CN112044280A - 一种抗膜生物污染涂层及其制备方法 - Google Patents

一种抗膜生物污染涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种抗膜生物污染涂层及其制备方法，该涂层的制备方法包括：(1)将聚偏氟乙烯和溶剂一混合均匀后加入抗菌肽，于65～85℃溶解，得到抗菌肽涂层液；(2)将抗菌肽涂层液利用静电纺丝工艺喷涂在膜表面；(3)将喷涂完抗菌肽涂层液的膜进行溶剂蒸汽焊接处理；(4)处理结束后采用溶剂二冲洗后在膜表面形成所述抗膜生物污染涂层。本发明抗膜生物污染涂层的制备方法主要利用静电纺丝机将抗菌肽涂层液均匀的喷涂在膜表面，从而对膜的表面进行改性，达到抗菌的目的。静电纺丝工艺具有操作简单，喷涂均匀，容易控制的特点。此外，利用抗菌肽的广谱杀菌作用，在水处理领域中可有效降低膜的生物污染，增加膜的使用寿命，并且抗菌效果好。

Description

一种抗膜生物污染涂层及其制备方法
技术领域
本发明属于抗菌涂层制备技术领域，具体涉及一种抗膜生物污染涂层及其制备方法。
背景技术
淡水资源紧缺和能源危机是制约当前社会发展与经济进步的重要因素，膜技术近年来发展迅速，成为世界范围内膜分离领域的热点之一。但尽管膜技术应用广泛，潜力巨大，在膜分离过程中的膜污染问题仍然亟待解决。
膜污染存在于所有的膜分离过程中，常见的污染物可分为4类：溶解性无机物、胶体粒子，有机物及微生物。其中溶解性无机物污染以可溶性无机盐为主，在膜分离过程中能够沉淀在膜表面，并在膜表面或者膜孔内结垢进而影响膜通量。有机污染包括一系列有机化合物，如蛋白质，腐殖酸，果糖，氨基酸，核酸等。能够在膜表面堆积并形成滤饼层，造成膜通量下降，分离效率降低。胶体粒子污染包括黏土矿物，硅胶，铁、铝、锰的氧化物，有机胶体和悬浮物，以及碳酸钙沉淀等。在膜分离过程中倾向于在膜表面上不断堆积形成滤饼层，不仅会导致膜通量下降，膜孔堵塞，还将使物理手段清除膜表面污染变得更加困难。而相比于有机污染、无机污染和胶体粒子污染，生物污染是膜分离技术中最为严重的污染现象。在水处理过程中，污水中往往含有大量的微生物，在过滤的过程中会附着在膜表面，造成膜孔堵塞，降低膜的使用寿命。并且生物污染中细菌分泌的粘性胞外聚合物与细菌与膜表面的强粘附作用都使生物污染的清除变得尤为困难。因此，膜的生物污染问题成为当前制约膜技术在水处理领域发展和应用的重要因素。
影响膜污染的因素有很多：膜的性质、原料液性质、膜的置向、操作条件均是膜污染的影响因素。虽然通过优化操作条件可以减轻膜污染，但不能彻底解决膜污染问题。因此，开发抗污染膜涂层，提高膜的抗菌性是根治膜污染的重要解决方案。
目前，国内外学者在提高膜的抗污染性能方面进行了大量的研究。其中表面改性是当前发展抗污染膜的主要策略之一，通过交联，接枝，引入纳米粒子等手段对膜进行表面亲水改性，可将亲水聚合物分子或者亲水性纳米材料嵌入膜表面，调控膜表面粗糙度、表面电荷、亲水性等性质，进而调控膜表面与污染物之间的界面作用力，提高膜的抗污性能。
Venault等合成了Polystyrene-b-poly(ethyleneglycol)(Ps-b-PEG)共聚物，其中，聚苯乙烯与聚偏氟乙烯(PVDF)具有良好的相容性，而聚乙二醇(PEG)具有良好的亲水性，通过PVDF与两亲性共聚物共混得到PVDF膜。膜表面的PEG提高了亲水性，接触角可从85°下降至59°。与此同时，膜表面蛋白质吸附由0.087mg/cm2降低至0.024mg/cm2，细菌在膜表面的吸附数量与PVDF原膜相比降低了99％。共混两亲性嵌段共聚物后，PVDF膜的抗污染性能得到显著提升。但Ps-b-PEG共聚物的合成技术复杂且成本高昂，且与成膜高分子材料的相容性也需要进一步的探究。并且共聚物的后期处理不当会造成环境污染。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种抗膜生物污染涂层及其制备方法，该涂层具有抗污能力强、制备过程简单、绿色环保等多种优点。本发明的技术方案为：
