基于两性离子的纳滤膜抗污染改性方法研究进展

纳滤膜对水中污染物的分离截留性能优异,膜污染控制和抗污染强化是该技术发展的研究热点。纳滤膜改性是强化纳滤膜抗污染性能的方法之一,基于两性离子材料的改性纳滤膜凭借两性离子材料静电作用与水分子结合的特性,在渗透性和抗污性方面表现优秀。系统综述了强化抗污染的两性离子纳滤膜的改性方法,包括涂覆法、接枝法、界面聚合法、自组装和共混掺杂法等,并阐释了各方法所制备纳滤膜的抗污效能和适用条件,最后对各改性方法做出了展望,以期为两性离子材料在纳滤膜改性和实际应用中的研究提供参考。

两性离子中间层调控的纳滤膜制备及其脱盐性能

为了打破纳滤膜的渗透性-选择性上限,制备兼具高渗透通量和高截留性能的薄层复合纳滤膜,首先在水解聚丙烯腈(HPAN)基膜表面沉积聚多巴胺/聚甲基丙烯酰乙基磺基甜菜碱(PDA/PSBMA)中间层,然后利用哌嗪(PIP)和均苯三甲酰氯(TMC)进行界面聚合,制备聚酰胺(PA)层;对膜的化学结构、形貌和表面特性进行表征,研究纳滤膜的性能。结果表明:中间层亲水且带负电,对膜孔未造成严重堵塞,优化了界面聚合反应界面;聚酰胺层的厚度仅为65 nm左右,聚酰胺层内部及其与支撑层之间存在大量通道,使纳滤膜纯水渗透性高达21.82 L/(m^(2)·h·bar)(1 bar=100 kPa);纳滤膜对盐的截留顺序为Na_(2)SO_(4)(98.87%)>MgSO_(4)(96.92%)>MgCl_(2)(50.14%)>NaCl(30.60%),Na_(2)SO_(4)截留率基本不受操作压力和盐浓度的影响,NaCl和Na_(2)SO_(4)的分离因子为61.42;此外,纳滤膜具有良好的抗污染性和长期稳定性,在海水淡化、饮用水净化等领域具有应用潜力。

新型两性离子粘土稳定剂的制备及其性能研究

以丙烯酰胺(AM)、二甲基二烯丙基氯化铵(DMDAAC)、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)和N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)为反应单体,以过硫酸胺、亚硫酸氢钠为引发剂,制备了一种新型的两性离子粘土稳定剂,并采用红外光谱对其结构进行了表征。结果表明,在40℃下,当引发剂加量为0.55%,AM∶AMPS∶DMDAAC∶NVP物质的量比为160∶20∶13∶2,反应时间为3 h时,所制备的四元共聚物AM/AMPS/DMDAAC/NVP防膨率可达90.74%,具有良好的耐温耐盐性及耐酸碱性能,可以有效防止粘土水化膨胀、分散运移,有利于降低采油成本,在油气田领域具有良好的应用潜力。

水合作用与 pH 调控两性离子聚合物刷的相变行为

本文基于Flory-Huggins理论,建立理论模型研究水合作用与pH调控两性离子聚合物(ZP)刷的相变行为.理论模型考虑ZP的水合作用,以及ZP刷体系中的静电作用.研究发现,在不同pH条件下,ZP刷的体积分数随着水合作的减弱而的增加.随着pH的变化,ZP刷构象随着水合性转变行为明显改变,这是由于pH调控ZP链单体带有过多的净电荷(正电荷或负电荷),致使ZP链内出现静电排斥导致ZP刷溶胀.另外,当ZP链单体呈现过多的净电荷,会在很大程度上决定ZP刷体系静电势,影响ZP刷的相变行为.通过考察体系自由能,我们还发现,ZP刷体系自由能呈现了极大值,随着pH值的变化,自由能呈现的极大值随之改变,由此表明了体系的不稳定性,进而导致ZP刷体系发生相变.

