CN103463997A - 一种含水通道蛋白的复合膜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含水通道蛋白的复合膜及其制备方法，其制备方法为将多巴胺自聚合于基膜表面，让表面附有聚多巴胺的基膜与含有水通道蛋白的磷脂酰乙醇胺膜的氨基发生反应，从而制备得到复合膜。本发明所制备的复合膜功能层和基膜之间存在共价键，复合强度大，耐浸蚀和抗水解性强，使用寿命长，表面亲水性好，水渗透性高，制备条件温和，在水处理、膜分离领域具有广泛的应用前景。

Description

一种含水通道蛋白的复合膜及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种含水通道蛋白的复合膜及其制备方法,属于制备分离膜复合材料领域。

背景技术

海水淡化是解决水资源短缺的有效途径之一，而膜分离技术则是实现海水淡化最有效、最经济的手段。高性能分离膜的设计是膜技术的基础和核心，制备新型复合膜使其能有效地降低能耗，实现高效、便捷的净水技术，是目前膜材料研制领域内的共识及今后的发展方向。水通道蛋白是—种理想的水分子通道，其具有极强的的水渗透性和单一选择透过性。将水通道蛋白包裹在磷脂双层膜中，铺展于纳滤膜上形成一种新型的仿生复合膜，可以克服传统高分子复合膜的“上限平衡”效应，提升水通量和截盐率。

目前，用于水净化分离的含水通道蛋白磷脂复合膜主要可以分为两类：吸附在基膜表面的含水通道蛋白的磷脂双层膜和封装于基膜内的含水通道蛋白的磷脂囊泡。但吸附的磷脂双层膜与基膜之间仅依靠亲水作用力结合，使得这种复合膜的强度较低，在实际操作中的稳定性较差。而封装囊泡的复合膜，水分子需要两次通过水通道蛋白，降低了水通过效率。因此，开发一种新型的含水通道蛋白的磷脂复合膜，使其具有高复合强度和高水通过效率，对于发展膜科学技术在水处理、海水淡化及其他水资源领域的进一步应用，都具有良好的应用前景。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种含水通道蛋白的复合膜及其制备方法，以解决上述背景技术中的缺点。

一种含水通道蛋白的复合膜及其制备方法，包括以下步骤：（1）将磷脂酰乙醇胺的氯仿溶液吹干并干燥，加入去离子水或缓冲溶液，经震荡和超声，制备得到磷脂酰乙醇胺的囊泡体系；（2）在制得的囊泡中加入一定量水通道蛋白溶液，水通道蛋白的添加量为0.1%～10%，然后加入1%的n-辛基-β-D-吡喃葡萄糖苷，将混合体系转移至渗析袋渗析3天，得到水通道蛋白/磷脂酰乙醇胺囊泡；（3）将基膜置于多巴胺溶液中，震荡反应，然后用乙醇和去离子水中清洗，得到表面附有聚多巴胺层的复合膜；（4）把步骤（3）制得的聚多巴胺复合膜置于1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺溶液中活化0.5～2小时，然后加入N-羟基琥珀酰亚胺或磺化N-羟基琥珀酰亚胺溶液和步骤（2）制备的水通道蛋白/磷脂酰乙醇胺囊泡,反应2～6小时，得到与聚多巴胺层共价键结合的含水通道蛋白磷脂复合膜。

步骤（2）中所述水通道蛋白为水通道蛋白1、水通道蛋白z、水通道蛋白γ-TIP、水通道蛋白PIP、水通道蛋白NIP。

步骤（3）中所述基膜为有机基膜或无机基膜，多巴胺溶液的溶剂为海水、去离子水、pH 为6～10 的Tris-盐酸缓冲溶液、pH6～10 的磷酸盐缓冲溶液或质量分数为5～40％的乙醇水溶液。

步骤（4）中所述的1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺溶液的溶剂为去离子水、pH 为6～10 的Tris-盐酸缓冲溶液或pH为6～10 的磷酸盐缓冲溶液，浓度范围为0.05～1.00 mol/L，活化时间为0.5～2小时，N-羟基琥珀酰亚胺或磺化N-羟基琥珀酰亚胺溶液的溶剂为去离子水、pH 为6～10 的Tris-盐酸缓冲溶液或pH为6～10 的磷酸盐缓冲溶液，浓度范围为0.02～0.40 mol/L，反应时间为2～6小时。

制备方法中所述的有机基膜为聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯腈、聚砜、聚醚砜或聚偏氟乙烯，无机基膜为具有多孔构的氧化铝、二氧化钛、二氧化硅、硅酸镁、硅酸铝或碳膜，多孔结构孔径小于50nm，可通过刻蚀、模版法或电喷法制得。

有益效果：

本发明所制备的复合膜功能层和基膜之间存在共价键，复合强度大，耐浸蚀和抗水解性强，使用寿命长，表面亲水性好，水渗透性高，制备条件温和，在水处理、膜分离领域具有广泛的应用前景。