第一个方面，本发明提供一种抗膜生物污染涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)将聚偏氟乙烯和溶剂一混合均匀后加入抗菌肽，于65～85℃溶解，得到抗菌肽涂层液；
(2)将抗菌肽涂层液利用静电纺丝工艺喷涂在膜表面；
(3)将喷涂完抗菌肽涂层液的膜进行溶剂蒸汽焊接处理；
(4)处理结束后采用溶剂二冲洗后在膜表面形成所述抗膜生物污染涂层。
进一步地，所述步骤(1)中溶剂一为二甲基乙酰胺和丙酮按照体积比为3:2配制。
进一步地，所述步骤(1)中聚偏氟乙烯在所述抗菌肽涂层液中的浓度为20～30g/L。
进一步地，所述步骤(1)中抗菌肽的加入量以所述抗菌肽在所述抗菌肽涂层液中的质量百分比为0.02～0.05％计。
进一步地，所述步骤(2)中静电纺丝工艺的具体控制参数为：辊筒转速为300～500rpm，喷头与辊筒距离为10～20cm，纺丝电压为10～15kV，温度为25～35℃。
进一步地，所述步骤(2)中静电纺丝工艺的具体控制参数优选为：辊筒转速为300rpm，喷头与辊筒距离为10cm，纺丝电压为15kV，温度为30℃。
进一步地，所述步骤(3)中溶剂蒸汽焊接处理的具体控制参数为：处理溶剂为二甲基乙酰胺，温度为65～75℃，时间为110～130min。
进一步地，所述步骤(4)中溶剂二为乙醇。
第二个方面，本发明提供一种抗膜生物污染涂层，是采用上述方法制备。
第三个方面，本发明提供一种抗膜生物污染膜，包括上述抗膜生物污染涂层。
本发明的有益效果在于：本发明抗膜生物污染涂层的制备方法主要利用静电纺丝机将抗菌肽涂层液均匀的喷涂在膜表面，从而对膜的表面进行改性，达到抗菌的目的。静电纺丝工艺具有操作简单，喷涂均匀，容易控制的特点。此外，利用抗菌肽的广谱杀菌作用，在水处理领域中可有效降低膜的生物污染，增加膜的使用寿命，并且抗菌效果好。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的抗菌肽涂层膜的细菌附着情况。
图2为本发明实施例2制备的抗菌肽涂层膜的细菌附着情况。
图3为本发明对比例1制备的抗菌肽涂层膜的细菌附着情况。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要说明的是，实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
实施例1
本实施例提供一种抗膜生物污染涂层的制备方法，其制备方法包括以下步骤：
(1)将二甲基乙酰胺和丙酮按照体积比为3:2配制成混合溶剂，再将聚偏氟乙烯加入该混合溶剂中混匀，加入抗菌肽，于75℃溶解，得到抗菌肽涂层液，其中聚偏氟乙烯在涂层液中的浓度为20g/L，抗菌肽在涂层液中的质量百分比为0.03％；
(2)将涂层液利用静电纺丝工艺喷涂在膜表面，其中静电纺丝工艺的具体控制参数如表1所示；
表1静电纺丝工艺的具体控制参数
Figure BDA0002084735100000041
Figure BDA0002084735100000051
(3)将喷涂完抗菌肽涂层液的膜进行溶剂蒸汽焊接处理，其中溶剂蒸汽焊接处理的具体控制参数为：处理溶剂为二甲基乙酰胺，温度为70℃，时间为120min；
(4)处理结束后采用乙醇冲洗后在膜表面形成所述抗膜生物污染涂层。
实施例2
本实施例提供一种抗膜生物污染涂层的制备方法，其制备方法包括以下步骤：
(1)将二甲基乙酰胺和丙酮按照体积比为3:2配制成混合溶剂，再将聚偏氟乙烯加入该混合溶剂中混匀，加入抗菌肽，于75℃溶解，得到抗菌肽涂层液，其中聚偏氟乙烯在涂层液中的浓度为30g/L，抗菌肽在涂层液中的质量百分比为0.05％；
(2)将涂层液利用静电纺丝工艺喷涂在膜表面，其中静电纺丝工艺的具体控制参数如表2所示；
表2静电纺丝工艺的具体控制参数
Figure BDA0002084735100000061
(3)将喷涂完抗菌肽涂层液的膜进行溶剂蒸汽焊接处理，其中溶剂蒸汽焊接处理的具体控制参数为：处理溶剂为二甲基乙酰胺，温度为75℃，时间为130min；
