殼聚糖荷正電納濾膜的研究進(jìn)展

李　浩，關(guān)毅鵬，曹　震

(國(guó)家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192)

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殼聚糖荷正電納濾膜的研究進(jìn)展

李浩，關(guān)毅鵬，曹震

(國(guó)家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192)

李　浩

摘要：目前商業(yè)化的納濾膜多為荷負(fù)電，然而在某些特定領(lǐng)域，荷負(fù)電膜因污染嚴(yán)重而不能勝任，因此荷正電納濾膜的研究越來越受到關(guān)注和重視。殼聚糖是一種資源豐富、價(jià)格低廉的天然高分子化合物，具有良好的成膜性，并且殼聚糖分子鏈中具有大量氨基，它所形成的納濾膜帶有正電荷，如果能夠利用這種材料制備荷正電納濾膜，在工業(yè)上將具有重要意義。目前，殼聚糖荷正電納濾膜得到了廣泛研究。對(duì)復(fù)合法、界面聚合法、共混法、化學(xué)接枝法、等離子體法制備荷正電殼聚糖納濾膜進(jìn)行了綜述。同時(shí)相關(guān)應(yīng)用研究表明，殼聚糖荷正電納濾膜可以用于單多價(jià)離子分離、海水淡化預(yù)處理、降低廢水硬度等領(lǐng)域，應(yīng)用前景廣闊。最后對(duì)殼聚糖荷正電納濾膜未來的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望，通過關(guān)鍵問題的突破，期待殼聚糖荷正電納濾膜早日實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

關(guān)鍵詞：殼聚糖；荷正電；納濾膜；膜制備；膜應(yīng)用

1前言

膜分離技術(shù)是近幾十年來發(fā)展起來的一門新興多學(xué)科交叉的高新技術(shù)，利用具有特殊選擇透過性的有機(jī)高分子材料或無機(jī)材料，形成不同形態(tài)的膜，并在一定的驅(qū)動(dòng)力作用下，將雙元或多元組分分離或濃縮。納濾作為一種新型的膜分離技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于超純水的制備、食品、化工、醫(yī)藥、環(huán)保等領(lǐng)域的各種濃縮和分離過程[1-4]。

納濾膜最早出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代末，是近年來國(guó)際上發(fā)展較快的膜品種之一，其分離性能介于反滲透和超濾之間[5]，操作壓力較低，允許一些無機(jī)鹽特別是一價(jià)鹽離子透過，對(duì)一、二價(jià)離子有不同選擇性，兼有機(jī)物濃縮的功能，對(duì)小分子有機(jī)物有較高的截留特性。納濾膜根據(jù)其表面所帶電荷的不同可以分為荷負(fù)電納濾膜、荷正電納濾膜和荷電鑲嵌膜[6]。目前，已商品化的納濾膜多數(shù)呈荷負(fù)電或中性，相比之下荷正電膜的研究卻顯得滯后很多。但是在某些特定領(lǐng)域，如燃料或生物大分子的分離和濃縮、陰極電泳漆廢液的處理、藥液和純水中細(xì)菌內(nèi)毒素的脫除等，荷負(fù)電膜因污染嚴(yán)重而不能勝任，因此荷正電膜的研究越來越受到關(guān)注和重視[7-8]。

殼聚糖是一種價(jià)格低廉，無毒，易于改性的理想制膜原料，并且殼聚糖分子中具有大量氨基，化學(xué)結(jié)構(gòu)式如圖1所示，它所形成的納濾膜將帶有正電荷，同時(shí)利用殼聚糖不易繁殖微生物，抗菌的特性[9-11]，可提高納濾膜抗污染性能，緩解荷電納濾膜在實(shí)際應(yīng)用中易遭受污染的狀況，拓展納濾膜的應(yīng)用范圍。如果能用這種材料制備荷正電納濾膜，在工業(yè)上將具有重要意義。本文將對(duì)近年來殼聚糖荷正電納濾膜的發(fā)展情況進(jìn)行綜述。

