两性离子类聚合物修饰的聚偏氟乙烯分离膜及抗污染性能研究

本项目以解决膜分离技术中的膜污染问题为出发点，吸纳低污染生物医学材料研究的思想，并将高分子凝胶和两性离子聚合物结合，设计制备分离性能优异的抗污染分离膜。从分子设计出发，以聚偏氟乙烯为膜材料，以磷酰胆碱、甜菜碱等两性离子聚合物型分子作改性剂，综合利用膜材料改性、共混、及表面化学修饰等三种膜改性方法，构建抗蛋白质污染分离膜表面，研究改性过程对成膜结构、成膜表面物化性质、及抗蛋白质吸附性能等的影响规律，研究膜表面与蛋白质分子及水分子的相互作用，从分子水平上揭示两性离子类聚合物在膜表面的抗污染机理。基于对污染物─膜表面材料─水相互作用的分析，利用成膜过程热力学和动力学的协同驱动效应，实现分离膜在蛋白质分离过程中的低污染与长寿命，为抗污染分离膜表面的设计与制备提供理论依据。

聚偏氟乙烯（PVDF）具有优异的机械性能、耐热性、耐化学腐蚀性能及成膜性能，其超滤膜广泛应用于食品加工、生物医学和水处理等领域。但在使用过程中，PVDF较强的疏水性易导致膜污染，从而使运行成本大大增加，因此提高PVDF膜的抗污染能力已成为膜分离领域的研究重点。本项目以解决膜分离技术中的膜污染为出发点，以聚偏氟乙烯为膜材料，两性离子/两亲性聚合物作改性剂，综合利用膜材料改性、共混及表面化学修饰等改性方法，设计制备了几种分离性能优异的抗污染分离膜：①通过自由基聚合方法合成甲基丙烯酸甲酯（MMA）、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵（DMC）以及2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）的两性离子共聚物，将其与PVDF共混制备两性离子聚合物改性PVDF膜；②采用两步法在PVDF膜表面构建组分为AMPS和DMC的两性离子聚合物刷及其凝胶层；③以聚偏氟乙烯-接枝-聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯（PVDF-g-PDMAEMA）共聚物为基膜材料，使用1,3-丙基磺酸内酯或1,5-二溴戊烷/4,4-联吡啶对共聚物膜表面进行季胺化反应，构建含有磺胺基团的具有抗菌、抗污染性能的膜表面；④将具有亲水性、低毒性和免疫原性低的两亲性聚合物聚丙烯酰吗啉（PACMO）作改性剂，分别采用碱处理引发接枝聚合和氢键诱导自组装的方法构建聚丙烯酰吗啉改性PVDF膜；⑤采用干-湿法纺制了PVDF-g-PDMAEMA/PVDF和PVDF-g-PACMO/PVDF中空纤维抗污染膜。本项目研究了改性过程对成膜结构、渗透分离性能及抗蛋白质吸附性能等方面的影响，结果表明：亲水性改性剂存在表面富集现象，可明显改善PVDF膜的亲水性和渗透性能，纯水通量从纯PVDF膜的47.3±2.3L/m2h最大增加到290.0±4.0 L/m2h；牛血清蛋白质的吸附量显著降低，最低吸附量仅为纯PVDF膜的24.6%；改性膜具有良好的抗污染性能，有效减少了总污染和不可逆污染程度，通量恢复率最高可达98.0%。本项目开展了高抗污染的PVDF分离膜的制备及其抗蛋白质/微生物污染研究，阐明了水环境中分离膜表面与蛋白质/微生物的相互作用，揭示了制膜条件、纺丝工艺参数等对膜的表面结构、孔结构以及分离性能和抗污染性能的影响规律，实现了分离膜在蛋白质超滤过程中的低污染与长使用寿命，为抗污染超滤膜的设计与制备提供了科学完善的理论依据。