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膜分离技术以其低能耗、高效率被认为是理想的分离技术,但是膜污染问题是制约膜技术广泛应用的瓶颈性因素。膜材料本身的结构和性质对膜污染控制起到至关重要的作用。越来越多的研究发现,那些耐溶剂、耐化学、抗微生物降解的聚合物因为本身的疏水性和低表面能而易被微生物代谢产物及疏水性物质所污染,而难以得到良好的过滤性能,因此需对膜进行亲水化改性。亲水化改性途径主要有化学与物理改性,而现有的改性技术很难从根本上控制膜污染,寻求更加有效的膜改性技术成为必然选择。
仿肠膜是基于对人肠道的抗污染机理的认识而提出的。肠道的具有很强的抗污染、自洁和吸收能力,主要是源于肠道表面具有许多排列规则的绒毛。因此本论文围绕仿肠膜的设计、制备和抗污染性能方面开展工作的。采用电化学方法制备纳米阵列多孔氧化铝模板,利用模板诱导法产生绒毛形态结构仿肠膜,具体内容如下:
采用电化学方法制备纳米阵列多孔氧化铝模板,较系统地研究了电压、氧化时间、扩孔时间等主控因素对模板孔径、厚度的影响,掌握了大面积氧化铝模板制备所需的关键技术参数,制备了孔径从20nm-150nm,厚度从1μm-150μm的尺寸可控的氧化铝模板。此外,还研究氧化铝模板的表面润湿性能,对氧化铝模板的成孔成膜机理进行了初步探讨。
仿肠膜的制备,可采用湿法相转化和干法相转化两种方法。两种方法均能有效地诱导膜表面绒毛结构。湿法相转化制备仿肠膜时,绒毛层与基体结合力较弱,绒毛排列较无序;干法相转化制备仿肠膜时,温度与湿度以及模板孔径大小的影响较大,直接影响孔隙率与绒毛结构稳定性;干法制膜时,绒毛长度较短时,绒毛可自支撑,呈阵列结构。高分子材料本身性质对绒毛形态结构影响较大。仿肠膜通过磺化改性和共混改性,可使表面从超疏水转变为超亲水性能。
仿肠膜的抗污染性能研究主要是通过考察其表面润湿性能,蛋白吸附,微生物粘附,以及蛋白和多糖的动态过滤性能。绒毛长度对仿肠膜表面形态结构影响较大,绒毛越长,导致膜表面的分形尺度越小,进而影响其表面润湿性能。除此之外,膜材料本身也影响膜表面润湿性能。通过研究静态蛋白吸附,发现绒毛形态结构的仿肠膜可有效抑制蛋白吸附,而与其材料,表面润湿性,以及环境pH无关。另外,较短绒毛长度的仿肠膜,可以有效抑止微生物的粘附及生物膜的生长。仿肠膜对蛋白和多糖溶液进行过滤时,通量恢复率均可达90％以上,表现出良好的抗污染性能,且抗污染能力与绒毛长度有关。
仿肠结构膜优越的抗污染性能,有可能成为下一代膜制备技术。此外,仿肠膜结构的设计对其他抗污染体系的研究也具有重要的意义,具有很大的潜在应用价值,除了膜法水处理的应用,还可以积极开发在生物材料,生物传感器,以及能源等高附加值领域方向的应用。