具体实施方式

为了使本发明的技术手段、创作特征、工作流程、使用方法达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

实施案例一：

一种含水通道蛋白的复合膜及其制备方法，包括以下步骤：

（1）将5ml 2mg/ml的1，2-二油酰基磷脂酰乙醇胺的氯仿溶液用氮气吹干并干燥，加入pH=8.0的PBS缓冲溶液20ml，经震荡和超声，制备得到1，2-二油酰基磷脂酰乙醇胺囊泡；

（2）加入水通道蛋白1(0.015 mmol/ml)/甘油(0.1mg/ml)/n-辛基-β-D-吡喃葡萄糖苷(0.01mg/ml)的PBS缓冲溶液1ml,将混合溶液装入截留分子量为7KDa的渗析袋中，然后在PBS缓冲溶液中渗析3天，得水通道蛋白/1，2-二油酰基磷脂酰乙醇胺囊泡；

（3）将聚砜基膜置于100ml pH=8.0的盐酸多巴胺（2mg/ml）Tris缓冲溶液中，30℃下恒温振荡反应24 h，后用乙醇和去离子水反复清洗，得到表面附有聚多巴胺的聚砜基膜；

（4）将此膜置于20ml 1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺（0.16mmol/ml）溶液中活化0.5小时，再加入20ml磺化N-羟基琥珀酰亚胺（0.08mol/ml）溶液和20ml水通道蛋白/1，2-二油酰基磷脂酰乙醇胺囊泡，反应2小时；

（5）去离子水漂洗，得到与聚多巴胺层共价键结合的含水通道蛋白磷脂复合膜。测定该分离膜性能，对于2000mg/L的MgSO4 和NaCl 混合溶液，操作压力0.4Mpa，水通量为76 L/m2h，Mg2+截留率为80%，Na+截留率为24％。

    实施案例二：

一种含水通道蛋白的复合膜及其制备方法，包括以下步骤：

（1）将5ml 2mg/ml的1，2-二油酰基磷脂酰乙醇胺的氯仿溶液用氮气吹干并干燥，加入pH=8.0的Tris缓冲溶液20ml，经震荡和超声，制备得到1，2-二油酰基磷脂酰乙醇胺囊泡；

（2）加入水通道蛋白1(0.015 mmol/ml)/甘油(0.1mg/ml)/n-辛基-β-D-吡喃葡萄糖苷(0.01mg/ml)的PBS缓冲溶液2ml,将混合溶液装入截留分子量为7KDa的渗析袋中，然后在PBS缓冲溶液中渗析3天，得水通道蛋白/1，2-二油酰基磷脂酰乙醇胺囊泡；

（3）将聚砜基膜置于100ml pH=8.0的盐酸多巴胺（2mg/ml）Tris缓冲溶液中，30℃下恒温振荡反应24 h，后用乙醇和去离子水反复清洗，得到表面附有聚多巴胺的聚砜基膜；

（4）将此膜置于20ml 1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺（0.16mmol/ml）溶液中活化0.5小时，再加入20ml磺化N-羟基琥珀酰亚胺（0.08mol/ml）溶液和20ml水通道蛋白/1，2-二油酰基磷脂酰乙醇胺囊泡，反应2小时；

（5）去离子水漂洗，得到与聚多巴胺层共价键结合的含水通道蛋白磷脂复合膜。测定该分离膜性能，对于2000mg/L的MgSO4 和NaCl 混合溶液，操作压力0.4Mpa，水通量为85 L/m2h，Mg2+截留率为73%，Na+截留率为22％。

实施案例三：

一种含水通道蛋白的复合膜及其制备方法，包括以下步骤：

（1）将5ml 2mg/ml的1，2-二肉豆蔻酰基磷脂酰乙醇胺的氯仿溶液用氮气吹干并干燥，加入pH=8.0的Tris缓冲溶液20ml，经震荡和超声，制备得到1，2-二肉豆蔻酰基磷脂酰乙醇胺囊泡；

（2）加入水通道蛋白1(0.015 mmol/ml)/甘油(0.1mg/ml)/n-辛基-β-D-吡喃葡萄糖苷(0.01mg/ml)的PBS缓冲溶液1ml,将混合溶液装入截留分子量为7KDa的渗析袋中，然后在PBS缓冲溶液中渗析3天，得水通道蛋白/1，2-二油酰基磷脂酰乙醇胺囊泡；

（3）将聚砜基膜置于100ml pH=8.0的盐酸多巴胺（2mg/ml）Tris缓冲溶液中，30℃下恒温振荡反应24 h，后用乙醇和去离子水反复清洗，得到表面附有聚多巴胺的聚砜基膜；

（4）将此膜置于20ml 1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺（0.16mmol/ml）溶液中活化0.5小时，再加入20ml磺化N-羟基琥珀酰亚胺（0.08mol/ml）溶液和20ml水通道蛋白/1，2-二肉豆蔻酰基磷脂酰乙醇胺囊泡，反应2小时；

