关键词： 两性离子聚合物   抗污染   水处理  

摘要： 两性离子聚合物以其独特的亲水性在增强膜的防污和选择性分离能力上展现出展现了巨大的应用潜力,从而受到广泛关注。本文介绍了两性离子聚合物的基本特性并全面综述了其在提升分离膜防污和选择性分离性能方面的应用。

关键词： 超滤膜   纳米颗粒   表面涂覆   抗污染   牛血清蛋白  

摘要： 膜污染是限制膜技术发展的主要问题。采用表面涂覆法,在超滤膜表面分别涂覆二硫化钼(MoS_(2))和氮化硼(BN)纳米颗粒,制备抗污染超滤膜,通过深入分析MoS_(2)/BN的电负性,形貌特征以及层间距等特性,阐明其在PES超滤膜表面的抗污机理;以牛血清蛋白(BSA)为典型有机物,对抗污染超滤膜PES-MoS_(2)/BN的渗透通量,污染恢复率以及污染率进行测定,发现MoS_(2)和BN纳米颗粒均能够提高膜的抗污染性能;相对于PES-BN,PES-MoS_(2)展现出了较优异的渗透通量和抗污染性能,这与其相对开阔的层间纳米通道、较大的电负性以及涂覆后膜的形貌有关;对于牛血清蛋白污染,最佳MoS_(2)涂覆量10 g/m2条件下,PES-MoS_(2)改性膜的污染恢复率由87.10%提升至96.77%,总污染率由24.26%下降至6.21%。结果表明,膜表面纳米层由于其物理屏障和静电排斥作用,可以有效地减少膜污染,提高膜的抗污染性能。

关键词： 磁性诱导   强制表面偏析   高通量   抗污染  

摘要： 低渗透通量和膜污染是制约纳滤膜发展的瓶颈.针对纳滤膜材料渗透性与选择性相互制约及分离过程中的膜污染等问题,在非溶剂诱导相转化制膜过程中,强制两性离子/POSS改性的磁性纳米颗粒在膜表面偏析,调节高分链间距、自由体积/通道尺寸等物理化学微环境,提高纳滤膜通量;在膜表面偏析的两性离子官能团可以提高纳滤膜抗污染性能.通过优化工艺条件,制备的纳滤膜水通量高达500 L/(m^(2)·h·Mpa),同时对甲基蓝、刚果红的截留率均在95%以上.

关键词： 反渗透膜   己六醇   接枝改性   水通量   抗污染  

摘要： 芳香族聚酰胺反渗透膜已广泛应用于海水及苦咸水淡化、废水处理及回用等领域，然而膜污染一直是制约反渗透系统经济性、稳定性和可靠性的关键问题之一。本文利用界面聚合后聚酰胺表面残留的酰氯基团，以己六醇为抗污染功能单体，对聚酰胺膜进行表面接枝改性，制备抗污染的高通量反渗透膜。实验结果表明，改性后的反渗透膜具有更小的接触角、更大的粗糙度、更大的水通量及更强的抗污染性。在保持脱盐率不变的前提下，改性膜（M-2）的水通量较未改性膜提高46.6%(达到61.0 L?m-2?h-1)。采用牛血清蛋白进行膜表面污染实验，改性膜（M-2）的水通量下降率（17.4%）低于未改性膜（20.0%），采用纯水清洗后，改性膜（M-2）的通量恢复率（87.3%）高于未改性膜（84.1%）。结果显示，己六醇表面接枝改性反渗透膜能显著提高膜的水通量和抗污染性能。

关键词： 9442铜合金   激光表面处理   超疏水性   防腐抗污性能  

摘要： 为改善船用9442铜合金在海洋环境中的防腐抗污性能,通过纳秒激光刻蚀的方法提升其表面的疏水性能。激光表面加工后,在材料表面形成了分层的微纳复合结构,从而获得了接触角大于150°的超疏水铜合金表面。考察采用各种激光功率处理后铜合金表面的电化学腐蚀性能,结果表明当激光功率达到100 W时,所制备的超疏水铜合金表面的腐蚀电流密度为7.323×10^(-7)A/cm^(2),相较于未处理的铜合金表面,缓蚀效率可达70.0%,表明所制得的超疏水铜合金表面具有良好的防腐蚀性能。根据船用9442铜合金的实际使用环境,进一步开展了近海抗污性能测试。结果表明,未处理的铜合金表面出现较为明显的脱成分腐蚀,而所制备的超疏水铜合金表面展现出良好的防污抗腐性能,具有良好的实际应用价值。

