基于修饰探针的纳滤膜表面电荷与有机污染物作用机理研究

For macromolecule organic pollutants, it is considered that the electrostatic repulsion force caused by surface charge of nanofiltration membrane will slow down the deposition rate and degree of membrane surface, thus reducing membrane fouling. However, the microscopic mechanism between surface charge and organic foulant of nanofiltration membrane has always been one of the difficulties in the field of membrane. In this project, chemical modified probe by polymers with functional groups including thiol and amino will be prepared, and nanofiltration membranes with positively and negatively charged surface will be selected. Based on the use of atomic force microscopy, the interaction mechanism between modified probes and selected nanofiltration membranes will be studied, as well as imaging quality affected by specific probe. This kind of method can obtain surface charge property and surface roughness simultaneously in visual images. Additionally, interaction mechanism of surface charge with representative organic foulants including humic acid, polysaccharide and bovine protein will be studied based on the use of the established method.

对于大分子有机污染物，宏观上认为纳滤膜表面电荷引起的静电排斥力会减缓膜面的沉积速率和程度，从而减缓膜污染。然而，如何从分子和原子的尺度上，研究膜表面电荷与污染物的微观作用机理，始终是目前膜领域的研究难点之一。本项目中拟基于原子力显微镜，通过将带有巯基、氨基等功能基团的高分子接枝到探针针尖，同时选择聚酰亚胺、聚磺酸等分别带有荷正电、荷负电的纳滤膜，研究原子力显微镜修饰探针与纳滤膜表面电荷的作用机制，研究实验参数、数据处理等因素对纳滤膜表面电荷的成像质量的影响，实现纳滤膜表面微观电荷的高分辨成像。和常用的纳滤膜表面电荷表征方法相比，拟建立的方法具有可视化的优点，并可以同步得到纳滤膜的表面粗糙度等特征参数。同时，基于原子力显微镜修饰探针成像方法，深入研究纳滤膜表面电荷与腐殖酸、多糖、牛蛋白等代表性有机污染物的相互作用机理，为解决膜污染这一制约膜科学发展的关键因素奠定基础。

膜的表面特性是过滤膜最重要的特征之一，是否带电、官能团种类等，直接影响膜的渗透通量、选择透过性、抗污染等特性。.本项目基于原子力显微镜探针，通过硫醇类自组装的方法，将带有羧基、羟基等功能基团的高分子接枝到探针针尖，制备条件简单易控、修饰后的结构稳定有序。基于聚丙烯腈膜，通过聚电解质自组装的方法，制备了磺化聚醚醚酮（sPEEK）、支链聚乙烯亚胺（PEI）等分别带有荷正电、荷负电的纳滤膜。通过探针的选择、实验条件控制和优化、过滤膜孔径分布数据统计、作用力曲线优化，实现原子力显微镜探针与过滤膜表面的微观作用力及其分布图像。通过选取腐殖酸、多糖、牛蛋白等代表性有机污染物，表征过滤膜通量在不同污染物中随时间的变化，结果显示聚电解质膜具有较好的抗蛋白类污染的能力。.基于原子力显微镜的过滤膜表面微观作用力及其分布的成像表征方法，可以通过相互作用力及模量的大小，判断过滤膜表面官能团（及其所带微观电荷）的分布情况，具有直观、形象的优点，并可以同步得到纳滤膜的表面粗糙度、弹性模量、粘附力等特征参数，经过直方图的数据处理后还可以得到表面孔径及其分布情况，为深入研究纳滤膜与溶液粒子间的相互作用机理、吸附分离特性以及抗污染性能奠定基础。