膜分离技术是重要的水处理手段。因其具有清洁、低能耗、出水稳定等优点,而应用广泛。但传统的膜处理技术会受到“上限平衡”效应的阻碍,无法实现截留率与水通量的双高。为了解决这个问题,本研究在仿生膜中引入了水通道蛋白。利用多巴胺在聚醚砜膜表面聚合反应,得到亲水性基团的荷负电基膜,再结合包含水通道蛋白的聚赖氨酸和聚谷氨酸保护层,制备具有高水通量的含水通道蛋白荷负电膜。具体研究内容如下:水通道蛋白是细胞膜上具有纺锤状结构孔道的跨膜蛋白,能让水分子在孔道内部因氢键形成手拉手的链状结构快速通过。充分利用水通道蛋白的这一功能设计出含有水通道蛋白的荷负电分离膜。将水通道蛋白有效结合到膜上是研究重点。聚-L-赖氨酸是一种由L-赖氨酸聚合形成的带正电高聚多肽,能够作为蛋白脂质体的保护层,同时也能使脂质体蛋白带正电,使之受到静电吸引和共价键合的作用稳固加载到膜上。聚谷氨酸是由谷氨酸聚合成的带负电高聚多肽,也能起到保护磷脂蛋白的作用。此外,聚赖氨酸层与聚谷氨酸在膜表面的铺展会使得膜表面更加致密和平坦,并且能增强膜的抗菌性。基于此,本研究利用多巴胺修饰聚醚砜膜,并与聚-L-赖氨酸和聚谷氨酸保护的水通道蛋白层结合,从而获得含有水通道蛋白的荷负电膜。经停留光谱、Zeta电位和粒径测试可表征出含水通道蛋白的磷脂囊泡的水渗透率。经X-射线光电子能谱和傅里叶红外光谱表征,荷负电膜上出现特征基团证明保护层与聚多巴胺层成功结合。经扫描电子显微镜和原子力显微镜能够观测到膜表面形貌和粗糙度的变化。此外,在分离性测试中,囊泡法和磷脂层法制备的含水通道蛋白的荷负电膜的水通量分别为1 1.80 LMH/bar和9.83 LMH/bar。但其对二价盐和一价盐的截留比高达7.42和7.78。证明含水通道蛋白的荷负电膜确实在保持了截留率的情况下提高膜的水通量,突破了“上限平衡”效应。而在稳定性和耐久性测试中,荷负电膜运行了 68 h水通量未出现明显下降,证明聚赖氨酸-聚谷氨酸保护层有效地保护了水通道蛋白。综上所述,本研究采用聚-赖氨酸和聚谷氨酸层保护含水通道蛋白的磷脂囊泡或磷脂层,并在聚多巴胺修饰的聚醚砜膜上构建含水通道蛋白荷负电膜。在分离进料液中的Na2SO4和NaCl时,荷负电膜表现出了高水通量、高分盐比和良好的稳定性,为含大量二价盐的工业废水的处理提供了一种新的思路,推动荷电膜和水处理领域的发展。