“阵列型”水通道蛋白脱盐膜的设计与制备

Nature gives the best solution for desalination. AQP represents a new membrane material in the sense that they provide ideally selective conduits for water with a high osmotic permeability. This project proposed to embed AQP in the pores of homoporous membranes (HOMEs) derived from block copolymers (BCPs) to form arrayed AQP. The prepared biomimetic membranes have potentials to break the “trade-off” limitation between the permeability and selectivity in traditional polymer membranes. The size, surface charge and functional groups of nanopores of the BCPs HOMEs can be modified to facilitate the embedment of AQP. The AQP incorporated biomimetic membranes will provide excellent permeability, because of the monodispersity, well defined shape, and high porosity of BCPs HOMEs. Furthermore, the selectivity and stability of the AQP containing membranes may be significantly improved by static electricity adsorption, forming hydrogen bond and covalent bond between AQP and pore walls. Subsequently, we will investigate the effect of the properties of AQP and HOMEs pores on the filtration performance of the prepared biomimetic membranes. The transport and separation mechanism of biomimetic membranes will be revealed on the molecular level by analyzing the solution composition before and after filtration. Hopefully, this study will offer some important theory in designing and fabricating AQP containing biomimetic membranes for water purification with high separation performance.

自然界对如何获取淡水提供了最好的解决方案。水通道蛋白（AQP）对水分子具有极强的选择渗透性，是一种理想的水通道材料。本项目提出了一种全新结构的AQP膜：以嵌段共聚物均孔膜为载体，充分利用其孔径均一、孔道垂直贯通和有效孔隙率高的特点，使AQP形成阵列，实现规整排布。通过调控AQP尺寸和调变均孔膜膜孔的孔径、孔深以及所带基团，为AQP“量身定做”匹配的载体孔道。以形成静电力、氢键以及共价键的方法，增强AQP与均孔膜孔壁的作用力，避免AQP从膜孔中脱离，减少缺陷，提升AQP膜的稳定性。该方法有望大幅提升含AQP仿生膜的水通量，突破传统聚合物膜选择性与渗透性之间的“上限平衡”。本项目还将探讨AQP性质、均孔膜孔道结构性质与仿生膜性能之间的关系规律，分析水分子在所得仿生膜中的传质过程，阐明仿生膜的分离和传质机理，为膜法水处理技术提供新材料和新方法，推动膜分离和水处理技术的发展。

膜法水处理技术以分离精度高、能耗低、污染低以及环境友好等特点正成为一种极具应用前景的脱盐技术。发展高性能膜制备方法，掌握调控高性能膜材料结构和性能的规律是膜法水处理技术发展的核心问题。本项目针对目前高压高盐环境下膜分离技术中存在的卡脖子问题，利用水通道蛋白超强的水渗透性和单一选择通过性，基于仿生学原理制备了含生物水通道蛋白的耐压耐盐分离膜；并进一步将水通道蛋白仿生膜应用于实际废水处理。突破了传统膜材料选择性与渗透性之间的“上限平衡”，实现水通道蛋白仿生膜于高压高盐环境下长时间稳定运行。探讨蛋白性质、均孔膜孔道结构性质与仿生膜性能之间的关系规律，分析水分子在所得仿生膜中的传质过程，阐明仿生膜的分离和传质机理。项目探究了仿生膜应用于实际废水处理中的膜污染问题，深入分析膜污染形成机理，提出了减缓仿生膜表面有机污染与无机结垢的策略。本项目为膜法水处理技术提供新材料和新方法，推动膜分离和水处理技术的发展，对工业废水处理、海水淡化和航空航天及潜艇等限域空间供水等领域具有十分重要的战略意义。在本课题的资助下发表第一作者或通讯作者论文22篇，其中影响因子8.0以上文章19篇，影响因子10.0以上文章11篇；申请专利17项，已授权8项，培养硕士毕业生8人，博士毕业生1人，在读研究生9人，在读博士生3人，在站博士后3人。