2殼聚糖荷正電納濾膜的制備

目前殼聚糖荷正電納濾膜主要有以下幾種制備方法：復(fù)合法、界面聚合法、共混法、化學(xué)接枝法、等離子體法等。

2.1復(fù)合法制備殼聚糖荷正電納濾膜

復(fù)合法是目前應(yīng)用品種最多、產(chǎn)量最大的制備納濾膜的方法，其原理是在高性能微孔基膜上復(fù)合一層超薄分離層[12]。目前，殼聚糖荷正電納濾膜常用的微孔基膜材料為聚砜、聚丙烯腈等，殼聚糖超薄分離層制備常用涂覆法。復(fù)合法的優(yōu)點(diǎn)在于制備方法相對(duì)簡(jiǎn)單，可選取不同材料作為基膜和分離層，從而使納濾膜性能最優(yōu)化。

Deepak等[13]以聚丙烯腈為基膜，殼聚糖為分離層，采用戊二醛交聯(lián)的方法制備殼聚糖/聚丙烯腈復(fù)合納濾膜。研究表明，交聯(lián)劑濃度和交聯(lián)時(shí)間對(duì)膜性能影響較大，隨著交聯(lián)劑濃度和交聯(lián)時(shí)間增加，膜水通量降低而截留率升高，同時(shí)該膜截留分子量為550～700 DA。陳堯等[14]以聚砜為基膜，殼聚糖為分離層，采用戊二醛-硫酸混合交聯(lián)的方法制備殼聚糖/聚砜復(fù)合納濾膜。研究表明，在操作壓力1.6 MPa、流量30 L/h、20 ℃條件下，純水通量為12.84 L/(m2·h)，對(duì)2 000 mg/L的無機(jī)鹽的截留順序?yàn)镸gCl2>MgSO4>Na2SO4>NaCl，膜表面流動(dòng)電位測(cè)試表明，制備的復(fù)合納濾膜呈現(xiàn)一定的荷正電性。Seema等[15]采用戊二醛為交聯(lián)劑制備殼聚糖/聚苯醚醚砜復(fù)合納濾膜。相比其他常用基膜，聚苯醚醚砜基膜具有良好的機(jī)械性能，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度達(dá)到192 ℃，可在一定程度上提高復(fù)合納濾膜的機(jī)械強(qiáng)度，為殼聚糖復(fù)合納濾膜的制備又提供了一種新的可供選擇的基膜。

2.2界面聚合法制備殼聚糖荷正電納濾膜

界面聚合法是利用兩種反應(yīng)活性很高的單體在兩個(gè)互不相溶的溶劑界面處發(fā)生聚合反應(yīng)，從而在多孔支撐體上形成一層很薄的分離層[16]。界面聚合法是商業(yè)化納濾膜制備過程中應(yīng)用最廣泛的方法，但在殼聚糖納濾膜制備過程應(yīng)用較少。張浩勤等[17]以殼聚糖和均苯三甲酰氯為反應(yīng)單體，通過界面聚合反應(yīng)在聚砜/聚醚砜共混基膜上形成復(fù)合層制備納濾膜。實(shí)驗(yàn)優(yōu)化的界面聚合工藝條件為：殼聚糖0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)；均苯三甲酰氯0.2%；殼聚糖溶液浸沒基膜10 min后與均苯三甲酰氯溶液進(jìn)行界面聚合反應(yīng)2 min，在70 ℃下熱處理10 min后,浸泡在0.2%十二烷基磺酸鈉溶液中2 h,然后晾干。在該條件下，膜對(duì)PEG2000的截留率可達(dá)到92%，對(duì)NaCl、MgCl2、MgSO4和Na2SO4的截留率分別為7.8%、19.4%、23%和32.8%。通過界面聚合反應(yīng)引入陰離子型單體均苯三甲酰氯，可以降低膜對(duì)無機(jī)鹽離子的截留率，提高對(duì)低分子量有機(jī)物的截留率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該膜可用于分離分子量在2 000左右有機(jī)物與電解質(zhì)。

