文献综述

1、引言

膜分离技术作为一种新型的分离技术，自20世纪90年代以来，以其高效、绿色、节能等特点在水处理的应用越来越多，成为解决人类面临的能源、水资源、环境等重大问题的共膜分离技术在蛋白质类生物产品分离领域的应用展望性技术之一。膜技术的应用覆盖面在一定程度上反映了一个国家过程工业、能源利用和环境保护的水平^[1]。近年来，随着膜技术的快速发展，膜分离技术已在化工、食品、医药、生物工程等众多领域得到更为广泛的应用。

膜技术在蛋白质的分离与提纯过程中，具有分离选择性强、能耗低、无相变、无需添加剂等优点。在乳制品、饮料、生物医药等的生产加工过程中得到广泛的应用^[1].据估计,目前用于牛奶和乳清生产已投入使用的膜面积达2000000m^2[2]。

在膜分离过程中胶体大分子等物质易于在膜孔道内和膜材料界面发生吸附行为，这种吸附行为所导致的孔内吸附阻力（也即孔堵塞或孔收缩）、浓差极化以及膜面形成凝胶层所引起的阻力往往决定了膜的总阻力的大小，从而导致膜通量的迅速降低^[3,4]。污染严重时，膜通量可下降 80%以上，以致膜分离过程难以进行^[1,5,6]。因此在应用过程中如果不解决或者减轻这一吸附污染问题，将导致膜的应用成本过高，从而导致产品成本的增加。为了解决吸附污染问题，越来越多的研究者将膜表面进行接枝改性，制备了大量抗蛋白等大分子吸附的复合膜。

在膜改性的方法中，表面接枝较为经济可行。目前常用的抗蛋白质污染材料主要有聚乙二醇和两性离子两类。聚乙二醇类在大部分生物化学溶液中容易被氧化,温度高时抗蛋白质吸附性大大降低/抗污染效果不能稳定的存在因此^[7]。近年来，两性离子聚合物以其合成工艺简单、应用方便、水和能力强与抗蛋白污染强等特点逐渐受到人们的关注^[8]。越来越多的研究者将其应用到聚合物膜的抗蛋白吸附改性中^[9,10]。

在膜工业中，膜污染一直是一个长期存在的问题。本次研究主要解决无机陶瓷膜的表面污染问题，为了有效地解决目前陶瓷膜分离蛋白质等物质的堵塞问题，提高陶瓷膜的选择透过性，增加水通量与提高抗污染性，将陶瓷膜表面进行改性。本次课题主要是通过有机物双离子两性基团对陶瓷膜表面进行改性，因为陶瓷膜Al₂O₃晶体的表面存在羟基，双离子两性基团具有强水合能力与强抑制蛋白质吸附能力，所以将双离子两性基团接枝于膜表面能发生大量羟基聚合，从而减小膜孔径，提高了膜表面的水通量与对蛋白质等高分子的抗污染性。

2、陶瓷膜的发展现状及存在问题

2.1无机陶瓷膜的发展应用

根据膜材料的不同，膜可分为有机膜和无机膜两大类。无机膜由于具有热、化学稳定性好、抗酸碱腐蚀、有机溶剂侵蚀和抗微生物能力强、机械强度高、使用寿命长等优点而被得到广泛应用。其中由金属氧化物粒子烧结而成的陶瓷膜发展最为迅速，已经初步形成了一定的产业规模，在资源、能源、环境、医药以及传统产业技术改造等领域得到了广泛的应用多孔陶瓷膜按照结构的不同又可细分为对称膜和非对称膜。对称膜是指整个膜的结构是均匀的。而非对称膜是指其结构在沿膜厚度方向上是逐渐变化的，通常是由几层孔径和厚度均逐渐减小的薄层构成的复合结构。应用在液体分离领域的陶瓷膜多是非对称陶瓷膜。一般来说，非对称陶瓷膜按孔径和厚度的不同大致可分为多孔陶瓷支撑体层（也就是载体）、中间层（又称为过渡层）和活性分离层（也就是膜层）三部分组成。其中支撑体的厚度约为几个微米，孔径为 1～10micro;m；中间层厚度为 10～100micro;m，孔径为 50～500nm；活性分离层的厚度约为 1micro;m，孔径为 2～50nm。非对称多孔陶瓷膜的结构如图 1-1^[11]。