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丙烯腈—磺胺共聚物超滤膜的制备及其抗污染性能研究

作　者: 孙强
导　师: 姜忠义
学　校: 天津大学
专　业: 生物分子工程
关键词: 聚丙烯腈磺胺超滤膜抗蛋白质污染刺激-响应性
分类号: TQ320.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

聚丙烯腈(PAN)具有优良的化学稳定性、热稳定性以及良好的机械性能,因而在各类超滤膜的制备中得到了广泛的应用。但PAN膜表面亲水性较差,在超滤过程中易产生膜污染,严重影响其分离效率。本论文以解决聚丙烯腈超滤膜在生物分离过程中的膜污染问题为出发点,应用磺胺两性基团通过共聚方法对PAN膜材料进行亲水改性,以提高PAN超滤膜的抗污染性能。通过自由基聚合方法合成了PAN-磺胺共聚物,使用反相成膜技术制备了PAN-磺胺共聚物膜及其共混膜。XPS和接触角实验结果表明,改性后的膜表面磺胺基团含量增加,膜亲水性增强;SEM照片显示改性膜中指状大孔结构减少,海绵状结构增加;超滤实验数据表明共聚改性对膜分离性能产生一定影响;通过对膜污染指数的分析发现共聚改性可有效提高PAN超滤膜的抗污染(尤其是抗不可逆污染)性能。随磺胺基团在膜内含量的增加,膜的通量恢复率由47%上升至95%。经三次重复使用以后,PAN-磺胺共聚物膜的通量恢复率仍可达到92%。研究发现PAN-DMMSA膜具有显著的智能性,随着原料液离子强度和pH值的增大,PAN-DMMSA膜的渗透通量相应增大。使用红外光谱技术分析了在不同离子强度和pH值下膜化学结构的变化,发现随着离子强度和pH值的增加处于解离状态的SO3-基团的比例显著增加。尝试应用反平行离子簇理论模型对PAN-DMMSA膜的离子强度和pH值响应行为加以解释:当受到外界离子强度和pH值刺激时,PAN-DMMSA膜的化学结构发生变化,膜内由SO3-基团和R4N+基团组成的反平行离子簇,从非解离状态向解离状态转变;此过程使膜从密实态过渡到溶胀态,最终导致了膜通量的变化。通过改变铸膜液浓度,制备了具有不同截留特性的PAN-DMMSA超滤膜。以酵母菌和BSA的混合溶液来模拟发酵液体系,使用PAN-DMMSA超滤膜实现了对发酵液中蛋白质(BSA)的分离。在超滤过程中,BSA可以完全透过膜,而未造成显著的膜污染,而酵母菌被100%截留。发酵液通量稍低于纯BSA溶液通量,但仍能维持在60 L/(m2h)左右,且清洗后通量恢复率达到80%以上。

全文目录

摘要  2-3
ABSTRACT  3-7
前言  7-9
第一章文献综述  9-21
  1.1 研究背景  9-11
    1.1.1 超滤过程简介  9-10
    1.1.2 超滤过程中的膜污染  10-11
  1.2 聚丙烯腈膜材料的改性方法  11-14
    1.2.1 PAN的共混改性  11-12
    1.2.2 PAN的接枝改性  12-13
    1.2.3 PAN的共聚改性  13-14
  1.3 膜表面改性分子的研究进展  14-16
    1.3.1 两性基团  14
    1.3.2 PC基团  14-15
    1.3.3 磺胺基团  15-16
  1.4 智能膜  16-19
    1.4.1 刺激-响应型聚合物  16-18
    1.4.2 智能膜  18-19
  1.5 研究内容  19-21
第二章 PAN-磺胺共聚物膜及其共混膜的制备和膜性能研究  21-39
  2.1 引言  21
  2.2 实验材料与方法  21-29
    2.2.1 主要实验试剂  21
    2.2.2 主要实验仪器与设备  21-22
    2.2.3 PAN-磺胺共聚物的制备  22-24
    2.2.4 PAN-磺胺共聚物的表征  24-25
    2.2.5 PAN-磺胺共聚物膜及其共混膜的表征  25-27
    2.2.6 PAN-磺胺共聚物膜及其共混膜的分离性能  27-28
    2.2.7 超滤过程中的污染指数及抗污染性能分析  28-29
  2.3 结果与讨论  29-37
    2.3.1 PAN-磺胺共聚物的表征结果  29-30
    2.3.2 PAN-磺胺共聚物膜及其共混膜的表征结果  30-33
    2.3.3 PAN-磺胺共聚物膜及其共混膜超滤分离性能评价  33-35
    2.3.4 PAN-磺胺共聚物膜及其共混膜的污染指数  35-36
    2.3.5 PAN-磺胺共聚物膜的抗污染机理  36
    2.3.6 PAN-磺胺共聚物膜的可重复利用性  36-37
  2.4 小结  37-39
第三章 PAN-DMMSA膜刺激-响应行为的研究  39-54
  3.1 前言  39
  3.2 实验材料与方法  39-43
    3.2.1 主要实验试剂  39
    3.2.2 主要实验仪器与设备  39-40
    3.2.3 PAN-DMMSA共聚物的制备  40-41
    3.2.4 PAN-DMMSA膜的制备  41-42
    3.2.5 PAN-DMMSA共聚物的表征  42
    3.2.6 PAN-DMMSA膜的表征  42
    3.2.7 PAN-DMMSA膜分离特性评价  42-43
  3.3 结果与讨论  43-53
    3.3.1 PAN-DMMSA共聚物及PAN-DMMSA膜的表征结果  43-47
    3.3.2 PAN-DMMSA膜的离子强度响应特性  47-49
    3.3.3 PAN-DMMSA膜的pH值响应特性  49-51
    3.3.4 PAN-DMMSA膜在不同pH值下的蛋白质超滤特性  51-53
  3.4 小结  53-54
第四章 PAN-DMMSA膜在分离发酵液中蛋白质的应用  54-60
  4.1 前言  54
  4.2 实验材料与方法  54-56
    4.2.1 主要实验试剂  54-55
    4.2.2 主要实验仪器与设备  55
    4.2.3 PAN-DMMSA共聚物的制备及PAN-DMMSA膜的制备  55
    4.2.4 PAN-DMMSA膜分离特性评价  55-56
  4.3 结果与讨论  56-59
    4.3.1 PAN-DMMSA膜对BSA分离特性  56-58
    4.3.2 PAN-DMMSA膜对模拟发酵液体系的分离特性  58-59
  4.4 小结  59-60
第五章结论  60-62
参考文献  62-67
发表论文和科研情况说明  67-68
致谢  68

丙烯腈—磺胺共聚物超滤膜的制备及其抗污染性能研究

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