2.3共混法制備殼聚糖荷正電納濾膜

共混法是將兩種或多種高聚物在溶劑中進(jìn)行液相共混，形成能有效發(fā)揮各組分優(yōu)點(diǎn)的多組分體系，得到原有材料所不具備的優(yōu)異性能，在相轉(zhuǎn)化成膜時(shí)，利用它們之間的協(xié)同效應(yīng)制成具有納米級(jí)表層孔徑的共混納濾膜[12]。候進(jìn)等[18]以殼聚糖-聚乙烯醇共混物為鑄膜液，在聚丙烯腈基膜上流延成膜，采用戊二醛作為交聯(lián)劑，制備殼聚糖-聚丙烯醇/聚丙烯腈荷正電復(fù)合納濾膜。由于聚丙烯醇具有良好的成膜性和較高的韌性，可有效提高納濾膜的水通量和力學(xué)性能。研究表明，所制備納濾膜純水滲透系數(shù)為5.80 L/(h·m2·MPa)，對(duì)不同類型無機(jī)鹽溶液的截留順序?yàn)? MgCl2> MgSO4> NaCl> Na2SO4，呈現(xiàn)出荷正電復(fù)合納濾膜的截留特征，其流動(dòng)電位曲線也進(jìn)一步說明了納濾膜荷正電性。在上述實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，候進(jìn)等[19]又將小分子添加劑加入到鑄膜液中，研究表明，1-2丙二醇添加劑在保證截留率不發(fā)生明顯下降的情況下，能顯著提高膜的通量。Yan等[20]先將甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨(DMC)和丙烯酸羥乙酯(HEA)共聚生成聚合物PDMCHEA，然后將殼聚糖(CS)與聚合物PDMCHEA共混，以聚砜(PSF)為基膜、戊二醛為交聯(lián)劑制備CS-PDMCHEA/PSF共混荷正電納濾膜。研究表明，聚合物PDMCHEA的加入可有效提高膜的機(jī)械性能，當(dāng)PDMCHEA含量為25%時(shí)，膜斷裂伸長(zhǎng)率可提高2.4倍，拉伸強(qiáng)度可提高2倍；當(dāng)PDMCHEA含量為50%時(shí)，在測(cè)試條件0.6 MPa，25 ℃，無機(jī)鹽溶液濃度為1 000 mg/L下，膜純水通量為20.6 L/(m2·h)，對(duì)ZnCl2和NaCl截留率分別為97.5%和57.1%。

2.4化學(xué)接枝法制備殼聚糖荷正電納濾膜

殼聚糖季銨鹽作為一種分子結(jié)構(gòu)中帶有季銨基的水溶性陽(yáng)離子型殼聚糖衍生物，具有良好的抗菌性、成膜性、吸濕保濕性、吸附絮凝性等性能[21]。Huang等[22]通過化學(xué)接枝法將季銨鹽基團(tuán)引入殼聚糖分子鏈上，然后將殼聚糖季銨鹽在聚丙烯腈基膜表面流延成膜，通過甲苯二異氰酸酯交聯(lián)形成殼聚糖季銨鹽荷正電納濾膜。研究表明，在20 ℃和料液流速為30 L/h時(shí)，膜的純水滲透系數(shù)為8.96 kg/ (m2·h·MPa)，對(duì)不同類型無機(jī)鹽溶液的截留順序?yàn)? MgCl2> NaCl > MgSO4> Na2SO4，呈現(xiàn)出荷正電復(fù)合納濾膜的截留特征，其流動(dòng)電位曲線也進(jìn)一步說明了納濾膜荷正電性。李賽賽等[23]在堿性體系下，用N-甲基-2-吡咯烷酮對(duì)殼聚糖進(jìn)行改性，得到三甲基殼聚糖酰氯。然后采用流延的方法在聚砜基膜表面成膜，以堿性體系下環(huán)氧氯丙烷/乙醇混合溶液為交聯(lián)劑，制備三甲基殼聚糖/聚砜復(fù)合納濾膜。研究表明，在25 ℃和料液流速為45 L/h 時(shí)，膜的純水滲透系數(shù)為14.09 L/(m2·h·MPa)，對(duì)不同類型無機(jī)鹽溶液的截留順序?yàn)? MgCl2> NaCl > MgSO4> Na2SO4，呈現(xiàn)出荷正電復(fù)合納濾膜的截留特征。與環(huán)氧氯丙烷交聯(lián)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)20 h相比，本研究中采用的混合溶液交聯(lián)劑交聯(lián)時(shí)間僅為2 h，交聯(lián)時(shí)間的縮短，制膜工藝的簡(jiǎn)化，為經(jīng)濟(jì)有效的工業(yè)化生產(chǎn)提供了可行性依據(jù)。

