层层组装法制备含水通道蛋白的仿生膜

作     者：王淼琪 

作者单位：中国海洋大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王志宁

授予年度：2015年

学科分类：081704[工学-应用化学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 081701[工学-化学工程] 0824[工学-船舶与海洋工程] 

主      题：磷脂双层膜 层层组装 水通道蛋白 仿生膜 纳滤 正渗透 

摘      要：海水淡化是解决水资源短缺的有效途径之一,而膜分离技术则是实现海水淡化最有效、最经济的手段。高性能分离膜的设计是膜技术的基础和核心,制备新型复合膜使其能有效地降低能耗,实现高效、便捷的净水技术,是目前膜材料研制领域内的共识及今后的发展方向。水通道蛋白是一种理想的水分子通道,其具有极强的的水渗透性和单一选择透过性。将水通道蛋白包裹在磷脂双层膜中,铺展于纳滤膜上形成一种新型的仿生复合膜,可以克服传统高分子复合膜的“上限平衡效应。本文通过层层组装的方法制备了含有水通道蛋白的磷脂仿生复合膜,并对它们的结构和性能进行了表征与测试。(1)本文根据囊泡再水化法制备了DOPC脂质体及DOPC/DOTAP脂质体,并在脂质体囊泡中引入水通道蛋白Z制备DOPC蛋白脂质体及DOPC/DOTAP蛋白脂质体,表征了脂质体及蛋白脂质体的形貌及性能。用停留光谱法表征制得的脂质体及蛋白脂质体的渗透性能,探究了加入不同比例蛋白后蛋白脂质体的渗透通量的变化规律,以及加入阳离子脂质体DOTAP后对蛋白载入量的影响。实验证明,蛋白脂质体的渗透通量随蛋白加入量的增多而增大,阳离子脂质体DOTAP的加入可以提高水通道蛋白的载入量。由于水通道蛋白呈负电性,引入带正电的阳离子脂质体包裹水通道蛋白会减小带负电的水通道蛋白Z之间的排斥阻力,并通过静电效应提高囊泡中水通道蛋白的载入量,提高蛋白脂质体的渗透性能。(2)由直接囊泡破裂法制备的复合膜中纳滤膜与磷脂膜间仅靠亲水作用力结合,复合膜的稳定性较差,因此我们尝试使用层层组装的方法,利用静电吸引力的作用,提高复合膜的结合力,增强膜的稳定性和耐清洗能力。利用层层组装制备表面呈负电性的高分子复合膜基膜,再通过静电结合作用使包裹有水通道蛋白的正电性的磷脂囊泡溶液在层层组装的复合膜上铺展形成支撑磷脂双层膜。我们以NaOH处理过的聚丙烯腈(H-PAN)膜为基膜,在上面利用层层组装的方法吸附带正电的聚乙烯亚胺(PEI)和带负电的聚苯乙烯磺酸钠(PSS)溶液,制备复合高分子基膜。将水通道蛋白(AQP)引入到带正电的磷脂磷脂囊泡(二油酰磷脂酰胆碱(DOPC):1,2-二油烯氧基-3-三甲氨基丙烷(DOTAP)=4:1)中,在其上通过静电结合力铺展形成一层含水通道蛋白的磷脂双层膜。通过层层组装制备含水通道蛋白的磷脂仿生纳滤膜,加入水通道蛋白后膜的通量比原来提高了4～5倍,约为20～25 L/m2h(原膜水通量为0～5 L/m2h),对一价Na+的截留率提高到65%以上,对二价Mg2+的截留率提高到90%以上。可应用于水软化,废水处理等不同领域,具有广阔的应用前景。(3)用层层组装的方法制备了含水通道蛋白Z的磷脂仿生正渗透膜,并通过改变表面分离层聚电解质的组装时间、组装层数及聚电解质溶液的离子强度来改变聚电解质层的分离性能,用正渗透膜测试仪测试膜的性能,得到分离效果较好的正渗透膜。在得到的聚电解质复合膜上铺展形成含水通道蛋白的磷脂仿生膜,磷脂层和水通道蛋白可以有效地提高复合膜的截盐率,同时可以保持较高的水通量。随着加入蛋白比例的提升,水通量明显上升,并且蛋白浓度越高,水通量也越大。这说明水通道蛋白专一的透水性能可以很好地改善磷脂层水通量不足的缺陷,以达到同时提高水通量和截盐率的效果。