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聚离子液体刷功能化超滤膜的制备与抗生物污染性能及机理探究

一、引言

1.1研究背景与意义

随着全球工业化进程的加速和人口的增长，水资源短缺和环境污染问题日益严峻，这使得膜分离技术作为一种高效、节能的分离手段，在水和废水处理、食品加工、生物医药等众多领域得到了广泛应用。膜分离技术依据膜的选择透过性，能够在分子水平上实现不同粒径分子混合物的选择性分离，其基本过程涵盖压力驱动、浓度差驱动和电位差驱动等，依据分离机制的不同，又可细分为微滤、超滤、纳滤、反渗透、电渗析和气体分离等类型。其中，超滤膜由于其独特的孔径范围（通常为0.001-0.1μm），能够有效去除水中的胶体、大分子有机物、细菌和病毒等杂质，在水净化和污水处理领域发挥着关键作用。例如在饮用水净化中，超滤膜可去除水中的微生物和大分子污染物，保障饮用水的安全；在污水处理中，能实现对污水中有害物质的高效截留，促进水资源的循环利用。

然而，膜污染问题始终是制约膜分离技术大规模应用和长期稳定运行的关键瓶颈。在膜的长期运行过程中，水中的有机污染物、微生物、胶体和颗粒物等会逐渐在膜表面和孔道内积累，形成一层污染层，这便是膜污染现象。其中，生物污染因其形成机制复杂，危害尤为严重。微生物在膜表面的黏附与增殖是生物污染的关键环节，微生物分泌的胞外聚合物（EPS）会与有机分子、无机离子等相互作用，形成复杂的生物膜结构。这种生物膜不仅会堵塞膜孔，增加膜的传质阻力，导致膜通量急剧下降，还会降低膜的分离效率，使得出水水质变差。为了维持膜的正常运行，不得不频繁进行膜清洗操作，这不仅耗费大量的化学药剂和水资源，增加了运行成本，还会对膜材料造成一定程度的损伤，缩短膜的使用寿命。据相关研究统计，在一些实际的膜过滤系统中，由于膜污染导致的膜通量下降可达50%以上，膜清洗频率高达每周数次，极大地限制了膜分离技术的经济可行性和应用效果。

为了解决膜污染问题，科研人员进行了大量的研究，尝试了多种方法，如优化膜材料、改进膜制备工艺、优化操作条件以及对膜进行预处理和后处理等。其中，通过对膜表面进行功能化改性，赋予膜抗污染性能，成为了研究的热点之一。聚离子液体（PIL）作为一类新型的功能材料，近年来在膜表面改性领域展现出了巨大的潜力。聚离子液体是由离子液体聚合而成的高分子材料，兼具离子液体和聚合物的优良特性。它具有生物相容性高、广谱抗菌活性、可分子设计性强以及化学性质稳定等优点，同时还具备聚合材料的可加工性。这些独特的性质使得聚离子液体在抗污染膜的制备中具有重要的应用价值。

将聚离子液体以聚离子液体刷的形式接枝到超滤膜表面，能够有效改善膜的抗生物污染性能。聚离子液体刷具有丰富的离子基团，这些离子基团可以通过静电作用、氢键作用等与水中的污染物和微生物发生相互作用。一方面，阳离子聚离子液体刷可以通过物理穿刺和静电作用破坏细菌的细胞膜，实现对细菌的高效杀灭，从而有效抑制生物膜的形成；另一方面，阴离子聚离子液体刷则可以通过提升膜表面的亲水性，在膜表面形成一层水合层，阻碍有机污染物和微生物在膜表面的黏附。这种“防御”与“攻击”相结合的策略，有望从根本上解决膜的生物污染问题，提高膜的长期运行稳定性和使用寿命。此外，聚离子液体刷的结构和组成可以通过分子设计进行精确调控，从而实现对膜性能的精准优化，满足不同应用场景的需求。

综上所述，开展聚离子液体刷功能化超滤膜的制备及其抗生物污染机理研究具有重要的现实意义和理论价值。从实际应用角度来看，该研究有助于开发出高性能、抗污染的超滤膜材料，解决膜分离技术在实际应用中面临的膜污染难题，推动膜分离技术在水和废水处理、食品加工、生物医药等领域的更广泛应用，对于缓解水资源短缺、改善环境质量、保障人类健康具有重要的现实意义。从理论研究角度而言，深入探究聚离子液体刷与污染物、微生物之间的相互作用机制，揭示聚离子液体刷功能化超滤膜的抗生物污染机理，不仅可以丰富和完善膜材料表面改性的理论体系，还能为新型抗污染膜材料的设计和开发提供理论指导，促进膜分离技术的进一步发展。

1.2聚离子液体刷功能化超滤膜研究现状

近年来，聚离子液体刷功能化超滤膜的研究取得了显著进展，众多科研人员围绕其制备方法、抗污染性能及应用等方面展开了深入探索，旨在开发出高性能、抗污染的超滤膜材料，以满足实际应用的需求。

在制备方法上，原子转移自由基聚合（ATRP）技术凭借其独特的优势，成为在超滤膜表面接枝聚离子液体刷的常用方法。如文献中记载，有研究人员利用多巴胺与α-溴异丁酰溴反应，得到α-溴异丁基功能化多巴胺引发剂，再将其与缓冲液混合后施加到超滤膜表面进行反应，使超滤膜表面带上引发位点。随后，将包含离子液体、溶剂和添加物（还原剂和配体）的离子液体混合液施加到表面带引发位点的超滤膜表面，进行原子转移自由基聚合