聚多巴胺改性膜及其在水處理中的應(yīng)用

曹阿坤

(廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東 廣州511400)

在膜分離過程中，原料液中無機(jī)、有機(jī)、膠體和微生物等污染物會在膜表面和膜孔內(nèi)吸附、沉積和阻塞，導(dǎo)致膜污染。為了解決上述挑戰(zhàn)，很多研究人員在提高水通量、抗污染及機(jī)械性能方面，做出了許多努力來優(yōu)化膜性能。由于聚多巴胺材料具有許多優(yōu)異的特性，包括多巴胺的自聚合強(qiáng)粘附性、具有二次修飾活性位點等特性，越來越多的研究人員對于使用聚多巴胺材料進(jìn)行膜改性產(chǎn)生了濃厚的興趣[1]。本文主要從聚多巴胺的介紹及其改性膜材料應(yīng)用兩個維度綜述了聚多巴胺改性膜的研究現(xiàn)狀，并展望了多巴胺在未來膜改性之中的應(yīng)用前景。

1 聚多巴胺的聚合機(jī)理與性質(zhì)

1.1 聚多巴胺的聚合機(jī)理

貽貝在水環(huán)境中對多種不同表面的附著能力與其4-二羥基-L-苯丙氨酸(DOPA)蛋白有關(guān)，DOPA 蛋白是多巴胺(DA)生物化學(xué)合成的前體[2]。含兒茶酚和胺基官能團(tuán)的DA 可以模擬貽貝的粘附性及其在堿性溶液和氧氣存在下的自聚反應(yīng)，導(dǎo)致其在不同表面可以形成聚多巴胺(PDA)薄膜，粘附到各種無機(jī)和有機(jī)材料上。PDA 聚合的整個過程是基于多巴胺在表面的氧化自聚合，中間步驟是氧化和結(jié)構(gòu)重排后形成5，6-二羥基吲哚。所形成的PDA 薄膜主要通過共價鍵和氫鍵與多種固體材料牢固地結(jié)合在一起，因此通常被用作一種有效而實用的表面改性方法[3]。

1.2 聚多巴胺的性質(zhì)

聚多巴胺層表面具有豐富的官能團(tuán)可作為后修飾的界面層，允許膜被其他功能材料，如納米顆粒、低聚物、聚合物等進(jìn)一步修飾，還可與金屬離子及金屬氧化物形成穩(wěn)定的螯合鍵和配位鍵。此外據(jù)文獻(xiàn)報道，多巴胺同時還可以作為還原劑和穩(wěn)定劑，用于構(gòu)建無機(jī)-有機(jī)雜化材料[4]。多巴胺氧化后在膜表面會形成親水性的聚多巴胺涂層，親水涂層能吸引膜表面的水分子形成水合層，抵抗有機(jī)物和細(xì)菌的附著。聚多巴胺涂層也可以改善高分子膜基體與無機(jī)材料的界面相容性，避免納米顆粒溢出污染水體，同時可以減少納米顆粒在膜基體中造成的缺陷[5]。因此，聚多巴胺是緩解膜表面污染的理想材料之一。

圖1 聚多巴胺合成的可能反應(yīng)機(jī)制[3]

表1 改性前后聚砜膜性能變化[7]

2 聚多巴胺改性超濾膜及應(yīng)用

2.1 共混改性膜應(yīng)用

共混是將無機(jī)或有機(jī)材料物理混合以獲得所需的膜性能過程，這種引入通常是在鑄膜液中加入聚合物或無機(jī)納米材料來實現(xiàn)。制備混合基質(zhì)膜最常用的共混改性劑是添加親水無機(jī)納米材料，這些納米材料不僅可以改善膜表面的親水性和抗污染性能，而且還具有更高的滲透性、更高的截留率、優(yōu)異的機(jī)械、化學(xué)或熱穩(wěn)定性[6]。然而無機(jī)材料與聚合物膜材料的界面相容性較差，聚多巴胺由于其對于各種材料的強(qiáng)粘附性，可以作為一個改性平臺增強(qiáng)無機(jī)材料與有機(jī)膜本體的結(jié)合。Wu 等人[7]在鑄膜液中加入PDA 包覆的納米二氧化鈦顆粒，制造出具有光催化性能的超濾膜，改性后的膜具有良好的光催化性、親水性和抗污染性能。

2.2 表面改性膜應(yīng)用

膜的表面改性可以保留所需的聚合物膜特性（如機(jī)械和耐化學(xué)性等），同時提供理想的表面特性。聚多巴胺涂層在堿性環(huán)境下可由多巴胺自發(fā)反應(yīng)形成，然后可以沉積在幾乎所有材料表面上，這一特性使聚多巴胺成為了可用于表面改性的最有力的工具之一。因此聚多巴胺通常作為改性復(fù)合膜的中間層引入有機(jī)或無機(jī)材料在膜表面，以獲得想要的膜特定功能。McCloskey 等將胺基端聚乙二醇(PEG-NH2)接枝到PDA 修飾的膜上，進(jìn)一步降低了蛋白質(zhì)的粘附性，提高了膜的抗污性能。

3 結(jié)論與展望

自從多巴胺被發(fā)現(xiàn)并應(yīng)用于膜處理領(lǐng)域，過去十年間聚多巴胺改性膜技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，由于聚多巴胺優(yōu)異的特性使得制備出的膜性能不斷提高。在改性過程中聚多巴胺可以作為一個中間橋梁用來修飾無機(jī)納米材料與有機(jī)膜本體，比如可以將胺基端聚乙二醇或納米二氧化硅等接枝到納米聚多巴胺材料上形成一種復(fù)合材料，然后進(jìn)行膜改性獲得理想性能的膜。聚多巴胺由于其特定的性能是一種非常有發(fā)展前景的改性材料，相信未來它會在膜分離領(lǐng)域中有更多的應(yīng)用。