（5）去离子水漂洗，得到与聚多巴胺层共价键结合的含水通道蛋白磷脂复合膜。测定该分离膜性能，对于2000mg/L的MgSO4 和NaCl 混合溶液，操作压力0.4Mpa，水通量为69 L/m2h，Mg2+截留率为89%，Na+截留率为31％。

实施案例四：

     一种含水通道蛋白的复合膜及其制备方法，包括以下步骤：

（1）将5ml 2mg/ml的1，2-二油酰基磷脂酰乙醇胺的氯仿溶液用氮气吹干并干燥，加入pH=8.0的PBS缓冲溶液20ml，经震荡和超声，制备得到1，2-二油酰基磷脂酰乙醇胺囊泡；

（2）加入水通道蛋白1(0.015 mmol/ml)/甘油(0.1mg/ml)/n-辛基-β-D-吡喃葡萄糖苷(0.01mg/ml)的PBS缓冲溶液1ml,将混合溶液装入截留分子量为7KDa的渗析袋中，然后在PBS缓冲溶液中渗析3天，得水通道蛋白/1，2-二油酰基磷脂酰乙醇胺囊泡；

（3）将聚醚砜基膜置于100ml pH=8.0的盐酸多巴胺（2mg/ml）Tris缓冲溶液中，30℃下恒温振荡反应24 h，后用乙醇和去离子水反复清洗，得到表面附有聚多巴胺的聚醚砜基膜；

（4）将膜置于20ml 1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺（0.16mmol/ml）溶液中活化0.5小时，再加入20ml磺化N-羟基琥珀酰亚胺（0.08mol/ml）溶液和20ml水通道蛋白/1，2-二油酰基磷脂酰乙醇胺囊泡，反应2小时；

（5）去离子水漂洗，得到与聚多巴胺层共价键结合的含水通道蛋白磷脂复合膜。测定该分离膜性能，对于2000mg/L的MgSO4 和NaCl 混合溶液，操作压力0.4Mpa，水通量为71 L/m2h，Mg2+截留率为77%，Na+截留率为24％。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种含水通道蛋白的复合膜及其制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）将磷脂酰乙醇胺的氯仿溶液吹干并干燥，加入去离子水或缓冲溶液，经震荡和超声，制备得到磷脂酰乙醇胺的囊泡体系；（2）在制得的囊泡中加入一定量水通道蛋白溶液，水通道蛋白的添加量为0.1%～10%，然后加入1%的n-辛基-β-D-吡喃葡萄糖苷，将混合体系转移至渗析袋渗析3天，得到水通道蛋白/磷脂酰乙醇胺囊泡；（3）将基膜置于多巴胺溶液中，震荡反应，然后用乙醇和去离子水中清洗，得到表面附有聚多巴胺层的复合膜；（4）把步骤（3）制得的聚多巴胺复合膜置于1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺溶液中活化0.5～2小时，然后加入N-羟基琥珀酰亚胺或磺化N-羟基琥珀酰亚胺溶液和步骤（2）制备的水通道蛋白/磷脂酰乙醇胺囊泡,反应2～6小时，得到与聚多巴胺层共价键结合的含水通道蛋白磷脂复合膜。

2.根据权利要求1所述的一种含水通道蛋白的复合膜及其制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述水通道蛋白为水通道蛋白1、水通道蛋白z、水通道蛋白γ-TIP、水通道蛋白PIP、水通道蛋白NIP。

3.根据权利要求1所述的一种含水通道蛋白的复合膜及其制备方法，其特征在于，步骤（3）中所述基膜为有机基膜或无机基膜，多巴胺溶液的溶剂为海水、去离子水、pH 为6～10 的Tris-盐酸缓冲溶液、pH6～10 的磷酸盐缓冲溶液或质量分数为5～40％的乙醇水溶液。

4.根据权利要求1所述的一种含水通道蛋白的复合膜及其制备方法，其特征在于，步骤（4）中所述的1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺溶液的溶剂为去离子水、pH 为6～10 的Tris-盐酸缓冲溶液或pH为6～10 的磷酸盐缓冲溶液，浓度范围为0.05～1.00 mol/L，活化时间为0.5～2小时，N-羟基琥珀酰亚胺或磺化N-羟基琥珀酰亚胺溶液的溶剂为去离子水、pH 为6～10 的Tris-盐酸缓冲溶液或pH为6～10 的磷酸盐缓冲溶液，浓度范围为0.02～0.40 mol/L，反应时间为2～6小时。

5.根据权利要求1所述的一种含水通道蛋白的复合膜及其制备方法，其特征在于，制备方法中所述的有机基膜为聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯腈、聚砜、聚醚砜或聚偏氟乙烯，无机基膜为具有多孔构的氧化铝、二氧化钛、二氧化硅、硅酸镁、硅酸铝或碳膜，多孔结构孔径小于50nm，可通过刻蚀、模版法或电喷法制得。