聚苯醚基中空纖維離子膜的制備及應(yīng)用研究.pdf

1、中空纖維離子交換膜廣泛應(yīng)用于蛋白質(zhì)的分離純化、重金屬離子的去除以及酶催化反應(yīng)等眾多領(lǐng)域。與現(xiàn)有的超濾、微濾過程用的中空纖維膜的制備相比，中空纖維離子交換膜直接紡絲制備的難度更大，這是因?yàn)殡x子膜具有較強(qiáng)的親水性，溶漲十分嚴(yán)重，機(jī)械強(qiáng)度下降迅速，因而常采用先制備中空纖維基膜，同時(shí)引入預(yù)功能化基團(tuán)，再進(jìn)行功能化制備離子交換膜。本課題以生物、醫(yī)藥和環(huán)境工業(yè)的需求為背景，以引入預(yù)功能化基團(tuán)和可交聯(lián)基團(tuán)的線性聚合物溴化聚苯醚(BPPO)作為基材，在

2、現(xiàn)有工作基礎(chǔ)上，開展新型中空纖維離子交換膜的制備及應(yīng)用研究工作，具體包括三方面。
　　 (1)通過乙二胺化和羧基化反應(yīng)過程制備中空纖維兩性離子交換膜，用于蛋白質(zhì)的分離純化。首先，通過紅外譜圖、兩性基團(tuán)密度、陰離子交換容量和陽(yáng)離子交換容量，證明了氨基和羧酸基團(tuán)已成功引入中空纖維膜，并研究了溫度、濃度和反應(yīng)時(shí)間對(duì)陰、陽(yáng)離子交換容量的影響。其次，采用掃描電子顯微鏡觀察到中空纖維膜的形貌在制備過程中沒有發(fā)生明顯變化，表明膜孔結(jié)構(gòu)沒有遭到

3、破壞。最后選取溶菌酶作為模型蛋白質(zhì)評(píng)價(jià)中空纖維兩性離子交換膜對(duì)蛋白質(zhì)的分離純化性能，研究吸附條件對(duì)吸附量的影響，結(jié)果表明：隨著吸附時(shí)間增長(zhǎng)，吸附量先增加，然后在25h趨于穩(wěn)定；隨著離子強(qiáng)度的增大，吸附量逐漸減??；初始濃度增加，吸附量先增加然后也趨于穩(wěn)定；pH值對(duì)兩性離子膜和溶菌酶的荷電性能都有影響，對(duì)吸附量的影響最大。上述結(jié)果表明，該法制備的中空纖維兩性離子膜對(duì)蛋白質(zhì)具有良好的分離純化性能。
　　 (2)通過胺化和磺化兩個(gè)反應(yīng)過

4、程制備了磺酸基中空纖維陽(yáng)離子交換膜，將其用于重金屬離子的去除。首先，制備過程由陽(yáng)離子交換容量和紅外譜圖進(jìn)行確定，同時(shí)研究了反應(yīng)時(shí)間、溫度和反應(yīng)物濃度等對(duì)陽(yáng)離子交換容量的影響。接著，從水含量看出，該中空纖維陽(yáng)離子交換膜具有較好的親水性能，并且親水性隨陽(yáng)離子交換容量增大而增強(qiáng)，這是因?yàn)橛H水基團(tuán)磺酸基的引入。然后從掃描電子顯微鏡觀察，在反應(yīng)前后，中空纖維膜的孔狀結(jié)構(gòu)基本保持不變。最后，為評(píng)價(jià)磺酸基中空纖維陽(yáng)離子交換膜對(duì)重金屬離子的去除效果，選

5、取銅離子作為模型離子，研究了吸附時(shí)間、銅離子溶液初始濃度和陽(yáng)離子交換容量對(duì)吸附量的影響。此外，采用Langmuir吸附等溫方程對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合，討論了銅離子在中空纖維陽(yáng)離子交換膜上的吸附機(jī)理，結(jié)果表明該吸附過程符合Langmuir吸附，接近單分子層吸附。上述結(jié)果表明，采用此法能夠成功研制磺酸基中空纖維陽(yáng)離子交換膜，可以有效去除重金屬離子。
　　 (3)通過胺化和羧基化制備了羧酸基中空纖維陽(yáng)離子交換膜，并將其作為載體進(jìn)行酶固定

6、化反應(yīng)。自由酶分離成本高、不穩(wěn)定以及對(duì)產(chǎn)品容易造成污染等缺陷限制了酶的使用范圍，而自由酶固定化可以克服這些缺陷。該部分首先制備了羧酸基中空纖維陽(yáng)離子交換膜，制備過程通過紅外譜圖和陽(yáng)離子交換容量來確定，從膜的親水性和機(jī)械性能表明，該中空纖維陽(yáng)離子交換膜可以作為酶固定載體：水含量的測(cè)定結(jié)果表明膜具有良好的親水性；從掃描電子顯微鏡觀察中空纖維膜和固定化纖維素酶膜的斷層結(jié)構(gòu)顯示，改性后膜的形態(tài)基本保持不變；機(jī)械強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果表明，在適當(dāng)?shù)碾x子交

7、換容量范圍內(nèi)該膜具有良好的機(jī)械穩(wěn)定性。其次，為評(píng)價(jià)中空纖維陽(yáng)離子交換膜對(duì)纖維素酶的固定化效果，測(cè)定了活化時(shí)間、碳二亞胺濃度、固定時(shí)間、pH值和纖維素酶溶液的初始濃度對(duì)固定化纖維素酶酶活的影響。上述結(jié)果也表明，此法可以成功制備親水性能和機(jī)械性能較高，適合用于酶固定化反應(yīng)的中空纖維陽(yáng)離子交換膜。
　　 總之，本文以溴化聚苯醚中空纖維膜為基膜，制備了中空纖維兩性離子交換膜、磺酸基中空纖維陽(yáng)離子交換膜和羧酸基中空纖維陽(yáng)離子交換膜，并分別