关键词： 聚四氟乙烯膜   表面改性   抗污染   实验教学   科学前沿  

摘要： 设计了一个制备疏油聚四氟乙烯(PTFE)膜,以提高其在油水分离中抗污染性能的本科生实验。首先,通过等离子体接处理调控PTFE膜疏油性能,分别表征膜材料表面对水的粘附力、膜表面油接触角,随后考察膜材料分离油水乳液性能,最后通过金相显微镜表征膜表面污染情况。本实验提供了一种新颖的膜改性及分离技术用于废水治理的思路。通过实验操作,学生可以深入了解疏油膜在环境治理中的重要应用,并了解其在化工领域中的潜在价值,使学生进一步了解环境治理前沿技术,激发学生想象力和创造力。

关键词： 中空纤维膜   膜污染   亲水改性   “刚性-柔性”双重协同抗污染  

摘要： 采用“表面沉积-接枝”的方法将苯乙烯-马来酸酐(SMA)、三聚氰胺(MEL)和葡萄糖(GLU)3种刚柔性不同的亲水链引入聚偏氟乙烯(PVDF)膜表面.研究了接枝链刚性和柔性对抗牛血清蛋白(BSA)污染的性能及其影响规律.结果表明,接枝链的刚性和柔性对BSA在膜表面的黏附和膜表面污染层微观结构的影响比膜表面亲水性和荷电性的影响更显著.刚性MEL阻碍BSA在膜表面的黏附和聚集,柔性GLU可在增强膜亲水性的同时与MEL协同增强对BSA的排斥,延缓其在膜表面的聚集,从而进一步阻碍BSA在膜表面的堆积,使不可逆阻力占比降低到仅为2.47%,“刚性-柔性”双重协同抗污染功效显著提高了膜的抗污染性能.

关键词： 碳纳米材料   生物污染   化学污染   电化学传感器   生物小分子  

摘要： 电化学传感器由于其低成本、操作简便、高灵敏度、便携性和良好选择性等特性,已成为电分析领域的研究焦点。碳纳米管(CNT)和石墨烯等新型碳纳米材料因其高导电性、优良的电化学活性以及作为载体的能力而在电化学传感领域得到了广泛应用。然而,在面对复杂的人体生物样本时,电极所遭受到生物污染和化学污染成为主要挑战。这种污染严重影响了传感器的灵敏度、准确性和稳定性。本文主要以电化学传感中常用的CNT、氧化石墨烯(GO)和玻璃碳(GC)(包含纳米尺寸结构)等碳纳米材料为出发点,分别构建了几种具有抗污染性能的电化学传感器,实现了对多种电活性生物小分子,如β-烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)、尿酸(UA)、多巴胺(DA)和抗坏血酸(AA)的高选择性和高灵敏度检测。具体内容如下: (1)通过将共价有机骨架(COF)TpPa-1和羧基化CNT复合材料修饰玻碳电极(GCE),制备了一种简单高效的抗污染电化学传感器,并将该传感器应用于NADH和UA的电化学传感。COF具有丰富的亲水性基团,有助于CNT在水中的分散,COF和CNT通过π-π相互作用形成了均匀的复合材料。采用电化学方法、水接触角测量、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和X射线光电子能谱(XPS)对抗污染界面进行了表征。该电极对NADH和UA检测的线性范围分别为0.2μM～20 m M和0.2～200μM,检测限分别为0.2μM和0.05μM。此外,该电化学传感器能够在真实人血清样品中对NADH和UA进行电化学检测,具有优异的抗化学污染和生物污染性能。 (2)通过电化学氧化和电化学还原方法对GO上的氧官能团和缺陷进行调控,利用未处理的GO、结合牛血清白蛋白(BSA)的GO、电化学还原处理的GO和电化学氧化处理的GO制备了多种电极,研究了不同电极在UA电化学传感中的抗污染和电催化性能。首次在无酸、温和、绿色溶液中,通过电化学氧化在电极表面上形成了多孔GO,其在检测UA中表现出高灵敏度和优异的抗污染性能。采用拉曼光谱、XPS、水接触角测量、SEM、电化学阻抗谱(EIS)等方法对不同的电极界面进行表征。采用差分脉冲伏安法(DPV)详细评估了制备电极的灵敏度、稳定性、线性范围、检测限、抗化学污染和生物污染性能。 (3)分别采用电化学氧化和电化学氧化再还原,在GC表面原位产生了两种氧功能化石墨烯电极,并探索了其与电化学方法制备的多孔GO分别对UA、DA和AA同时电化学检测。详细研究了电极的电活性、选择性、抗化学污染和生物污染性能、背景电流、灵敏度、线性范围和检测限等分析性能。其中多孔GO电极对三种生物小分子的检测具有高选择性、电催化性能和优异的抗生物污染和化学污染性能,而在GC表面电化学氧化产生的氧功能化石墨烯具有更高的灵敏度。最后,将多孔GO和氧功能化石墨烯电极用于复杂血清样本中UA的检测,其结果与医院诊断相一致,实现了电化学传感器在临床样本中的应用。

