CN104888631A - 一种聚多巴胺/银改性聚合物分离膜及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种聚多巴胺/银改性聚合物分离膜及制备方法，配制三羟甲基氨基甲烷、盐酸多巴胺和水的混合溶液；将聚合物分离膜置于混合溶液中，振荡反应0.2h～5h，之后倒掉反应液，并用水清洗膜表面，得到聚多巴胺改性聚合物分离膜；配置含银氨溶液、稳定剂、还原剂和水的混合溶液；将聚多巴胺改性聚合物分离膜置于混合溶液中，振荡反应0.5h～5h，之后倒掉反应液，并用水清洗膜表面，得到聚多巴胺/银改性聚合物分离膜。分离膜具有良好的亲水性、渗透选择性能、抗污染性能和抗菌性能；操作简单，容易放大；膜的纯水通量提高10％～40％，对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和枯草杆菌的杀菌率均达到90％以上。
Description
技术领域
本发明涉及一种聚多巴胺/银改性聚合物分离膜及制备方法，属于膜分离技术领域。
背景技术
膜分离技术已成为新型化工单元操作之一，广泛应用于工业界的分离、浓缩和纯化过程。比如，多孔超滤膜在生物制品、医药制品、食品制品和废水回收等领域都有工程应用。复合纳滤膜和反渗透膜在食品工业和海水淡化等领域的应用越来越广泛。然而，长期以来，膜污染问题导致膜分离系统在运行过程中需要频繁清洗，降低膜元件的使用寿命，增加运行成本，严重影响着分离膜的进一步应用。
膜污染的来源主要包括无机污染、有机污染和生物污染。有机物(腐殖酸、蛋白质)和生物质(细菌、真菌)对膜的污染较为严重。蛋白质在聚合物膜表面和孔道内的吸附会造成不可逆污染，细菌和藻类容易在膜表面形成一层生物膜，难以清洗。有机污染和生物污染大幅降低膜通量，严重影响膜的使用效率。
为改善膜的抗污染和抗菌性能，研究者们通过采用表面或共混改性聚合物膜，构建亲水膜或抗菌膜以形成良好的表面防护层，抵抗有机物和微生物对膜的污染或损害。比如，研究者们通过在膜表面接枝聚乙二醇或两性离子聚合物，提高膜表面的亲水性，形成亲水防护层，抵抗有机污染物在膜表面的吸附。研究者们通过在膜表面或膜内部引入纳米抗菌材料，赋予聚合物膜的抗菌功能。然而，聚合物分离膜由于其疏水性较强(商品超滤膜的接触角约为80°，商品纳滤膜或反渗透膜的接触角约为50°)，对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和枯草杆菌不具备抑菌杀菌能力，在实际使用过程中往往会同时遭受到有机物和微生物的污染。因此，寻找一种简单通用、改善膜表面亲水性、赋予膜抗污染和抗菌性能的改性方法对聚合物分离膜的应用至关重要。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的一些不足，提供一种聚多巴胺/银改性聚合物分离膜的方法。聚多巴胺是一种环境友好的生物大分子，它可以通过多巴胺的自聚合粘附多种有机和无机基体，且聚多巴胺具有良好的亲水性，有利于聚合物分离膜抗污染性能的提高。纳米银是一种高效、安全、环保的天然杀菌剂，对大肠杆菌、枯草杆菌等微生物都有持久的抗菌作用。因此，本发明借助聚多巴胺的粘合作用，将纳米银结合在膜表面和膜内部，制备的改性聚合物分离膜渗透通量不变或提高，抗菌组分不易流失，制备工艺简单，易于操作和推广，具有良好的抗污染性能和抗菌性能。
本发明的一种聚多巴胺/银改性聚合物分离膜的方法，是通过下述技术方案加以实现的：
1)制备聚多巴胺改性聚合物分离膜：
配制三羟甲基氨基甲烷、盐酸多巴胺和水的混合溶液；将聚合物分离膜置于混合溶液中，振荡反应0.2h～5h，之后倒掉反应液，并用水清洗膜表面，得到聚多巴胺改性聚合物分离膜；
2)制备聚多巴胺/银改性聚合物分离膜：
配置含银氨溶液、稳定剂、还原剂和水的混合溶液；将聚多巴胺改性聚合物分离膜置于混合溶液中，振荡反应0.5h～5h，之后倒掉反应液，并用水清洗膜表面，得到聚多巴胺/银改性聚合物分离膜。
所述的三羟甲基氨基甲烷、盐酸多巴胺和水的混合溶液中，以水(L)的体积为基准，三羟甲基氨基甲烷的浓度为0.5g/L～2g/L，盐酸多巴胺的浓度为0.5g/L～3g/L。
