤实验中复合膜的渗透性能优于未改性膜;抗污染阻力分析可知,两性离子陶瓷复合膜的蛋白污染以可逆污染为主,而未改性陶瓷膜的污染以不可逆污染为主。这是因为接枝在陶瓷膜表面的两性离子的水合作用会在膜表面形成一层紧密的水合层,从而能够有效阻止蛋白质与膜表面的接触,因此,两性离子陶瓷复合膜具有优异的抗污染特性。  为分析两性离子陶瓷复合膜在实际应用体系的可行性,考察接枝前后膜对硬水中镁离子、钙离子及天然有机污染物腐殖酸的去除能力。结果表明:两性离子接枝后的陶瓷膜其荷正电性更强,平均孔径为5nm陶瓷超滤膜应用于水质软化时,对水中的钙离子、镁离子有更好的去除能力,但对人体必需的钠离子可以适当保留。与未改性膜相比,两性离子陶瓷复合膜对水体中的天然有机污染物腐殖酸有更好去除能力,去除率达到90%以上。两性离子陶瓷复合膜能有效应用于地表水的水质软化,在水质净化方面表现出良好的应用前景。
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