高离子选择性PI基两性离子交换膜的制备与应用

两性离子交换膜可以结合质子交换膜和阴离子交换膜的优点,解决质子传输能力与钒离子渗透能力之间的权衡关系。针对许多报道中阴阳离子位于同一侧链而限制了调控其比例的问题,本文以5-氨基-2-(4-氨基苯基)苯并咪,4,4′-二氨基-2,2′-二磺酸基-联苯和4,4′-二氨基二苯砜为二胺单体,以1,4,5,8-萘四甲酸酐为二酐单体,制备了含有苯并咪唑结构主链的磺化聚酰亚胺膜材料,利用苯并咪唑的易修饰性,制备了具有长功能基团侧链的两性聚酰亚胺膜材料,可灵活调控阴阳离子的比例。通过调控长侧链阳离子基团的含量制备了QBISPI-x(x=0,33,67,100)系列膜。QBISPI-0具有最高的质子传导率(27.4622 mS·cm^(−1))和离子选择性(6.598×10^(5)S·min·cm^(−3)),在VRFB的测试中表现出最佳性能,在高电流密度(200 mA·cm^(−2))下能量密度可达到73.6%。

两性离子聚合物接枝改性有机膜亲水性的研究进展

膜分离过程被普遍存在的膜污染问题所困扰。两性离子聚合物是在同一分子中含有阴离子和阳离子单元的代表性材料,由于其超亲水性、化学稳定性和优异的防污能力,在生物医学和分离材料等领域受到了广泛关注。将两性离子分类,综述了将两性离子材料结合到膜表面以提高膜抗污染性能的常见方法,包括引发剂引发、等离子体引发、紫外诱导引发等。最后对两性离子改性高分子膜未来的发展进行了简单的评价和展望。

一种具有“盐响应”特性的两性离子聚合物增黏降滤失剂

随着深层、超深层及非常规油气开采的不断深入,钻井过程中盐污染已成为水基钻井液在极端盐度和高温条件下面临的严峻挑战,盐污染会导致钻井液流变性和滤失性能的急速恶化。为避免上述问题发生,通过自由基聚合反应研发了一种具有“盐响应”特性的两性离子聚合物增黏降滤失剂(PAMN),并利用红外光谱分析(FT-IR)、核磁共振氢谱分析(1H-NMR)、热重分析(TGA)、分子模拟技术(MS)、扫描电镜(SEM)及钻井液流变和滤失分析等实验方法,表征了PAMN的分子结构、热稳定性及增黏降滤失性能,并揭示了PAMN的“盐响应”机理。研究结果表明:①合成的PAMN热降解温度高达285℃,PAMN分子链在饱和盐水中的均方位移、扩散系数及回转半径远大于其在纯水中,其回转半径分别为12.5Å和3.8Å;②当氯化钠含量为0时,PAMN分子链内或分子链间正负离子基团通过静电吸引力形成空间网络形态而卷曲成类球状结构,随着氯化钠含量增加,其分子链逐渐转变为溶解性更好的柔性链状结构,对氯化钠表现出正响应性;③PAMN可将饱和盐水钻井液表观黏度增加542.9%,滤失量从194 mL降低至4.8 mL,具有良好的增黏和降滤失性能。结论认为,PAMN的研发成功从根本上实现了传统钻井液处理剂从“抗盐”到“盐响应”的转变,该产品在含盐膏的深层、超深层油气开发工程中具有广阔的应用前景。

全氟磺酸树脂和三乙烯基二胺盐的两性离子共混膜的制备及性能研究

离子交换膜作为全钒液流电池(VRB)的核心组成,起到传输离子和阻隔钒离子渗透的作用。将全氟磺酸树脂(PFSA)和三乙烯基二胺(DABCO)盐离子化合物共混,对全氟磺酸树脂进行改性制备了两性离子共混膜。以DABCO-PFSA共混膜为研究基础,采用阴阳离子非共价相互作用的超分子交联方法制备的共混膜可以有效提高膜的综合性能。通过优化共混膜的二组分结构差异合成了聚阳离子PDABCO,并与PFSA共混,聚合物链间超分子交联赋予膜良好的机械性能和稳定性,降低了钒离子渗透,其中PDABCO-PFSA-7.5%膜的钒离子渗透率达到0.25×10^(-6)cm^(2)/min。在VRB测试中,当电流密度为160 mA/cm^(2)时,PDABCO-PFSA-7.5%膜的库伦效率(CE)达到88.43%。

