磁性分子印迹材料的制备及其在膜污染控制方面的应用

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膜生物反应器(MBR)由于具有出水水质好、设备占地面积小、处理效率高等诸多优点,被广泛应用在污水处理和回用领域,但是膜污染导致的通量衰减、运行成本增加等问题却严重限制了MBR更大规模的应用。通过投加活性炭等吸附材料可改善MBR中混合液特性继而有效延缓膜污染,但现有吸附材料大都为非选择性差,使得吸附效率大大降低,运行和维护成本也相应较高。纳米技术和表面分子印迹技术的发展,使得针对生物大分子的分子印迹聚合物(MIPs)的制备和应用有了实质性的突破,有可能解决现有吸附材料选择性差的难题。本课题拟优化制备具有选择性吸附膜污染物质的磁性分子印迹聚合物,系统评价其吸附性能并将其应用于减缓膜污染,探讨和研究其控制MBR膜污染的可行性及调控机理,完善和丰富磁活性污泥法调控MBR膜污染的技术体系和内容。主要内容如下:(1)基于双键修饰的磁性纳米粒子为载体,以丙烯酰胺和N-异丙基丙烯酰胺为功能单体、牛血清白蛋白(BSA)作为模板分子,利用表面分子印迹技术合成了单模板蛋白质磁性分子印迹聚合物(Fe3O4@Si O2@C=C@MIPs),考察其特异性吸附性能。研究发现:饱和吸附容量为34.5 mg/g,印迹因子在2.09~2.12之间;热力学模型适用于Langmuir模型,动力学适用于准二级动力学;吸附选择实验表现出对BSA显著的选择吸附性能,此外,5个吸附-解吸循环后,吸附容量仍有30 mg/g,表现出良好的循环使用性。(2)以氨基功能化修饰的磁性纳米粒子为载体合成了Fe3O4@Si O2@NH2@MIPs,并评价其吸附性能。研究发现:饱和吸附容量为45.6 mg/g,印迹因子在2.2左右。但是特异性吸附实验中发现对牛血红蛋白(BHb)的吸附容量较小,但对溶菌酶的吸附容量较高,可能是由于溶菌酶的分子尺寸较小,进入印迹位点的空间位阻较小,同时溶菌酶与印迹微球之间存在静电引力。(3)研究制备了以BSA和BHb为双模板合成的磁性印迹聚合物(Double-MIPs),并考察吸附性能发现:相较于以双模板蛋白溶液为吸附液时,Double-MIPs对单一模板蛋白溶液为吸附液的吸附容量更高,可能是由于混合溶液存在竞争吸附。从吸附动力学和吸附等温线可以看出,对BHb和BSA的饱和吸附容量分别为104.4 mg/g和37.8 mg/g,可以推测Double-MIPs对BHb的亲和性较高。(4)以正在运行的MBR系统中主要膜污染组分-溶解性有机物(SMP)作为测试体系,考察3种分子印迹聚合物对膜污染物质的特异性吸附性能,研究发现:3种印迹吸附材料对SMP蛋白的吸附容量明显高于多糖,具有较好的吸附选择性。同时印迹吸附材料对膜过滤阻力的减小比明显高于非印迹吸附材料,最高的膜滤阻减小比可以达到37.27%,表明磁性分子印迹吸附材料可通过特异性吸附有效延缓膜污染。此外,良好的磁响应特性可保证快速从混合液中分离。
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