[发明专利]纳米粒子官能化的膜及其制备方法和用途

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年5月27日提交的美国临时专利申请号61/490,806的优先权，其公开的内容通过引用并入本申请。

发明领域

本发明总体涉及纳米粒子官能化的膜。

发明背景

有效处理非传统性水源如废水和高盐度水对水供给是至关重要的。逆向渗透（RO）和正向渗透（FO）是有希望应对这一挑战的基于膜的技术。然而，这些系统会出现膜污染例如生物附着和有机分子污垢，其均会对水处理量和膜的使用寿命造成负面影响。

在先进的水处理工艺中超滤（UF）膜发挥了关键的前处理功能。然而，在运行系统中，生物附着降低膜的性能并且增加化学清洗的次数和成本。

在将聚合物膜引入水处理应用后的几十年时间里，这种膜被广泛的用于除去进料流中的细菌、病毒、大分子、有机化合物和盐。大多数的膜由惰性聚合物材料制成，并被设计成尺寸选择筛或具有高选择性的致密屏障。

尽管聚合物膜被广泛的认为是水处理中最先进的技术，但是目前的膜设计会出现对某些所关注污染物的截留降低和对污垢的阻力降低。对附着在膜上的微生物的灭活将导致开始形成生物膜的延迟。然而，微生物的主要附着机制涉及基于蛋白的粘着剂的分泌。此外，在进料流中还存在很多其他的有机分子并且由于其结垢会导致工艺性能的显著降低。

发明概述

本发明提供了纳米粒子官能化的膜、这种膜的制备方法以及这种膜的用途。所述的膜可以用于装置如超滤装置和净化水体的方法。

在一个方面，本发明提供了一种纳米官能化的膜。所述膜具有一层或多层纳米粒子。所述纳米粒子是金属纳米粒子、金属氧化物纳米粒子、无机氧化物纳米粒子或其组合。最接近于膜表面的纳米粒子与膜表面共价键合。所述膜可以是逆向渗透、正向渗透和超滤膜。

在一个方面，本发明提供了一种制备纳米粒子官能化的膜的方法。在一个实施方式中，本发明提供了一种由本申请所述的方法制备的纳米粒子官能化的膜。

在一个方面，本发明提供了一种具有纳米粒表面官能化的膜的装置。这种装置的例子包括超滤装置、逆向渗透（RO）装置、正向渗透（FO）装置、减压渗透（PRO）装置、纳米过滤（NF）装置、微孔过滤（MF）装置和膜生物反应器（MBR）。

在一个方面，本发明提供了一种使用纳米粒子表面官能化的膜净化水介质的方法。在一个实施方式中，可以将纳米粒子官能化的超滤、RO或FO膜用于水净化方法中。

附图的简要说明

图1。用于制备活性膜的合成后接枝工艺的例子。氧等离子体活化膜表层以在表层加上活性和/或带电官能团。随后将已活化的膜与带电的或官能化的纳米粒子孵育。活性纳米粒子通过静电作用和共价键在膜表面上形成持续性的包覆。

图2。AgNP和PSf膜例子的材料性质。A）PEI官能化AgNP的透射电子显微照片

（TEM）。B）PSf膜剖面的扫描电子显微照片（SEM）显示出指状孔结构。C）在等离子体处理和PEI-AgNP官能化前的膜表面的SEM。

图3。改性膜例子的材料性质。A）膜表面氧含量百分率作为O₂等离子体处理时间的函数，该函数由XPS分析确定。B）未官能化的和官能化的膜ζ电位作为pH的函数。C）未经处理的和经处理的膜的接触角作为pH的函数。

图4。改性膜例子的分离性质。A）不同分子量PEO分子的截止分子量（MWCO）作为等离子体处理时间的函数。B）截留作为PEO分子量的函数。C）改性膜的纯水膜渗透性。

图5。A）在使用EDC AgNP改性前后的示例性膜表面的XPS数据。膜表面的银的原子浓度为5.2%。B）示例性未经处理的PSf、PEI涂覆、PEI-AgNP改性和EDC存在下PEI-AgNP改性的膜表面的抗菌活性（以膜表面残留的活细胞表示）。C）Ag+离子从无EDC的PEI-AgNP涂覆膜的释放速率。

图6。盐酸1-乙基-3-（3-二甲基氨基丙基）碳二亚胺（EDC）的易化反应举例。EDC与羧基官能团反应以形成胺基活化的O-酰基异脲中间体。该中间体可以与PEI涂覆的AgNP上的伯胺反应，以形成稳定的酰胺键和异脲副产物。如果该中间体未与胺反应，则其水解并恢复羧基。

图7。示例性未经改性的聚砜（PSf）膜和经氧等离子处理60秒的PSF膜的表面电荷密度，表面电荷密度通过化学吸附于阴离子膜表面的阳离子甲苯胺蓝O测定。