原位可控生长功能大分子刷制备耐生物污染反渗透膜及性能调控

Membrane biofouling is a main limitation to the development and application of reverse osmosis (RO) membrane technology, which is also a great challenge for the RO system. Design and preparation of anti-biofouling RO membrane with high performance for decreasing energy consumpation and costs of RO-desalination technology is of great significance. In this proposal, according the features of biofouling process, the anti-biofouling RO membrane with highly controllable functional macromolecule brush is proposed to be synthesized by introducing the bifunctional molecule with ATRP initiation site to the preparation process of polyamide RO membrane using m-phenylenediamine (MPD) and 1,3,5-tricarbonyl chloride (TMC) as monomers by interfacial polymerization strategy. The obtained anti-biofouling membrane can avert the damage to intrinsic structure of membrane caused by traditional surface modification. Simultaneously, the introduction of hydrophilic functional barrier macromolecule brush can improve the hydrophily of the membrane surface which can enhance the reattachment ability to microorganism. Additionally, the multi-functional property of the brush is convenient to endow the membrane with its own antibacterial properties which further improve the anti-biofouling performance of membrane. Moreover, by studying the structure and properties of the designed RO membrane, the anti-biofouling mechanism can be investigated and the structure function relationship can be definited. The completion of this proposal can provide useful research basis and theory for developing the application of ATRP method in RO membrane anti-biofouling.

膜生物污染严重限制了反渗透技术的发展和应用，解决膜生物污染一直是反渗透系统面临的巨大挑战，设计和制备耐生物污染的反渗透膜意义重大。本项目依据微生物污染过程特征，从提高膜对微生物的抗附着能力和抗菌能力出发，采用温和可控的反应设计进行膜结构的抗菌功能化，提高膜表面亲水性和抗菌性。提出通过界面聚合法，在聚酰胺反渗透膜制备过程中将原子转移自由基聚合(ATRP)引发位点固载到膜表面，通过ATRP技术实现亲水性功能大分子刷在膜表面的原位构建，利用大分子刷的功能性实现杀菌物质在膜表面的化学键合，制备出耐生物污染的聚酰胺反渗透膜，实现耐生物污染膜设计与制备新方法的构建。通过研究膜结构与性能，探索该反渗透膜的耐生物污染机理，明确膜结构与功能之间的构效关系。该研究为开发ATRP聚合在反渗透膜耐生物污染中的应用提供研究基础和理论支撑。

膜生物污染严重限制了反渗透技术的发展和应用，解决膜生物污染一直是反渗透系统面临的巨大挑战，设计和制备耐生物污染的反渗透膜意义重大。本项目依据微生物污染过程特征，从提高膜对微生物的抗附着能力和抗菌能力出发，采用温和可控的反应设计进行膜结构的抗菌功能化，提高膜表面亲水性和抗菌性。具体研究内容如下：. 通过深入分析界面聚合过程，引入功能小分子2-溴异丁酰溴（BIBB）参与界面聚合，一步法实现原子转移自由基聚合（ATRP）位点在膜表面的有效固载。研究发现：功能小分子的引入使得膜表面粗糙度增大；随着功能小分子比例的增大，接触角变大，主要是残留在膜表面的溴代异丁基所致；功能小分子的引入对反渗透膜的分离性能产生了一定的影响。膜表面ATRP引发位点为进一步制备耐污染反渗透膜奠定基础。. 选用亲水性单体甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）为接枝单体，以反渗透膜表面的ATRP引发位点为基础，调控接枝时间制备得到表面具有亲水性大分子刷的聚酰胺反渗透膜。接枝亲水性单体之后，膜表面粗糙度降低、亲水性提高，这些变化都有利于聚酰胺反渗透膜的耐污染性能的提升。研究发现接枝时间越长，聚酰胺反渗透膜的通量降低越多，耐污染性能越强。另外，研究发现接枝时间对反渗透膜综合性能的影响至关重要。. 为了得到兼具抗附着和杀菌性能的耐生物污染反渗透膜，选用丙烯酰胺（AAm）为接枝单体，以聚丙烯酰胺（PAAm）上的胺基为键合位点，将具备杀菌功能的碳纳米管键合到聚酰胺反渗透膜的表面，得到具备双重杀菌功能的聚酰胺反渗透膜。以大肠杆菌（E. coli）为测试细菌，研究了聚酰胺反渗透膜的抑菌性。通过全面表征膜结构和性能，建立起膜表面结构和耐生物污染性能之间的“构效关系”。该工作采用一步法实现兼具亲水性和杀菌性功能大分子刷的接枝，实现协同抗菌，保证膜本征结构完整性，形成耐生物污染反渗透膜制备新方法。