聚烯烃分离膜组件整体可控膜微孔亲水抑菌接枝修饰研究

聚烯烃是一类重要分离膜材料，但其非极性引起的低表面能/高疏水性导致膜通量低和抗污染性差，膜效能难以充分发挥，实际应用受到极大限制。本课题研究通过微孔活化/接枝进行聚烯烃膜亲水及抑菌化修饰，选择大肠杆菌和牛血清蛋白吸附及市政污水膜生化降解为实验体系考察膜性能。首先，采用分子动力学模拟孔内接枝单体基团与水及溶质分子间作用机制，预测需构造的膜表面(孔壁及外表面)目标结构；然后，在课题组研制的具有分步活化-接枝一体化功能的装置上，运用远程动态等离子体技术，就组件整体实现膜表面修饰。着重研究解决有效控制膜活化/接枝反应场所（外表面、孔道壁面）、反应类型（短链接枝、长链接枝、均聚）、接枝密度及分布的关键科学问题和膜规模化改性的瓶颈问题，以清洁温和的修饰工艺制备出适合膜生物反应器的亲水大通量及抑菌抗污染聚烯烃微孔膜及组件，获得相关理论和产品工程基础。为聚合物膜可控微孔修饰及其结构优化提供有效理论指导。

聚烯烃是一类重要分离膜材料，但其非极性引起的低表面能/高疏水性导致膜通量低和抗污染性差，实际应用受到极大限制。本课题研究通过微孔活化/接枝进行聚烯烃膜亲水及抑菌化修饰，选择大肠杆菌（E. coli）和牛血清蛋白(BSA)吸附及饮用水微生物膜法净化为实验体系考察膜性能。在课题组研制的具有分步活化-接枝一体化功能的装置上，运用远程动态等离子体（LDDLP）流技术，就组件整体实现膜表面修饰。着重研究解决有效控制膜活化/接枝反应场所（外表面、孔道壁面）、反应类型（短链接枝、长链接枝）、接枝密度及分布的关键科学问题和膜规模化改性的技术瓶颈问题。本项目获得以下主要研究成果：. 以辉光距离、自由基密度和膜表面刻蚀为考察指标，系统研究了低温Ar等离子体流的远程与动态特性，发现LDDLP流不仅极大地减轻电子离子等对膜表面的刻蚀损伤，而且自由基能穿透双层聚丙烯电纺纤维（PPF）膜，从而对膜上表面和孔道壁面可控活化提供了科学依据和实验技术。在此基础上，实现了PPF膜表面和穿透本体的丙烯酸（AA）（短链）单体接枝修饰，显著提高了膜的透水性能和抗BSA污染能力。. 应用上述所获得的LDDLP流的特性，实施了PPF膜的甲基丙烯酰氧乙基-苄基-二甲基氯化铵（DMAE-BC）（长链）抗菌单体接枝修饰，该膜对E. coli表现出了良好的抑菌和灭菌性能，能为饮用水水质生物安全保障提供新的技术支持。. 以聚乙烯（PE）中空纤维膜组件为对象，采用LDDLP流对其表面活化-接枝修饰，分别系统研究了组件的放大条件及膜性能稳定性、组件的活化-接枝AA和组件的活化-接枝DMAE-BC。组件双向有效活化长度接近80 cm，基本满足商品膜组件的尺度需求，活化后膜表面亲水性可持续2-3个月以上；通过进一步的AA接枝，组件获得了永久的亲水性能，而接枝DMAE-BC的组件，表现出了良好的抑菌和灭菌特性。. 以环境友好修饰工艺制备出了适合膜生物反应器的亲水大通量及抑菌抗污染聚烯烃微孔膜及组件，获得了相关理论和产品工程基础。为聚合物膜可控微孔修饰及其结构优化提供了有效理论指导。此外，申请专利4项，发表SCI论文5篇、接收2篇、审稿修改1篇、投稿1篇，整理准备中3篇，培养研究生8名。