多巴胺改性聚砜复合超滤膜的二次修饰及性能评价研究

多巴胺改性聚砜复合超滤膜的二次修饰及性能评价研究

摘要

膜分离技术是20世纪新产生的新型的分离技术，是与石油化工、生物学、环境资源、食品、医学等众多学科的交叉的产物。相比于原有的分离技术，膜分离技术所产生的社会效益和经济效益更大。膜分离技术不仅仅操作简单、节能环保，能实现分离、纯化、浓缩和精制等过程，在水处理、环境、能源、航空航天及生物医用等领域具有极其广泛的应用前景。当然，膜技术也有一定的局限性。膜容易受到污染而发生堵塞，使膜的使用寿命大大降低，操作成本得以提高。膜的持久性和耐用性问题，成本问题都成为膜分离技术发展的限制因素。

膜污染是阻碍超滤膜应用的重要因素，提高膜的亲水性和抗菌性可以有效的降低膜污染。多巴胺（DA）仿生粘附的自聚合技术为膜的亲水改性和抗菌改性提供了有效的途径。本文利用DA的自聚合反应用以改性聚砜（PSf）超滤膜，接着在改性的超滤膜上负载亲水性基团和抗菌性物质，并对膜的过滤阻力、亲水性、官能团、结构和膜的抗菌性能等进行了各种表征。

1.实验部分

1.1实验药品与仪器

实验药品如下表所示：

实验仪器如表2所示：

1.2实验方法与过程

取15 g的干燥后的聚砜（PSf）做原料、8 g的聚乙烯吡咯烷酮（PVP）做致孔剂、77 g的N-甲基-2-吡络烷酮（NMP）做溶剂制备成铸膜液，混合搅拌48小时使铸膜液充分混合均匀，变成均匀透明呈淡黄色的聚合物溶液。如图1所示，将少许铸膜液倒置在黑色玻璃板上，用刮膜刀将铸膜液刮开，放置在空气中10s，接着将玻璃板平稳的放置在60℃的恒温水浴中反应30 min，制备成PSf超滤膜，取出晾干放在密封袋中保存备用。
配置0.01 mol·L^-1的Tris缓冲溶液，用盐酸将pH调节到8.5，接着以此做溶剂，配制2g·L^-1的多巴胺溶液，将上述制备的PSf超滤膜浸泡在配好的多巴胺溶液中，3h后，将膜取出，用纯水洗净，制备成涂覆有PDA的PSf超滤膜，记作PSf-PDA。
如图2所示，将用多巴胺溶液涂覆的PSf膜分别浸泡在1 g·L^-1的PEG、mPEG-NH₂、HO-PEG-NH₂水溶液中，1h后将膜取出，用超纯水洗净晾干，制备成接枝有PEG、mPEG-NH₂、HO-PEG-NH₂的PSf超滤膜，并对其性能和结构进行测试。三种膜分别记为PSf-PEG、PSf-mPEG-NH₂、PSf-HO-mPEG-NH₂。

1.3亲水性PSf-PDA超滤膜的结构和性能表征

1.3.1 膜通量及膜阻力表征

膜通量是表征在单位时间、单位面积内透过膜的水的量，是检验膜材料性能的重要指标。测定条件一般在压力0.1MPa到0.5MPa之间。本实验采用超滤杯（Model 8050，Millipore，America）来过滤纯水，其直径为44.6 mm，有效膜面积为13.4 cm²。膜通量测定装置如图2-3所示。剪取面积为15.6 cm²的圆形PSf超滤膜，将PSf超滤膜放到超滤杯里，室温下装入超纯水，在0.15MPa的氮气的压力下将PSf超滤膜压实稳定0.5 h，之后进行膜通量的测定。透过的水的质量通过天平将数据传输到计算机，通过一定时间内透过的水的通量来计算。测3次取平均值。

1.3.2接触角表征

本实验采用德国Dataphysics的OCA25接触角测量仪，利用悬滴法来表征PSf超滤膜的表面的接触角，将PSf超滤膜清洗干净后干燥，使用仪器自带的超细针头将1μL的超纯水滴在PSf超滤膜的上表面上，用软件确定基线之后，利用接触角测量仪上的摄像装置拍摄到纯水水滴在PSf超滤膜表面上的照片，选取2θ法拟合水滴的外形轮廓，通过测算得出接触角的值。为了减小实验的操作误差，每个样品测定10次，取平均值和标准偏差。通过对比PSf膜，PDA涂覆后的膜，通过PDA涂覆后分别添加PEG、mPEG-NH₂、HO-PEG-NH₂后的膜的接触角，表征经过改性后各种膜的接触角的变化。

2.结果与讨论

2.1 PSf-PDA复合超滤膜的结构表征
2.1.1 外观形貌表征
多巴胺在溶解到Tris溶液的过程中，由于有氧气的存在，会使多巴胺发生聚合反应，从而溶液的颜色会由无色逐渐变成棕黄色，最后变成深褐色。自聚合产生的聚多巴胺（PDA）会在超滤膜的表面形成一层深褐色的PDA涂覆层。而在继续接枝了PEG、mPEG-NH₂、HO-PEG-NH₂之后，颜色并没有发生变化（如图5所示）。

2.1.2膜阻力表征

不同超滤膜的膜阻力如下图6所示：

在经过DA涂覆之后，然后分别用PEG、mPEG-NH₂ 、HO-PEG-NH₂ 进行接枝，接枝后，PSf膜的接触角明显降低，而且在同等浓度同等时间接枝上述三种物质后，膜的接触角依次降低，亲水性依次增大，膜阻力依次降低，综合膜制备成本和改性效果，选择mPEG-NH₂作为合适的接枝物。