膜分离是近几十年来迅速发展的绿色、高效、节能的新型分离技术， 它的研究和开发一直受到各国政府和工业、科技界的高度重视。超滤是膜分离中研究较为成熟的一种技术，在生物制品分离、水处理、环境工程、食品、医药等领域的有广泛应用。由于浓差极化和膜污染等问题的存在，导致渗透通量随运行时间的延长而显著下降，运行成本和能耗增加。已经公认膜污染是导致通量衰减、能源消耗增加的主要因素。膜污染还导致膜的截留特性随着运行严重劣化，而现有的清洗方法难以达到有效恢复膜截留特性的效果，造成膜装置不能正常运转，膜寿命降低，更换频繁。膜污染现象非常复杂，很难从理论上加以统一的分析。目前，膜污染机理相对清楚（主要是污染物的吸附和沉积），但抑制或防止膜污染的机理不够清楚，因而对膜污染缺乏有效的解决方法。 　　自然界中的生物经历了亿万年的进化，其结构与功能已经达到了近乎完美的程度。仿生学是模仿生物系统的原理来建造技术系统，成为日益关注的科学前沿和创新领域。生物膜是生物体中的一个最基本的结构，基本形状是一个闭合的双层分子膜，生物膜具有优良的自清洁、抗污染能力。生物膜的抗污染功能与磷脂分子的结构密切相关，磷脂分子包含疏水尾和极性头。磷脂分子极性头为磷酰胆碱两性基团，具有良好的亲水性，在生物膜表面形成水化层，构筑了一个热力学、动力学屏障，抑制非特异性吸附。利用生物膜的构成分子和结构特征，设计和制备与其结构非常相似的仿生膜结构，具有重要的科学意义和应用价值。 　　受生物膜自清洁、抗污染功能的启发，依据仿生原理和分子设计原理，通过表面偏析及膜表面自组装方法，在超滤膜材料表面构建致密亲水层，获得与生物膜相似结构，用于抑制膜污染，可以制备高度抗污染的、节能的、环境友好的新型超滤膜。系统研究仿生抗污染膜材料-表面结构-分离性能之间的内在规律，建立抗污染超滤膜水化层结构模型，揭示仿生超滤膜的抗污染分子机理，为仿生抗污染超滤膜的应用奠定坚实的基础。主要成果如下： 　　（一）将磷脂共聚物MPC-BMA与PES共混制备仿生超滤膜以提高膜的抗蛋白质污染性能；对PES/MPC-BMA仿生超滤膜的表面亲水性、化学组成、分离性能以及抗污染性能进行了表征和评价，得到如下结论： 　　1. 接触角、XPS等表征证实亲水性MPC分布于PES/MPC-BMA仿生超滤膜表面，且发生了表面富集现象，仿生超滤膜亲水性得到显著提高。SEM和机械强度数据表明共混膜结构未发生明显变化，机械性能仍能满足超滤操作要求。 　　2. 蛋白质吸附实验表明共聚物的添加可以降低共混膜对BSA的吸附量，随着添加量的提高，BSA吸附量逐渐降低。 　　3. 超滤实验数据表明共混膜通量上升，这是由于磷脂共聚物起到一定的致孔作用，同时与膜表面亲水性的提高有关。长期运行实验表明仿生超滤膜重复使用性能明显优于空白PES膜。 　　4. 通过对总污染、可逆污染和不可逆污染指数以及通量恢复率等参数的分析，证实了仿生超滤膜可有效提高膜的抗污染性能，其原因是MPC在PES仿生膜表面形成致密亲水层，阻碍了蛋白质分子与疏水性膜表面的直接接触，降低了蛋白质吸附量。 　　5. 不同溶液pH值的BSA溶液进行超滤，发现PES/MPC-BMA仿生超滤膜抑制污染性能不受pH值变化影响；在广泛的 pH范围内PES/MPC-BMA仿生超滤膜都可以保持较好抑制污染能力。 　　（二）基于PVA在疏水性表面的吸附特性以及PVA与硼砂之间发生的交联反应，通过吸附法对PES超滤膜进行改性，以提高其抗蛋白质污染性能；对PVA吸附改性PES超滤膜的表面亲水性、化学组成、分离性能以及抗污染性能进行了表征和评价，得到以下结论： 　　1. 吸附改性PES超滤膜的表征结果证明PVA吸附到PES膜表面，显著增强了表面亲水性，同时未对膜结构产生明显影响。 　　2. 超滤实验数据表明吸附改性会导致膜通量的降低，这是由于PVA在膜表面交联后的堵孔效应，控制一定的吸附条件，可使改性膜保持良好的分离性能。 　　3. 