[发明专利]一种具有生物催化功能的自清洁膜及其制备方法

说明书

本发明提供了一种具有生物催化功能的自清洁膜及其制备方法。所述的生物催化膜为在中空纤维膜表面黏附有聚多巴胺涂层，涂层上接枝有混合酶分子。本发明不仅保留了中空纤维膜本身的分离过滤功能，还通过引入聚多巴胺亲水涂层和混合酶使其具有自清洁能力，并可通过调节pH或温度激活酶的活性，实现对复杂膜污染层不同物质的酶促降解，既可减少化学清洁剂和膜面损伤，又可通过降解有机底物以减少生物污染。本发明的生物催化膜可用于水处理，对主要膜污染成分(蛋白质和碳水化合物)及其协同污染物均具有抗污染效果，可使膜通量恢复率在60％以上，不可逆污染下降36％以上；与现有技术相比，本发明简单、安全，成本低廉。

技术领域

本发明属于膜材料技术领域，涉及一种基于黏附化学及生物催化机制的自清洁膜制备方法。

背景技术

膜污染问题是膜分离技术应用于污水处理的主要瓶颈之一。随着抗污染膜研究工作的不断深入，目前抗污染膜广泛应用的抗污染机制有被动防御机制和主动降解机制两类，主要包括基于亲水改性的污染抵御机制、基于低表面能的污染驱除机制、基于细胞失活和底物分解的污染攻击机制。

通常情况下，通过对工业成品膜的改性(表面改性)或对相转化过程的改性(基体改性)，可以制备出抗污染膜。与基体改性不同，表面改性不改变膜基体的结构和性质,只改善膜表面的亲水性、粘接性、生物相容性、抗污染等性能，或赋予膜表面新的功能。表面改性的主要方法有表面涂覆、表面化学处理、表面接枝等。与常规的物理方法(例如涂覆，共混)相比，受生物启发的黏附化学结合了多种相互作用来构建粘合涂料，从而稳定地固定防污改性剂。多巴胺是一种含有邻苯二酚和胺官能团的生物分子，可以在碱性水溶液与空气存在下发生自聚合，被氧化成聚多巴胺(polydopamine，PDA)涂层。该涂层能够牢固地粘附在各种固体表面上。酶中的氨基可通过席夫碱或迈克尔加成法固定在聚多巴胺的醌基上。沉积在膜上的PDA涂层的富醌结构提供了反应位点，用于通过迈克尔加成反应或席碱反应形成共价接枝氨或巯基的功能分子。Phillip B.等人将胰蛋白酶偶联固定在涂覆有聚多巴胺涂层的不同材料上(Lee H,Rho J,Messersmith P B.Facile Conjugation ofBiomolecules onto Surfaces via Mussel Adhesive Protein Inspired Coatings[J].Advanced Materials,2010,21(4):431-434.)。可利用此原理将混合酶固定至膜表面，缓解过滤过程中复杂的膜污染问题。

CN112007526A公开了一种多巴胺及牛磺酸改性聚砜膜及其制备方法。基于污染抵御机制，将亲水性聚合物——牛磺酸和多巴胺分子通过表面涂覆方法固定到聚砜超滤膜表面，极大地改善了膜表面的亲水性，在一定程度上缓解了膜污染。

猪胰酶(Pancreatin from porcine pancreas)是猪胰腺外分泌细胞产生的几种消化酶的混合物。它是一种广谱蛋白酶，由淀粉酶，胰蛋白酶，脂肪酶，核糖核酸酶和蛋白酶组成。固定在膜表面上的这种酶混合物同时可对蛋白质，脂质和糖类三种主要的生物分子提供催化水解特性，属于污染攻击机制。已有研究利用共价接枝法成功将胰酶固定到平板膜表面(Schmidt Martin,Breite Daniel,Thomas Isabell,等.Polymer membranes foractive degradation of complex fouling mixtures[J].Journal of MembraneScience,2018,563:481-491.)，从而实现污染混合物的同时酶促降解。但是膜的预改性需要大型仪器电子加速器，存在制备成本高，过程较复杂且膜本身机械性能下降的问题。如何将这种酶混合物引入膜表面的同时保持高载酶量、酶活力以及膜本身性能，仍有待解决。

因此，在本领域，期望将主被动抗污染机制相结合，开发一种具有同时降解多种污染物以及良好综合性能的生物催化抗污染膜。

发明内容