基于单宁和组氨酸的聚偏氟乙烯表面修饰和性能研究开题报告

 2020-02-10 11:02
1.目的及意义(含国内外的研究现状分析)


水资源短缺问题一直限制着我国的快速发展:首先我国虽然水资源总量丰富,占全球的6.7%,总水量约含3.5万亿m3,但由于地表水与地下水的交换等原因,实际上可应用的水资源储量仅有约8千亿m3,加之我国人口多达14亿,人均水资源含量(2240 m3)仅为世界平均水平的28%,据估计到2030年,人均水资源占有量会下降至1700 m3;其次我国的水资源分布极为不均,有16个省(区、市)人均水资源低于严重缺水县,宁夏、河北等6个地区人均水资源已经低于500 m3,属于极度缺水地区;并且由于季风等环境因素影响,我国的降水时间不均,每年降水期基本在汛期,导致各类旱灾、洪灾的出现。作为一个正在快速发展的国家,这样的水资源情况严重阻碍了经济、科技的发展。

随着现代科技的不断发展,工业化程度的不断提升,在提升人们生活质量的同时,工业生产的负面问题也越来越突出。尤其是工业污水的排放问题是每一个工厂都必须正视对待的问题,水污染问题亟待解决。以油田为例,全国的大多数油田基本采用注水开发的方式,然而油田采出水中必然会产生含油污水,如何经济、有效地处理含油污水是目前油田企业持续发展的关键。

近年来,为了解决污水处理问题,已经有许多可行的处理技术被开发出来,如高级氧化法、物理化学法、电化学法、生物处理方法等。其中以物理化学法为原理的膜分离法在含油污水处理中效果较好。当前,微滤、超滤、纳滤、反渗透等多种膜分别针对不同的污水、颗粒粒径等,运用在各类污水处理当中。一般情况下,各类化学污水的物理、化学性质相似,因此可以使用同一种膜进行广泛的处理。利用膜技术处理污水,可以有效地解决传统生物、电化学等处理手段中能耗高、处理周期长等缺点,通过膜技术多层处理,配合其他处理方法共同使用,可以更好地达到预期处理效果。

聚偏氟乙烯(PVDF)是一种线型半结晶型聚合物,由于C—F键键长较短,键能高,具有力学性能优良、耐热、耐化学腐蚀、耐冲击、不易降解、易成膜等诸多特点,因而被认为是制备水处理分离膜的优选材料之一。但PVDF膜相较于其它膜材料,最显著的特点是强憎水性(水接触角大于100),在污水处理过程中会排斥水分子,这大大限制了其处理含蛋白质、含油污水的能力:极强的憎水性会使截留物质(污染物,如蛋白质等)容易吸附(或被水压限制)在膜表面,甚至堵塞膜孔,导致膜通量和分离能力大幅度下降。并且在污水处理过程中需要附加极强的外加驱动力,这也使得运行费用增加。此外,若是使用膜进行长时间的水处理,膜表面易滋生微生物,导致通量下降,甚至破坏膜表面结构。针对PVDF膜在实际使用中的缺点问题,已经有很多科研工作者研究出了表面改性、共混改性两大类改性方法,各有优劣。其中表面涂覆操作简便,相较于共混改性,更有可能投入市场工厂化生产。表面涂覆是通过氢键、物理吸附等作用在PVDF膜表面引入亲水涂层,借此改变膜自身憎水的特点,从而增大膜通量、减小水接触角,使膜更易于应用于水处理领域。

单宁是一个天然的多酚化合物,在自然界中广泛存在。单宁酸结构中含有大量的邻苯二酚和邻苯三酚结构,这使得其具有抗氧化性、较强的黏附性等性质。同时,通过大量的羰基和羟基,单宁可以有效地与蛋白质形成多点的氢键交联,且大量的苯酚基团使其可以作为多基配体与金属离子发生络合反应形成稳定的螯合物。若使用单宁作为膜亲水改性材料,具有以下优点:涂层近乎无色;自然界中分布广泛;价格低廉;目前已经有许多研究者使用单宁完成了PVDF膜的亲水改性,证明了其的应用能力。

氨基酸是含有一个碱性氨基和一个酸性羧基的有机化合物,与醛缩合时产生氨基酸席夫碱,这类化合物大多具有抑菌、杀毒、抗肿瘤等作用。L-组氨酸(L-Histidine)化学名为L-α-氨基-β-咪唑丙酸,是最常见的氨基酸之一,大量存在于香蕉、牛奶、肉制品中。作为一种碱性氨基酸,组氨酸与其他氨基酸相比,由于其结构中含有咪唑基团,使得抗菌效果更佳。

本项目的特点是:(1)使用具有多酚结构的单宁酸对PVDF多孔膜进行表面改性,单宁酸价廉易获得,其形成的单宁涂层稳定不易受损,且亲水性好,能够很好的改善原膜的憎水性,从而提升PVDF膜的实用性;(2)在使用单宁酸形成单宁涂层的同时,使用带有咪唑基团的组氨酸进行进一步的修饰,可以有效的提升PVDF膜的抗污染,尤其是抗生物污染能力;(3)整个改性过程简单易行,将有可能实际应用于规模生产。

社会、环境、健康、安全、成本等因素的考虑:在本项目使用的改性药品主要是单宁酸和组氨酸。在社会、环境方面:单宁酸主要提取自五倍子植物,对自然环境无危害,用其改性的PVDF膜可用于污水处理领域。在健康、安全方面:单宁酸被美国食物药物管理局列入一般确认安全(GRAS),对人体无害;组氨酸更是人体必需氨基酸之一,是多肽合成的常见药品。在成本方面:多巴胺价格昂贵,选用其结构类似的单宁酸作替代品,很大程度上降低了成本费用。

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