通过对总污染、可逆污染和不可逆污染指数以及通量恢复率等参数的分析，证实了吸附改性可有效提高PES超滤膜的抗污染性能，其原因是具有优良抑制蛋白质吸附能力的PVA吸附到膜表面，减少了蛋白质吸附位点，长期运行实验表明改性膜的重复使用能力得到明显改善。 　　4. 长期运行实验表明PVA吸附改性膜具有较高稳定性，这归因于硼砂对PVA的交联作用，同时与PVA在PES表面的吸附属于不可逆吸附有关。 　　5. 提高PVA浓度和增加吸附次数均可增强吸附改性效果，但当PVA浓度达到0.5 wt%，吸附次数达到3次后，改性效果基本稳定，表明此时吸附过程已趋于平衡。 　　（三）采用先氯磺化后PEG化的两步反应，成功合成了pegylated PES，实现了对PES的分子改性。通过FT-IR、元素分析等手段对合成的两亲聚合物进行了表征，计算得到聚合物中PEG单元的含量。该合成方法具有易操作、耗时少、接枝率高等优点。合成的pegylated PES结合了PES优异的成膜性能和良好物化稳定性，以及PEG良好的亲水性和优异的生物相容性。以pegylated PES作为改性剂，对PES超滤膜进行共混改性，相转化法制备抗污染超滤膜。研究发现： 　　（1） 对PES进行PEG化后，其良好的成膜性能得以保持，膜断面具有典型的非对称结构，膜表面呈电中性； 　　（2） 随改性剂在膜材料中比重的增大，改性膜的表面具有更高的PEG覆盖度，因而，改性膜的亲水性增强，蛋白质吸附量降低，膜平均孔径逐渐增大； 　　（3） 以改性膜进行蛋白质溶液超滤实验，与PES空白膜相比，改性膜的纯水通量显著增大，抗蛋白质污染能力有所增强，重复使用性能得到提高；与S-PES改性膜相比，pegylated PES改性膜的抗污染能力更为出色，能够在更广的pH范围内体现抗污染特性。 　　本研究设计的对PES的分子改性方法具有普遍适用性，可以推广到其他疏水性膜材料的亲水改性，为抗污染膜材料的设计提供了一条有效途径。

　　膜分离是近几十年来迅速发展的绿色、高效、节能的新型分离技术， 它的研究和开发一直受到各国政府和工业、科技界的高度重视。超滤是膜分离中研究较为成熟的一种技术，在生物制品分离、水处理、环境工程、食品、医药等领域的有广泛应用。由于浓差极化和膜污染等问题的存在，导致渗透通量随运行时间的延长而显著下降，运行成本和能耗增加。已经公认膜污染是导致通量衰减、能源消耗增加的主要因素。膜污染还导致膜的截留特性随着运行严重劣化，而现有的清洗方法难以达到有效恢复膜截留特性的效果，造成膜装置不能正常运转，膜寿命降低，更换频繁。膜污染现象非常复杂，很难从理论上加以统一的分析。目前，膜污染机理相对清楚（主要是污染物的吸附和沉积），但抑制或防止膜污染的机理不够清楚，因而对膜污染缺乏有效的解决方法。 　　自然界中的生物经历了亿万年的进化，其结构与功能已经达到了近乎完美的程度。仿生学是模仿生物系统的原理来建造技术系统，成为日益关注的科学前沿和创新领域。生物膜是生物体中的一个最基本的结构，基本形状是一个闭合的双层分子膜，生物膜具有优良的自清洁、抗污染能力。生物膜的抗污染功能与磷脂分子的结构密切相关，磷脂分子包含疏水尾和极性头。磷脂分子极性头为磷酰胆碱两性基团，具有良好的亲水性，在生物膜表面形成水化层，构筑了一个热力学、动力学屏障，抑制非特异性吸附。利用生物膜的构成分子和结构特征，设计和制备与其结构非常相似的仿生膜结构，具有重要的科学意义和应用价值。 　　受生物膜自清洁、抗污染功能的启发，依据仿生原理和分子设计原理，通过表面偏析及膜表面自组装方法，在超滤膜材料表面构建致密亲水层，获得与生物膜相似结构，用于抑制膜污染，可以制备高度抗污染的、节能的、环境友好的新型超滤膜。系统研究仿生抗污染膜材料-表面结构-分离性能之间的内在规律，建立抗污染超滤膜水化层结构模型，揭示仿生超滤膜的抗污染分子机理，为仿生抗污染超滤膜的应用奠定坚实的基础。