2.5等離子體法制備殼聚糖荷正電納濾膜

低溫等離子體作用可以在聚合物材料表面誘發(fā)自由基轉(zhuǎn)移、交聯(lián)、裂解、氧化等化學(xué)反應(yīng)，在膜表面數(shù)百納米范圍內(nèi)發(fā)生物理與化學(xué)變化，賦予材料新特性，對(duì)聚合物本體性能的影響甚微，改性過程易控制、操作簡(jiǎn)單、成本低、無環(huán)境污染[24]。等離子體法對(duì)殼聚糖荷正電納濾膜表面進(jìn)行改性的研究較少，張茜等[25]采用氮?dú)獾蜏氐入x子體對(duì)殼聚糖/聚丙烯腈復(fù)合納濾膜進(jìn)行表面改性。等離子體的刻蝕作用，不僅能擴(kuò)大膜孔，也能增加膜表面的胺基密度和因質(zhì)子化效應(yīng)而產(chǎn)生的荷正電密度。研究表明，以20 Pa壓力、50 W功率的氮?dú)獾蜏氐入x子體對(duì)殼聚糖/聚丙烯腈復(fù)合納濾膜表面處理2 min，可使膜表面親水性增加，平整度明顯改善，對(duì)帶有荷正電的γ-氨基丁酸溶液的通量和截留率同步提升。

3殼聚糖荷正電納濾膜的應(yīng)用

Huang等[26-29]采用不同的交聯(lián)劑制備了殼聚糖季銨鹽/聚丙烯腈復(fù)合納濾膜，研究表明，復(fù)合納濾膜對(duì)不同類型無機(jī)鹽溶液的截留率不同，對(duì)MgCl2和CaCl2截留率較高，對(duì)NaCl、KCl、MgSO4、Na2SO4、K2SO4等截留率較低。上述結(jié)果表明，殼聚糖荷正電納濾膜可以用于單多價(jià)離子分離、海水淡化預(yù)處理、降低廢水硬度等。黃瑞華[30]制備了殼聚糖季銨鹽荷正電納濾膜，并考察了其在鹵水制取光鹵石工藝和褐藻酸鈉生產(chǎn)廢水處理中的應(yīng)用。結(jié)果表明，稀釋后的原鹵水經(jīng)兩段納濾法對(duì)Ca2+、Mg2+能夠達(dá)到很好的脫除，加入水氯鎂石洗滌一次，就可獲得純度較高的光鹵石；對(duì)褐藻酸鈉廢水處理后能有效去除廢水中的CODcr和Ca2+，出水水質(zhì)完全可再回收用于生產(chǎn)工藝中，濃縮的鈣液可以回用生產(chǎn)褐藻酸鈉。

張茜等[31]采用乙二胺與氮?dú)饣旌蠚怏w等離子體改性殼聚糖-聚丙烯腈聚合納濾膜，提高納濾膜在較弱酸性條件下表面荷正電密度。研究表明，在弱酸性溶液中，于0.1 MPa壓力下，混合氣體等離子體改性的殼聚糖膜對(duì)γ-氨基丁酸的截留率為對(duì)醋酸鈉截留率的2.34倍，遠(yuǎn)高于未改性膜的1.58倍，并且對(duì)兩者表現(xiàn)出更強(qiáng)的分離能力。余亮等[32]利用殼聚糖改性的氧化石墨烯作為添加劑，制備殼聚糖-氧化石墨烯/聚醚砜有機(jī)無機(jī)雜化納濾膜。研究表明，雜化納濾膜的親水性和離子交換容量顯著提高，對(duì)PEG400具有較高的截留率而對(duì)電解質(zhì)的截留率明顯下降，因此該膜對(duì)一定分子量的有機(jī)物和電解質(zhì)的分離具有較好的應(yīng)用前景。