MXene/聚两性离子水凝胶在锌空气电池中的应用

水凝胶固态电解质有效避免了液态电解质易泄漏和难以封装的问题,使柔性可穿戴的便捷式供电设备成为可能。将MXene纳米片嵌入由丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMAEA-Q)和苯乙烯磺酸钠(NaSS)组成的聚两性离子水凝胶基质中,制备MXene/聚两性离子水凝胶。MXene作为物理交联剂和导电填料可以提高水凝胶的导电性,将其组装锌空气电池,电池保持较好的功率密度(50 mW/cm^(2))、比容量(753.1 mAh/g)和250次以上的长时间充放电循环寿命。

基于可降解两性离子聚碳酸酯纳米胶束的设计合成及其血液长循环研究

目的:为了克服传统纳米药物稳定性差、血液循环时间短和免疫原性等问题,设计制备了拥有良好稳定性和非特异蛋白质抗性的两性离子纳米药物载体。方法:通过开环聚合和Michael加成后聚合修饰设计并合成一种可生物降解的羧酸甜菜碱型两性离子功能化聚碳酸酯共聚物PAC(TCB),采用溶剂交换法制备得到尺寸为160 nm的胶束。结果:细胞摄取和毒性实验结果表明,PAC(TCB)胶束具有肿瘤细胞摄取效率高、生物相容性好的优点;溶血和体内血液循环实验结果显示,PAC(TCB)胶束具有低免疫原性和长循环特性,且多次注射后不会产生抗体。结论:可生物降解的两性离子功能化聚碳酸酯作为纳米载体在体内药物递送领域具有巨大潜力。

氨基磺酸型两性离子化合物热力学性质研究

选取了四种氨基磺酸型两性离子化合物:氨基磺酸(SA)、氨基甲磺酸(AMA)、牛磺酸(TAU)和3-氨基-1-丙磺酸(APA),利用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)研究了四种物质的两性离子结构。红外光谱中NH3+伸缩振动峰和SO3-的伸缩振动峰表明四种物质以两性离子化合物的形式存在。通过差示扫描量热法(DSC)和热重分析(TGA)研究了相变温度和热稳定性。结果表明四种两性离子化合物都是熔融的同时伴随着分解,并且TAU的热稳定性最好。

两性离子聚合物合成及盐敏机理研究

利用两性离子单体在高盐环境中分子链更舒展的特殊性能,即反聚电解质效应,设计合成一种两性离子聚合物。该聚合物以两性离子功能单体和丙烯酰胺(AM)合成,优选1,4-丁磺酸内酯与N-(3-二甲基丙基)甲基丙烯酰胺合成的甲基丙烯酰胺丙基-N,N-二甲基丁磺酸盐(NS-2)为功能单体。优化聚合物合成条件为:反应温度40℃,溶液pH值=7,引发剂质量分数为0.05%,单体占溶液总质量的40%,反应时间10 h,m(AM)∶m(NS-2)=9∶1。进而利用流变仪探究盐浓度对聚合物溶液黏弹性的影响,并用动态光散射法探究不同盐浓度和盐离子类型下分子形态和展布规律,结果表明随着盐浓度增加合成聚合物的黏弹模量和复合模量增大,分子链在高盐环境下呈现更舒展的形态和展布,流体力学半径增大,链内/链间的疏水缔合作用增强,分子链间相互缠绕出现大尺寸缔合峰,且盐离子特异性影响程度表现为Mg^(2+)>Ca^(2+)>Na^(+)。

两性离子型聚合物絮凝剂的制备及性能评价

海上油田含油污水具有矿化度高、成分复杂以及稳定性强的特点,使用常规的聚丙烯酰胺类絮凝剂处理效果较差,以丙烯酰胺(AM)、丙烯酸(AA)、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DAC)和有机硅单体(KS-10)为原料合成制备了一种新型两性离子型聚合物絮凝剂PAM-D11,并对其分子结构进行了红外光谱和核磁共振谱图表征分析,结果表明各种单体均参与了聚合反应。PAM-D11对目标含油污水具有较好的除油效果,当其投加量为100mg/L时,除油率可以达到96%以上;并且含油污水的矿化度越高,PAM-D11的除油效果越好;当含油污水的pH处于6~8之间时,PAM-D11的除油效果相对较好;随着污水中含油量的不断升高,PAM-D11的除油率稍有降低,但降低幅度较小;另外,在相同的实验条件下,PAM-D11的除油效果明显优于其他市售的无机絮凝剂和有机絮凝剂,说明PAM-D11能够应用于高矿化度含油污水的絮凝处理中。