(4)处理结束后采用乙醇冲洗后在膜表面形成所述抗膜生物污染涂层。
对比例1
对比膜片的制备：不加入抗菌肽，其它条件同实施例1。
将对比膜片与实施例1、实施例2制备的膜进行对照实验，如下：
(1)将三张膜片剪成相同大小，装入相同的膜组件中。取珠江水为循环水，(用0.45μm孔径的微孔滤膜过滤掉大的悬浮颗粒)。加入一定量的NaCl，调节水的电导率到3～5ms/cm。(制造海洋水环境)。然后加入两种海洋微生物(海绵假单胞菌Pseudomonaspachastrellae，威尼斯不动杆菌Acinetobacter venetianus)，在室温情况下，以200mL/min的流速进行循环流动性培养，并连续运行22天。
(2)取三片膜的中间部分进行革兰氏染色，在显微镜下观察细菌吸附分布情况。如图1～3所示。根据图可知：与对照膜相比较，抗菌肽膜上细菌吸附量较少，抗污染性强。
综上，在本发明具体实施例中，利用静电纺丝技术，将含有抗菌肽涂层液均匀的喷涂在膜表面，对膜表面进行改性，并利用抗菌肽的广谱杀菌作用，增强膜的抗生物污染特性。此外，本发明的制备方法简单易行，成本低下，绿色环保。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种抗膜生物污染涂层的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将聚偏氟乙烯和溶剂一混合均匀后加入抗菌肽，于65～85℃溶解，得到抗菌肽涂层液；
(2)将抗菌肽涂层液利用静电纺丝工艺喷涂在膜表面；
(3)将喷涂完抗菌肽涂层液的膜进行溶剂蒸汽焊接处理；
(4)处理结束后采用溶剂二冲洗后在膜表面形成所述抗膜生物污染涂层。
2.根据权利要求1所述的一种抗膜生物污染涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中溶剂一为二甲基乙酰胺和丙酮按照体积比为3:2配制。
3.根据权利要求1所述的一种抗膜生物污染涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中聚偏氟乙烯在所述抗菌肽涂层液中的浓度为20～30g/L。
4.根据权利要求1所述的一种抗膜生物污染涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中抗菌肽的加入量以所述抗菌肽在所述抗菌肽涂层液中的质量百分比为0.02～0.05％计。
5.根据权利要求1所述的一种抗膜生物污染涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中静电纺丝工艺的具体控制参数为：辊筒转速为300～500rpm，喷头与辊筒距离为10～20cm，纺丝电压为10～15kV，温度为25～35℃。
6.根据权利要求5所述的一种抗膜生物污染涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中静电纺丝工艺的具体控制参数优选为：辊筒转速为300rpm，喷头与辊筒距离为10cm，纺丝电压为15kV，温度为30℃。
7.根据权利要求1所述的一种抗膜生物污染涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中溶剂蒸汽焊接处理的具体控制参数为：处理溶剂为二甲基乙酰胺，温度为65～75℃，时间为110～130min。
8.根据权利要求1所述的一种抗膜生物污染涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中溶剂二为乙醇。
9.一种抗膜生物污染涂层，其特征在于：是采用权利要求1～8任意一项权利要求所述的制备方法制备。
10.一种抗膜生物污染膜，其特征在于：包括权利要求9所述的一种抗膜生物污染涂层。
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