綜上所述，殼聚糖荷正電納濾膜具有良好的性能和應(yīng)用前景。然而，殼聚糖荷正電納濾膜在實(shí)際工程中應(yīng)用較少，還處于實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用階段。因此需要加快殼聚糖荷正電納濾膜的研發(fā)速度，提高膜綜合性能，推進(jìn)其在實(shí)際工程中的應(yīng)用。

4殼聚糖荷正電納濾膜的發(fā)展趨勢(shì)

殼聚糖具有良好的成膜性、易于化學(xué)改性和交聯(lián)、耐堿及有機(jī)溶劑，交聯(lián)后耐酸、還具有良好生物相容性及可降解性且價(jià)格低廉，是理想的制膜材料，開展殼聚糖荷正電納濾膜研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。然而，目前殼聚糖荷正電納濾膜還沒有商業(yè)化生產(chǎn)，大部分研究還處于實(shí)驗(yàn)室階段。為了促進(jìn)殼聚糖荷正電納濾膜得到更廣泛的應(yīng)用，早日實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，未來需要重點(diǎn)突破以下3方面：

(1)對(duì)殼聚糖進(jìn)行化學(xué)改性，通過提高材料表面正電荷密度，制備帶有更高荷正電的納濾膜，提高膜的分離選擇性；

(2)將殼聚糖與納米材料進(jìn)行復(fù)合，如石墨烯、納米銀等，利用材料間相互協(xié)同效應(yīng)，賦予復(fù)合材料新的特性，提高膜的綜合性能；

(3)優(yōu)化制膜條件，簡(jiǎn)化制膜工藝，縮短制膜時(shí)間，降低制膜成本，開發(fā)制膜設(shè)備，為殼聚糖荷正電納濾膜的商業(yè)化提供可能。

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(編輯蓋少飛)

Progress in Positively Charged NanofiltrationMembrane of Chitosan

LI Hao, GUAN Yipeng, CAO Zhen

(The Institute of Seawater Desalination and Multipurpose Utilization, Tianjin 300192, China)

Abstract：Most of the commercial nanofiltration membrane is generally negatively charged. However, in certain areas, negatively charged nanofiltration membrane can not be employed because of membrane fouling. So positively charged nanofiltration membrane research is given more and more concern and attention. Chitosan, a abundant and low cost natural biopolymer, has good film forming properties. Chitosan nanofiltration membrane is positively charged because of amino groups on chitosan molecular chain. Therefore, the application of chitosan in positively charged nanofiltration membrane will have great significance to the industry. At present, chitosan positively charged nanofiltration membrane has been studied extensively. This paper is to summarize and analyze the preparation in positively charged nanofiltration membrane of chitosan , such as composite method, interfacial polymerization, blending method, graft reaction, plasma method. Research shows that the chitosan nanofiltration membrane can be generally used in selective separation of different electrolytes, seawater desalination pretreatment, the hardness removal of waste-water. Finally, this paper is to forecast its developmental trend. Substantive problem breakthrough is one of the keys whether commercial application of chitosan positively charged nanofiltration membrane can be achieved.

Key words：chitosan; positively charged; nanofiltration membrane; membrane preparation; membrane application

中圖分類號(hào)：TQ028.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-3962(2016)03-0237-04

DOI:10.7502/j.issn.1674-3962.2016.03.11

基金項(xiàng)目：中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(K-JBYWF-2013-G12);海洋經(jīng)濟(jì)創(chuàng)新發(fā)展區(qū)域示范項(xiàng)目(海水淡化與綜合利用創(chuàng)新服務(wù)平臺(tái))

收稿日期：2015-01-21

第一作者：李浩，男，1985年生，碩士，工程師，Email:

lihaoysu@163.com