主要成果如下： 　　（一）将磷脂共聚物MPC-BMA与PES共混制备仿生超滤膜以提高膜的抗蛋白质污染性能；对PES/MPC-BMA仿生超滤膜的表面亲水性、化学组成、分离性能以及抗污染性能进行了表征和评价，得到如下结论： 　　1. 接触角、XPS等表征证实亲水性MPC分布于PES/MPC-BMA仿生超滤膜表面，且发生了表面富集现象，仿生超滤膜亲水性得到显著提高。SEM和机械强度数据表明共混膜结构未发生明显变化，机械性能仍能满足超滤操作要求。 　　2. 蛋白质吸附实验表明共聚物的添加可以降低共混膜对BSA的吸附量，随着添加量的提高，BSA吸附量逐渐降低。 　　3. 超滤实验数据表明共混膜通量上升，这是由于磷脂共聚物起到一定的致孔作用，同时与膜表面亲水性的提高有关。长期运行实验表明仿生超滤膜重复使用性能明显优于空白PES膜。 　　4. 通过对总污染、可逆污染和不可逆污染指数以及通量恢复率等参数的分析，证实了仿生超滤膜可有效提高膜的抗污染性能，其原因是MPC在PES仿生膜表面形成致密亲水层，阻碍了蛋白质分子与疏水性膜表面的直接接触，降低了蛋白质吸附量。 　　5. 不同溶液pH值的BSA溶液进行超滤，发现PES/MPC-BMA仿生超滤膜抑制污染性能不受pH值变化影响；在广泛的 pH范围内PES/MPC-BMA仿生超滤膜都可以保持较好抑制污染能力。 　　（二）基于PVA在疏水性表面的吸附特性以及PVA与硼砂之间发生的交联反应，通过吸附法对PES超滤膜进行改性，以提高其抗蛋白质污染性能；对PVA吸附改性PES超滤膜的表面亲水性、化学组成、分离性能以及抗污染性能进行了表征和评价，得到以下结论： 　　1. 吸附改性PES超滤膜的表征结果证明PVA吸附到PES膜表面，显著增强了表面亲水性，同时未对膜结构产生明显影响。 　　2. 超滤实验数据表明吸附改性会导致膜通量的降低，这是由于PVA在膜表面交联后的堵孔效应，控制一定的吸附条件，可使改性膜保持良好的分离性能。 　　3. 通过对总污染、可逆污染和不可逆污染指数以及通量恢复率等参数的分析，证实了吸附改性可有效提高PES超滤膜的抗污染性能，其原因是具有优良抑制蛋白质吸附能力的PVA吸附到膜表面，减少了蛋白质吸附位点，长期运行实验表明改性膜的重复使用能力得到明显改善。 　　4. 长期运行实验表明PVA吸附改性膜具有较高稳定性，这归因于硼砂对PVA的交联作用，同时与PVA在PES表面的吸附属于不可逆吸附有关。 　　5. 提高PVA浓度和增加吸附次数均可增强吸附改性效果，但当PVA浓度达到0.5 wt%，吸附次数达到3次后，改性效果基本稳定，表明此时吸附过程已趋于平衡。 　　（三）采用先氯磺化后PEG化的两步反应，成功合成了pegylated PES，实现了对PES的分子改性。通过FT-IR、元素分析等手段对合成的两亲聚合物进行了表征，计算得到聚合物中PEG单元的含量。该合成方法具有易操作、耗时少、接枝率高等优点。合成的pegylated PES结合了PES优异的成膜性能和良好物化稳定性，以及PEG良好的亲水性和优异的生物相容性。以pegylated PES作为改性剂，对PES超滤膜进行共混改性，相转化法制备抗污染超滤膜。研究发现： 　　（1） 对PES进行PEG化后，其良好的成膜性能得以保持，膜断面具有典型的非对称结构，膜表面呈电中性； 　　（2） 随改性剂在膜材料中比重的增大，改性膜的表面具有更高的PEG覆盖度，因而，改性膜的亲水性增强，蛋白质吸附量降低，膜平均孔径逐渐增大； 　　（3） 以改性膜进行蛋白质溶液超滤实验，与PES空白膜相比，改性膜的纯水通量显著增大，抗蛋白质污染能力有所增强，重复使用性能得到提高；与S-PES改性膜相比，pegylated PES改性膜的抗污染能力更为出色，能够在更广的pH范围内体现抗污染特性。 　　本研究设计的对PES的分子改性方法具有普遍适用性，可以推广到其他疏水性膜材料的亲水改性，为抗污染膜材料的设计提供了一条有效途径。