界面聚合法复合纳滤膜的制备与应用研究

一、本研究概况：

纳滤技术是介于超滤与反渗透之间的一种压力驱动的膜分离技术，在饮用水和工业水的纯化、天然产物提取、海水脱盐、废水处理、染料的浓缩、生物医药以及食品等领域具有广泛的应用。纳滤膜的制备方法主要包括相转化法、共混法、荷电法以及界面聚合法，其中界面聚合法是目前最有效的纳滤膜制备方法。目前，国内外关于使用界面聚合法制备聚酰胺复合纳滤膜的研究有很多，但对于分子量为300-1000的不同有机物（如单糖和二糖）的分离效率和通量都有待改进。

二、实验室研究内容与研究方向

针对纳滤膜对于分子量为300-1000的不同有机物（如单糖和二糖）的分离效率和通量都很低的问题，本课题研究的重点是通过界面聚合法，制备出能有效分离分子量为300Da以上有机物及高效分离NaCl和MgSO₄两种性能的复合纳滤膜，其制备过程如图1所示。具体研究内容如下：

（1）以高效分离分子量300Da左右的有机物为目的，探究界面聚合反应中单体结构、单体浓度、添加剂浓度和界面聚合时间等因素对复合纳滤膜结构和分离性能的影响。

（2）以天然产物中有效成份和杂质的分离为对象，考察纳滤过程中的操作条件对复合纳滤膜分离性能的影响，并测试了纳滤膜的耐污染性。

（3）以低压低能耗地截留结垢离子，并保持对NaCl的通透性为目的，探究界面聚合反应中单体结构、单体浓度、添加剂浓度和界面聚合时间等因素对复合纳滤膜结构和分离性能的影响。

图1 界面聚合法制备复合纳滤膜示意图

本研究在优化条件下制备的纳滤膜纯水通量达240L·m^-2·h^-1.Mpa，对二价离子的截留率达90%以上；对蔗糖（分子量为342.3Da）的截留率可达90.1%，对单糖（分子量180.2Da）的截留率可达49.1%。将上述纳滤膜用于菊糖溶液的分离提纯过程。纳滤膜的通量可达 135 L·m^-2·h^-1，菊糖溶液中的还原糖含量可降低到 4.53%。与商业纳滤膜相比，具有相同的截留效果且通量大幅提高。

图3 实验室自制纳滤膜的表面

三、高纯牡丹黄酮及丹参酮的提纯

牡丹具有极高的利用价值，已有研究表明，牡丹中丰富的黄酮类化合物可清除体内自由基、抗氧化，具有抗癌与抗肿瘤的作用，具有抗菌与抗病毒、抗疲劳、抗衰老、抗过敏、消炎的作用，同时能够降低血糖、降低血脂、抗糖尿病、调节免疫、镇咳祛痰，对心血管疾病、心肌缺血、肝功能障碍等疾病有重要的作用^[1-3]，可广泛用于医疗保健品、化妆品和食品中，具有极高的商业价值。而后续产品的加工的前提是能够生产出较高纯度的天然牡丹黄铜。丹参为唇形科植物丹参的干燥根及根茎，具有祛瘀止痛、活血通经、清心除烦等功效。丹参酮是丹参中的主要活性成分，包括丹参酮ⅡA、隐丹参酮、丹参酮Ⅰ、二氢丹参酮Ⅰ等，具有较明显的心脑血管保护活性、体内外抗肿瘤活性等^[4]。

目前，高效环保的提纯工艺是黄酮类物质及丹参酮类物质大规模提取的主要障碍。传统的提纯工艺包括：色谱技术、层析技术的发展，薄层层析技术、高效液相色谱（HPLC）技术等，但这些方法多由于处理量过小等限制，难以工业化应用。目前，大孔树脂吸附技术工业化程度虽然相对较高且兴起时间较长，但仍存在成本高、废水量大等缺点。

膜分离技术是利用膜的孔径和膜表面的荷电性能实现对目标分子按照分子量大小进行精密分离的一种方法，因其绿色、环保、可持续的特点，将为牡丹黄酮等天然产物的提取提供一种新的技术，其低廉的生产成本、高质量的产品纯度、无污染的生产工艺，将带来巨大的价值。

本实验室着力于开发以膜分离技术为基础的多级膜过滤工艺，通过制备具有选择性分离能力的不同孔径大小的超滤膜与纳滤膜，对牡丹黄酮及丹参酮进行分级提纯，既能减少膜污染的情况，又能生产出高纯度的天然牡丹黄酮产品及丹参酮产品。研究的重点即具有高选择性的不同孔径大小的超滤膜与纳滤膜的研制与开发，以及最为高效的提纯工艺的开发。

本工艺的优势在于：
1. 纯物理提纯，不引入任何杂质；
2. 产品纯度高（牡丹黄酮80%-90%，丹参酮50%-60%）；
3. 不产生废液，污染零排放；
4. 杂质（蛋白质、多糖、脂质等）可用于肥料加工；
5. 膜分离能耗低，保证热敏性物质的活性。

参考文献：

[1] 孟庆华, 于晓霞, 张海凤, 张绍良. 天然黄酮类化合物清除自由基机理及其应用进展[J].云南民族大学学报(自然科学版), 2012, 21(02):79-83.

[2] 赵新淮, 张强, 王竹君. 类黄酮化合物抗癌活性研究与进展[J]. 东北农业大学学报, 2010, 41(04):133-138.

[3] Park S Y, Kim Y H, Kim Y, et al. Aromatic-turmerone's anti-inflammatory effects in microglial cells are mediated by protein kinase A and heme oxygenase-1 signaling.[J]. Neurochemistry International, 2012, 61(5):767-777.

[4] 侯丽. 丹参酮提取工艺的研究进展[J]. 农业科技与装备, 2016(10):64-65.

四、研究成果

1. 项目成果

1. < >XC1605），北京市科委项目.2. 学术成果

    

   [1] 张玉凤, **霖, 王灿, 张卫东*. 调控PES超滤膜海绵孔结构的形成[C], 中国化工学会, 2017.

   [2] 张玉凤, **霖, 王灿, 张卫东*. PES超滤膜海绵孔结构的调控及应用[C], 中国膜工业协会, 2017:275-276.