静电强度和反离子价态诱导的聚两性离子刷表面形貌

采用分子动力学方法研究了平板聚两性离子刷的表面相行为.考察了不同价态反离子存在时,聚两性离子刷表面形貌随静电相互作用强度的演化.当静电作用逐渐增强时,3种模拟系列下两性离子刷都发生微相分离形成了钉扎状胶束结构.结合刷高、密度分布函数和主链单体对关联函数,分析了胶束尺寸和胶束内粒子堆积状态的变化.通过统计反离子在刷内的4种状态,揭示了单价和多价反离子在诱导聚两性离子刷相结构上的差异.

两性离子聚合物降黏剂的制备与性能评价

为降低制备两性离子聚合物降黏剂时常用链转移剂的危害,以丙烯酸(AA)、2-丙烯酰氨-2-甲基丙磺酸(AMPS)、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMC)为单体,基于水溶液爆聚法工艺,采用绿色环保的二硫化四甲基秋兰姆(TMTD)代替常用巯基化合物链转移剂,合成了低分子量两性离子聚合物钻井液用降黏剂。以在室温下的降黏率为考核指标,优化了降黏剂的制备条件,并评价了其降黏性能。结果表明,降黏剂的最优合成条件为:TMTD加量0.75%、氧化-还原引发剂加量占单体总质量的3%、NaOH加量为AA与AMPS总物质的量的50%、AA加量为44%、AMPS加量为5.5%、DMC加量为4.5%。在此条件下,制备的两性离子聚合物降黏剂的数均分子量为914 g/mol,其在淡水基浆中的降黏率为91.53%,且具有良好的抗温性能,可以满足180℃的抗温要求。该制备方法降低了低分子量两性离子降黏剂合成工艺对环境的污染。

两性离子材料在生物化工领域的应用

两性离子材料是一类具有相同数量阳离子和阴离子官能团、整体呈电中性的材料。两性离子聚合物能够通过与水分子之间形成超强水化层抵抗蛋白质等污染物的表面吸附,因此具有突出的抗污特性。此外,两性离子材料还具有黏附性、抗冻性、药物增溶性、离子选择性等性能,已广泛应用于生物医药、工业生产等领域。本文首先总结了两性离子材料的抗污特性,介绍其在抗蛋白、抗细菌、抗病毒吸附方面的应用,接着以医用传感器、药物递送和分离膜为生物化工领域的代表方向,介绍两性离子材料的抗污及其他应用,最后讨论了发展两性离子材料存在的问题与挑战,展望了两性离子材料作为一类新型功能化材料的应用前景。

氧化石墨烯/氧化铟/两性离子丙烯酸氟化聚合物复合膜的制备及抗牛血清白蛋白性能

生物附着是水环境使用设施污损的主要原因,在材料表面形成有机物或微生物膜是生物附着的第一步,如能抑制初期有机物膜的形成则可有效抑制进一步的附着生长,从而减少生物污损对水环境设施的危害。有机物膜主要由蛋白质及多糖组成,将具有抑制多糖和蛋白质附着功能的材料应用于设施表面,可阻止污损发生。由此,本工作以GO/In_(2)O_(3)复合材料为填料、PAZFP树脂乳液为基体,制备了一种具有微/纳米表面结构和低表面能的新型有机/无机复合涂料——氧化石墨烯/氧化铟/两性离子丙烯酸氟化聚合物(GO/In_(2)O_(3)/PAZFP)复合膜,并对其抗蛋白性能进行了研究。研究结果表明,In_(2)O_(3)纳米颗粒为立方结构,粒度在20~60 nm之间,均匀地负载在GO上。GO具有较大的比表面积,为In_(2)O_(3)颗粒的加载提供了大量的活性位点,从而阻止了In_(2)O_(3)颗粒的团聚,降低了In_(2)O_(3)电子-空穴对重新复合的概率。通过填料和涂层对牛血清白蛋白(BSA)溶液吸附降解性能进行研究,结果表明,在暗环境中,复合薄膜对BSA蛋白具有一定的吸附作用;在自然光和紫外光下,复合膜具有较强的光催化降解蛋白性能。利用光催化和在PAZFP涂膜表面掺入含氟单体,复合膜表现出协同防污作用,具有较好的抗蛋白能力。