所述聚合物分离膜为聚砜多孔膜、聚醚砜多孔膜、聚丙烯腈多孔膜、聚偏氟乙烯多孔膜或聚酰胺复合膜。
所述的稳定剂为聚乙烯吡咯烷酮、聚醚、聚乙二醇或羟乙基纤维素。
所述的还原剂为葡萄糖或硼氢化钠。
所述银氨溶液、稳定剂、还原剂和水的混合溶液中，以水(L)的体积为基准，硝酸银浓度为0.5g/L～8g/L，稳定剂浓度为0.5g/L～5g/L，还原剂浓度为0.5g/L～8g/L。
与未改性聚合物分离膜相比，本发明制备的聚多巴胺/银改性聚合物分离膜具有以下优点：(1)良好的亲水性；(2)良好的渗透选择性能；(3)优良的抗污染性能；(4)持久的抗菌性能；(5)操作简单，容易放大。相比未改性聚合物分离膜，聚多巴胺/银改性聚合物分离膜的亲水性得到改善(接触角下降10～30°)，膜的纯水通量提高10％～40％，对蛋白或盐的截留率基本不变，对牛血清蛋白水溶液的抗污染能力得到提高，过滤蛋白溶液后膜的通量恢复率提高10％～50％，对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和枯草杆菌的杀菌率均达到90％以上。
附图说明
图1为实施例1未改性聚砜多孔膜的扫描电镜照片。
图2为实施例1所制得的聚多巴胺/银改性聚砜多孔膜的扫描电镜照片。
具体实施方式
实施例1
(1)配制三羟甲基氨基甲烷、盐酸多巴胺和水的混合溶液。以水(L)的体积为基准，三羟甲基氨基甲烷的浓度为1.5g/L，盐酸多巴胺的浓度为1g/L。将聚砜多孔膜置于混合溶液中，振荡反应1h，之后倒掉反应液，并用水清洗膜表面，得到聚多巴胺改性聚合物分离膜。配置含银氨溶液、聚乙烯吡咯烷酮、葡萄糖和水的混合溶液。硝酸银浓度为2g/L，聚乙烯吡咯烷酮的浓度为2g/L，葡萄糖浓度为1g/L。将聚多巴胺改性聚砜膜置于混合溶液中，振荡反应1h，之后倒掉反应液，并用水清洗膜表面，得到聚多巴胺/银改性聚砜多孔膜。未改性聚砜多孔膜的扫描电镜照片见附图1。聚多巴胺/银改性聚砜多孔膜的扫描电镜照片见附图2。
经测试，相比未改性聚砜多孔膜，聚多巴胺/银改性聚砜多孔膜的亲水性得到改善(接触角下降18°)，膜的纯水通量提高30％，对牛血清蛋白的截留率基本不变，牛血清蛋白水溶液过滤后膜的通量恢复率提高20％，对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和枯草杆菌的杀菌率均达到90％以上。
实施例2
(1)配制三羟甲基氨基甲烷、盐酸多巴胺和水的混合溶液。以水(L)的体积为基准，三羟甲基氨基甲烷的浓度为0.5g/L，盐酸多巴胺的浓度为0.5g/L。将聚醚砜多孔膜置于混合溶液中，振荡反应5h，之后倒掉反应液，并用水清洗膜表面，得到聚多巴胺改性聚合物分离膜。配置含银氨溶液、聚乙二醇、硼氢化钠和水的混合溶液。硝酸银浓度为0.5g/L，聚乙二醇的浓度为1g/L，硼氢化钠浓度为0.5g/L。将聚多巴胺改性聚醚砜多孔膜置于混合溶液中，振荡反应5h，之后倒掉反应液，并用水清洗膜表面，得到聚多巴胺/银改性聚醚砜多孔膜。
经测试，相比未改性聚醚砜多孔膜，聚多巴胺/银改性聚醚砜多孔膜的亲水性得到改善(接触角下降15°)，膜的纯水通量提高40％，对牛血清蛋白的截留率基本不变，牛血清蛋白水溶液过滤后膜的通量恢复率提高30％，对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和枯草杆菌的杀菌率均达到90％以上。
实施例3
(1)配制三羟甲基氨基甲烷、盐酸多巴胺和水的混合溶液。以水(L)的体积为基准，三羟甲基氨基甲烷的浓度为2g/L，盐酸多巴胺的浓度为3g/L。将聚偏氟乙烯多孔膜置于混合溶液中，振荡反应0.2h，之后倒掉反应液，并用水清洗膜表面，得到聚多巴胺改性聚合物分离膜。配置含银氨溶液、聚醚、葡萄糖和水的混合溶液。硝酸银浓度为5g/L，聚醚的浓度为0.5g/L，葡萄糖浓度为2g/L。将聚多巴胺改性聚偏氟乙烯膜置于混合溶液中，振荡反应0.5h，之后倒掉反应液，并用水清洗膜表面，得到聚多巴胺/银改性聚偏氟乙烯膜。
