聚苯醚基中空纤维离子膜的制备及应用研究

【摘要】： 中空纤维离子交换膜广泛应用于蛋白质的分离纯化、重金属离子的去除以及酶催化反应等众多领域。与现有的超滤、微滤过程用的中空纤维膜的制备相比,中空纤维离子交换膜直接纺丝制备的难度更大,这是因为离子膜具有较强的亲水性,溶涨十分严重,机械强度下降迅速,因而常采用先制备中空纤维基膜,同时引入预功能化基团,再进行功能化制备离子交换膜。本课题以生物、医药和环境工业的需求为背景,以引入预功能化基团和可交联基团的线性聚合物溴化聚苯醚(BPPO)作为基材,在现有工作基础上,开展新型中空纤维离子交换膜的制备及应用研究工作,具体包括三方面。 (1)通过乙二胺化和羧基化反应过程制备中空纤维两性离子交换膜,用于蛋白质的分离纯化。首先,通过红外谱图、两性基团密度、阴离子交换容量和阳离子交换容量,证明了氨基和羧酸基团已成功引入中空纤维膜,并研究了温度、浓度和反应时间对阴、阳离子交换容量的影响。其次,采用扫描电子显微镜观察到中空纤维膜的形貌在制备过程中没有发生明显变化,表明膜孔结构没有遭到破坏。最后选取溶菌酶作为模型蛋白质评价中空纤维两性离子交换膜对蛋白质的分离纯化性能,研究吸附条件对吸附量的影响,结果表明：随着吸附时间增长,吸附量先增加,然后在25h趋于稳定；随着离子强度的增大,吸附量逐渐减小；初始浓度增加,吸附量先增加然后也趋于稳定；pH值对两性离子膜和溶菌酶的荷电性能都有影响,对吸附量的影响最大。上述结果表明,该法制备的中空纤维两性离子膜对蛋白质具有良好的分离纯化性能。 (2)通过胺化和磺化两个反应过程制备了磺酸基中空纤维阳离子交换膜,将其用于重金属离子的去除。首先,制备过程由阳离子交换容量和红外谱图进行确定,同时研究了反应时间、温度和反应物浓度等对阳离子交换容量的影响。接着,从水含量看出,该中空纤维阳离子交换膜具有较好的亲水性能,并且亲水性随阳离子交换容量增大而增强,这是因为亲水基团磺酸基的引入。然后从扫描电子显微镜观察,在反应前后,中空纤维膜的孔状结构基本保持不变。最后,为评价磺酸基中空纤维阳离子交换膜对重金属离子的去除效果,选取铜离子作为模型离子,研究了吸附时间、铜离子溶液初始浓度和阳离子交换容量对吸附量的影响。此外,采用Langmuir吸附等温方程对实验数据进行了拟合,讨论了铜离子在中空纤维阳离子交换膜上的吸附机理,结果表明该吸附过程符合Langmuir吸附,接近单分子层吸附。上述结果表明,采用此法能够成功研制磺酸基中空纤维阳离子交换膜,可以有效去除重金属离子。 (3)通过胺化和羧基化制备了羧酸基中空纤维阳离子交换膜,并将其作为载体进行酶固定化反应。自由酶分离成本高、不稳定以及对产品容易造成污染等缺陷限制了酶的使用范围,而自由酶固定化可以克服这些缺陷。该部分首先制备了羧酸基中空纤维阳离子交换膜,制备过程通过红外谱图和阳离子交换容量来确定,从膜的亲水性和机械性能表明,该中空纤维阳离子交换膜可以作为酶固定载体：水含量的测定结果表明膜具有良好的亲水性；从扫描电子显微镜观察中空纤维膜和固定化纤维素酶膜的断层结构显示,改性后膜的形态基本保持不变；机械强度的测试结果表明,在适当的离子交换容量范围内该膜具有良好的机械稳定性。其次,为评价中空纤维阳离子交换膜对纤维素酶的固定化效果,测定了活化时间、碳二亚胺浓度、固定时间、pH值和纤维素酶溶液的初始浓度对固定化纤维素酶酶活的影响。上述结果也表明,此法可以成功制备亲水性能和机械性能较高,适合用于酶固定化反应的中空纤维阳离子交换膜。 总之,本文以溴化聚苯醚中空纤维膜为基膜,制备了中空纤维两性离子交换膜、磺酸基中空纤维阳离子交换膜和羧酸基中空纤维阳离子交换膜,并分别用于蛋白质分离纯化、重金属离子的去除和酶的固定化。这表明,’采用先引入预功能化基团再进行功能化方法可以制备性能优良且结构没有发生明显改变的中空纤维离子交换膜。本文研究结果将对中空纤维离子交换膜的制备及应用起到一定的促进作用。