聚醚两性离子泡沫剂的性能及应用

针对天然气井排液采气技术中表面活性剂耐温耐盐性不足和稳泡性能弱等问题,研制了聚醚两性离子泡沫剂(LAEB)。实验考察了模拟地层盐水矿化度、温度、pH值和泡沫剂浓度对LAEB泡沫性能的影响,并与常规两性离子泡沫剂甜菜碱(LAB)性能进行了比较。结果表明:与LAB相比,LAEB的聚醚链段具有较大空间位阻,限制了羧基基团的反转,提高了LAEB的泡沫稳定性。在地层盐水的矿化度为0~155 g/L,pH值为3~7,温度为50~80℃,以及泡沫剂浓度为0.050%~0.150%(质量分数)条件下,LAEB起泡高度均达到150 mm。确定了LAEB较佳泡沫剂浓度为0.075%(质量分数),较佳使用地层盐水矿化度为0~141 g/L。普光104-1井水淹后放喷无法恢复生产,采用LAEB泡沫排液措施后,放喷4 h产液19 m^(3),产气由水淹前1.8×10^(5) m^(3)/d提高到2.5×10^(5) m^(3)/d,产液由82.3 m^(3)/d增加到138.8 m^(3)/d,成功复产。表明LAEB在超深井水淹气藏的泡沫排液采气中具有良好的应用前景,为气井长时间的稳产高产提供保障。

两性离子超分子水凝胶的制备及对废水中阴/阳离子染料的吸附去除

以三聚氯氰和5-氨基间苯二甲酸为原料,通过亲核取代制备了一种新型耐盐两性离子超分子水凝胶(ZSH)2,4,6-三(3,5-二羧基苯基氨基)-1,3,5-三嗪。运用FTIR、NMR、MS和SEM技术对ZSH进行了表征,并将其用于对阴离子染料活性艳红(K-2BP)和阳离子红(X-GTL)的吸附去除。基于ZSH的pH响应性和耐盐性,在高盐染料废水中利用ZSH的原位溶胶-凝胶转变,可在其与阴/阳离子染料接触的瞬间完成吸附。当吸附pH为0.86、ZSH与K-2BP的质量比为5∶2时,K-2BP的去除率可达89.6%,饱和吸附量为459.2 mg/g;当吸附pH为1.00、ZSH与X-GTL的质量比为2∶1时,X-GTL的去除率可达91.8%,饱和吸附量为427.6 mg/g。ZSH吸附K-2BP和X-GTL的过程更符合Freundlich等温吸附模型。

接枝-游离态两性离子聚合物刷的制备及润滑特性研究

人工关节中常用高交联聚乙烯(HXLPE)髋臼杯和陶瓷关节头组成摩擦副.为改善表面间润滑性能,采用紫外光诱导接枝法在HXLPE表面制备接枝态聚(2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱)两性离子聚合物刷(PMPC),PMPC溶液作为润滑剂,使摩擦界面存在游离态PMPC,研究接枝-游离态PMPC协同作用对摩擦副润滑特性的影响.进一步为了模拟人体组织液中金属离子的影响,研究了Na^(+)、Ca^(2+)和Al^(3+)对人工关节摩擦副表面间PMPC润滑特性的影响规律.结果表明:在3 N载荷下,人工关节摩擦副表面间仅用接枝态PMPC进行润滑时,摩擦系数为0.158,且波动频繁,当接枝-游离态PMPC协同作用于摩擦副表面时,摩擦系数降低为0.072,且在120 min试验时长内保持稳定.在载荷为2 N时,接枝-游离态PMPC协同作用时的摩擦系数为0.046,当润滑剂中添加低价金属离子Na^(+)与Ca^(2+)时,摩擦系数略微增加,而添加高价金属离子Al^(3+)时,致PMPC各分子间吸引力增大而破坏其原有水合层均匀性,使得摩擦系数增至0.118,为无金属离子干扰接枝-游离态PMPC协同作用时的2.5倍.