关键词： PVDF   MXene   共混改性   原位改性   A/O-MBR   XDLVO理论  

摘要： 聚偏氟乙烯（PVDF）是膜制造的常用高分子材料,具有良好的机械强度、耐化学性、热稳定性,被广泛应用于水处理中。由于PVDF膜具有极强的疏水性,易被废水中的微生物或蛋白质污染,因此,可以通过提高PVDF膜的亲水性来制造低污染的复合膜。共混改性、表面接枝改性、表面涂覆改性等多种改性方法被应用于提高PVDF膜的亲水性,共混改性是将亲水纳米材料填充到PVDF基质中,是构建PVDF混合基质膜常用且有效的方法。过渡金属碳化物（MXene）表面存在亲水性官能团,具有良好的亲水性和生物相容性,常作为膜亲水材料研究。因此,本研究通过添加亲水性MXene纳米颗粒,采用本体共混和表面固定两种方式改性PVDF膜,成功制备了MXene/PVDF和DOPA/PEI-MXene/PVDF复合膜,为疏水性PVDF膜改性的技术方案提供选择。 （1）通过LiF和HCl酸化刻蚀的方法制备了多层MXene纳米颗粒,它具有手风琴状结构和丰富的表面功能基团,通过与PVDF物理共混可促进膜亲水性能的提高。最优性能的多层MXene/PVDF膜水通量为45.3 L/m2·h,与纯PVDF膜相比提高了3.23倍,但由于多层MXene的层间距较小,表面暴露的羟基自由基有限,多层MXene/PVDF膜的渗透通量和抗污染性能还需要进一步提升。 （2）利用不同体积的有机溶剂二甲亚砜（DMSO）插层多层MXene剥离得到少层MXene纳米颗粒,层间距由于有机分子的插层作用明显增大,膨胀剥离为少层MXene纳米颗粒,提供了更多的氧化还原反应位点,表面产生更多的羟基自由基。最优DMSO体积（40 mL）插层MXene（1 g）得到的少层MXene纳米颗粒具有良好的亲水性能（水接触角为19.06°）,表现出高负电荷（-31.42eV）,最优性能的少层MXene/PVDF膜水通量为126.4 L/m2·h,通量恢复率（FRR）为80.8%。将少层MXene/PVDF膜MD1-MD6应用于A/O-MBR反应器中,对于COD、NH4+-N、TN、TP的平均去除率分别为98.23%、99.5%、93.5%、79.56%。 （3）将PVDF浇铸膜浸入含不同浓度的少层MXene分散液的凝固浴中,使膜的形成和少层MXene纳米颗粒在膜表面的固定同步进行,在复合膜表面涂覆了DOPA/PEI=1:0.5的交联剂固定表面沉积的少层MXene纳米颗粒,通过水接触角、孔隙率、水通量以及通量恢复速率等性能测试,表明MXene原位改性膜增大了复合膜的孔隙率,使复合膜的整体渗透性提高至292.2 L/m2·h,涂覆DOPA/PEI后水通量最高达到693 L/m2·h,FRR为82.7%,DOPA/PEI-MXene/PVDF复合膜表面粗糙度降低,不易吸附污染物。经过XDLVO理论计算膜表面与污染物相互作用能,最优膜PMP4的能量壁垒为0.72 KT,复合膜的抗污染性能显著提高。