经测试，相比未改性聚偏氟乙烯膜，聚多巴胺/银改性聚偏氟乙烯膜的亲水性得到改善(接触角下降30°)，膜的纯水通量提高40％，对牛血清蛋白的截留率基本不变，牛血清蛋白水溶液过滤后膜的通量恢复率提高50％，对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和枯草杆菌的杀菌率均达到90％以上。
实施例4
(1)配制三羟甲基氨基甲烷、盐酸多巴胺和水的混合溶液。以水(L)的体积为基准，三羟甲基氨基甲烷的浓度为1g/L，盐酸多巴胺的浓度为3g/L。将聚酰胺复合膜置于混合溶液中，振荡反应5h，之后倒掉反应液，并用水清洗膜表面，得到聚多巴胺改性聚合物分离膜。配置含银氨溶液、羟乙基纤维素、葡萄糖和水的混合溶液。硝酸银浓度为8g/L，聚乙烯吡咯烷酮的浓度为3g/L，葡萄糖浓度为8g/L。将聚多巴胺改性聚酰胺复合膜置于混合溶液中，振荡反应1h，之后倒掉反应液，并用水清洗膜表面，得到聚多巴胺/银改性聚酰胺复合膜。
经测试，相比未改性聚酰胺复合膜，聚多巴胺/银改性聚酰胺复合膜的亲水性得到改善(接触角下降10°)，膜的纯水通量提高10％，对氯化钠的截留率基本不变，牛血清蛋白水溶液过滤后膜的通量恢复率提高10％，对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和枯草杆菌的杀菌率均达到90％以上。
实施例5
(1)配制三羟甲基氨基甲烷、盐酸多巴胺和水的混合溶液。以水(L)的体积为基准，三羟甲基氨基甲烷的浓度为1g/L，盐酸多巴胺的浓度为2g/L。将聚丙烯腈膜置于混合溶液中，振荡反应3h，之后倒掉反应液，并用水清洗膜表面，得到聚多巴胺改性聚合物分离膜。配置含银氨溶液、聚乙二醇、葡萄糖和水的混合溶液。硝酸银浓度为3g/L，聚乙二醇的浓度为5g/L，硼氢化钠浓度为1g/L。将聚多巴胺改性聚丙烯腈膜置于混合溶液中，振荡反应0.5h，之后倒掉反应液，并用水清洗膜表面，得到聚多巴胺/银改性聚丙烯腈膜。
经测试，相比未改性聚丙烯腈膜，聚多巴胺/银改性聚丙烯腈膜的亲水性得到改善(接触角下降12°)，膜的纯水通量提高20％，对牛血清蛋白的截留率基本不变，牛血清蛋白水溶液过滤后膜的通量恢复率提高20％，对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和枯草杆菌的杀菌率均达到90％以上。
Claims (7)
1.一种聚多巴胺/银改性聚合物分离膜；其特征是多巴胺的自聚合粘附多种有机和无机基体，借助聚多巴胺的粘合作用，将纳米银结合在膜表面和膜内部，得到聚多巴胺/银改性聚合物分离膜。
2.一种聚多巴胺/银改性聚合物分离膜的方法；包括以下步骤：
1)制备聚多巴胺改性聚合物分离膜：
配制三羟甲基氨基甲烷、盐酸多巴胺和水的混合溶液；将聚合物分离膜置于混合溶液中，振荡反应0.2h～5h，之后倒掉反应液，并用水清洗膜表面，得到聚多巴胺改性聚合物分离膜；
2)制备聚多巴胺/银改性聚合物分离膜：
配置含银氨溶液、稳定剂、还原剂和水的混合溶液；将聚多巴胺改性聚合物分离膜置于混合溶液中，振荡反应0.5h～5h，之后倒掉反应液，并用水清洗膜表面，得到聚多巴胺/银改性聚合物分离膜。
3.如权利要求2所述的方法，其特征是所述的三羟甲基氨基甲烷、盐酸多巴胺和水的混合溶液中，以水的体积为基准，三羟甲基氨基甲烷的浓度为0.5g/L～2g/L，盐酸多巴胺的浓度为0.5g/L～3g/L。
4.如权利要求2所述的方法，其特征是所述聚合物分离膜为聚砜多孔膜、聚醚砜多孔膜、聚丙烯腈多孔膜、聚偏氟乙烯多孔膜或聚酰胺复合膜。
5.如权利要求2所述的方法，其特征是所述的稳定剂为聚乙烯吡咯烷酮、聚醚、聚乙二醇或羟乙基纤维素。
6.如权利要求2所述的方法，其特征是所述的还原剂为葡萄糖或硼氢化钠。
7.如权利要求2所述的方法，其特征是所述银氨溶液、稳定剂、还原剂和水的混合溶液中，以水的体积为基准，硝酸银浓度为0.5g/L～8g/L，稳定剂浓度为0.5g/L～5g/L，还原剂浓度为0.5g/L～8g/L。
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