关键词： 生物抗污材料   聚半乳糖醛酸   两性离子   预防术后粘连   细胞筛选  

摘要： 生物污染主要是由非特异性蛋白质、细胞以及细菌的黏附所引起,导致炎症反应、纤维增生和表面失活等问题,给组织再生和医用材料领域带来诸多困扰。近年来,生物材料的迅猛发展显著推动了医学的进步,目前,通过抗污分子的表面修饰来保护医疗器械或体内植入物的技术相对成熟,但具有良好抗污能力的多功能生物材料的研发仍处于起步阶段。天然多糖在临床上的应用相当广泛,具备出色的生物相容性、生物降解性、可加工性、可修饰性等优势。而两性离子材料可通过水合作用形成抗污屏障,极大程度地抵抗蛋白质的吸附,具有良好的生物相容性,并具备抑制炎症和加速修复的功能。本文以天然多糖聚半乳糖醛酸(PGA)和甲基丙烯酸酯化甜菜碱为主要研究对象,分别制备了具有药物缓释功能的PGA/聚乙烯醇(PVA)自愈合水凝胶,可注射光响应PGA抗污水凝胶和E7多肽功能化PGA水凝胶微载体,用于预防术后粘连及干细胞筛选。重点研究了两性离子与PGA及其衍生物的合成方法,探索了两性离子含量对材料抗污能力的影响,探究了两性离子对体内炎症信号的调节作用,对细胞生长与增殖的影响,以及预防术后粘连的可能作用机制,并开发了一种简便的、针对多糖的特异性活性表面构建方法,成功用于干细胞筛选。全文主要内容与结论如下: 1.两性离子修饰PGA衍生物的合成研究。以过硫酸铵为引发剂,通过自由基加成反应将甲基丙烯酸酯化甜菜碱接枝到PGA及其衍生物上,分别合成了磺酸甜菜碱(DMAPS)接枝的PGA-DMAPS和磷酸甜菜碱(MPC)接枝的PGA-MPC,并在此基础上进一步合成了氨基苯硼酸(APBA)修饰的PGA-DMAPS-APBA和甲基丙烯酸酯化的PGAMA-MPC。通过对所制备的一系列PGA衍生物的结构分析以及水凝胶的抗污效果证实了两性离子修饰多糖的成功合成,同时后续的合成也不会影响两性离子接枝的稳定性。 2.磺酸甜菜碱修饰自愈合PPDA水凝胶的制备及其抗黏附性能研究。通过利用PGA-DMAPS-APBA和PVA之间形成的硼酸酯键,构建了自愈合、可注射的抗污水凝胶PPDA。研究发现,当PGA-DMAPS-APBA浓度为3wt%、PVA浓度为2wt%时,PPDA水凝胶的表现出最优的综合性能:注射力约为20 N,自愈合速度约为13 s,机械性能稳定。与不含磺酸甜菜碱的水凝胶相比,PPDA的蛋白黏附性降低了 50%,仅为19.4 ug/mL,成纤维细胞黏附性降低了 75%,几乎屏蔽了细胞黏附。同时PGA-DMPAS-APBA是出色的药物载体,能搭载槲皮素(Que)实现了药物缓释,在120小时内平稳释放药物,由于硼酸酯键的环境响应性,在弱酸条件下加速释放,更有利于伤口愈合。该水凝胶在大鼠盲肠腹壁损伤模型中展现出良好的保护效果,证实其作为预防术后粘连材料的可行性。 3.磷酸甜菜碱修饰的光响应水凝胶的制备及其预防术后粘连的探索。通过控制MPC的投料比合成了一系列PGA-MPC衍生物,研究证实,MPC的接枝率与材料的抗污性能呈现正相关,随着接枝率的增加,水凝胶的亲水性增加,抗蛋白吸附效果增强,细胞和细菌的黏附率逐渐降低。光响应特性使PGAMA-MPC水凝胶在大鼠盲肠上原位交联,避免了商品化防粘连膜无法处理复杂组织表面与需要额外固定的缺陷。水凝胶屏障在体内展现出良好的保护效果,通过降低创口部位NF-κB的表达来减轻炎症反应,调控TGF-β1/Smad通路以避免显著的纤维增生与胶原沉积。推断PGAMA-MPC可能通过调节上述通路来阻止术后粘连的形成。 4.结合E7多肽的生物活性微载体的制备与细胞筛选。本研究进一步拓展了抗污材料的应用范围,利用PGAMA与PGA-DMPAS以不同比例制备了一系列微载体。通过PGAMA与半胱氨酸修饰的E7多肽之间的点击反应,实现了细胞选择性多肽在PGA微载体上的固定,大幅提升了干细胞的特异性黏附率。同时,接枝的两性离子的几乎屏蔽了所有非目标细胞的黏附,实现了精准高效的间充质干细胞结合能力。其中,PGAMA与PGA-DMPAS以1:3混合制备的PPDA1微载体效果最佳,间充质干细胞筛选精度超过95%。该研究为特殊活性表面的构建和生物组分的筛选提供了新思路。