水处理仿生膜研究进展.pdf

《水处理仿生膜研究进展.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、水处理仿生膜研究进展曾艳军，张林，陈欢林(浙江大学化学工程与生物工程学系，杭州310027)[摘要]本文首先介绍了细胞膜中磷脂双分子层与膜蛋白的结构以及水快速传输的机理。在此基础上分别对以膜蛋白、碳纳米管和人造有机纳米孔道为水通道的仿生膜研究进展进行了综述，着重阐述了以膜蛋白为水通道的仿生膜中两性嵌段共聚物基质的优点、规模化制备面临的问题；以碳纳米管为水通道的仿生膜中水快速传输的机理与膜的制备方法；以及人造有机纳米孔道的设计方法。最后提出了水处理仿生膜所面临的挑战，展望了仿生膜发展的前景。[关键词】细胞膜；水通道蛋白；仿生膜；碳纳米管；人造水通道[中图分类号]T

2、Q028．8[文献标识码】A[文章编号]1009—1742(20l4)07一o010—07Bowen教授指出在改善水处理膜的水通量与专一1前言选择性上需要借鉴生物膜原理p。随后，美国伊利反渗透是目前应用最广泛的水处理膜过程之诺伊大学香槟分校的Kumar等也提出了将水通道一，尽管在过去的五十多年里反渗透膜得到了快速蛋白嵌人水处理膜中的概念，掀开了水处理仿生膜的发展，但目前能量效率最高的反渗透装置生产每研究领域的帷幕。目前，水处理仿生膜研究开发立方米水仍需要耗能2～4kW·h，是理论极限值(约工作的报道大部分来自于欧美、新加坡、以色列等为1kW·h／m)的2倍作用。

3、因此如何大幅度提高水处理技术水平发达的国家和地区。丹麦AQUA．反渗透膜的水通量和截留选择性是反渗透膜研究PORINA／S公司则是目前世界上唯一一家致力于的一个主要方向。水通道蛋白渗透技术研发的公司，所掌握的水通道水分子进出细胞的方式是生命活动中水分代蛋白渗透技术在国际上处于领先地位。国内，水务谢的重要部分。2O世纪80年代中期，美国科学家彼行业巨头之一的国中水务公司拟出资1250万美元得·阿格雷发现了细胞膜水通道蛋白，探明了水以与AquaporinA／S公司成立合资公司，从事中国水处高通量与高选择性方式透过细胞膜并非是简单的理市场仿生膜的研发和商业化生产。自由

4、扩散过程，而是通过细胞膜上的一类水通道蛋基于此，本文首先从单个细胞膜出发，介绍与白完成的。这一发现为制备高水通量分离膜提供水进出细胞密切相关的磷脂双分子层和水通道蛋了新思路。近年来，随着分子工程学科以及高分辨白；然后从两个方向阐述水处理仿生膜领域的研究率分析技术的发展，科学家对生物分子结构与功能进展：水通道蛋白嵌人式仿生膜与人造水通道仿生有了更深的认识，模拟生物结构的能力也有了提膜；最后讨论水处理仿生膜面临的挑战与发展高，因此，水处理仿生膜的研究开始兴起。前景。2006年在欧洲膜会议上英国威尔士大学的[收稿日期】2014—05—11[基金项目]国家自然科学基金资

5、助项目(21076176)【作者简介]陈欢林，1948年出生，男，浙江萧山市人，教授，研究方向为膜科学与技术；E—mail：chenhl@zju．edu．cn10中国工程科学身的水通量并不大，高的水通量主要依赖于细胞膜2细胞膜与水的渗透上镶嵌的水通道蛋白。细胞膜基本结构的研究始于20世纪30年代，之后在大量实验现象的基础上以及得益于生物化学学科的快速发展，科学家对细胞膜的基本结构有了比较明确的认识，目前普遍认可的细胞膜基本结构是Singer和Nicolsont在静态单位膜模型基础上提出的流动镶嵌模型(fluidmosaicmode1)：细胞膜的骨架由液态流动的磷

6、脂双分子层组成，磷脂的(a)微团(b)脂质体极性部分向外，非极性部分向内，整个膜具有液体流动性。流动镶嵌模型突出了膜的液态流动性和膜上蛋白质分布的不对称性。2．1磷脂双分子层磷脂双分子层是由连续分布的磷脂分子构成(。)磷脂双层的对称薄膜。磷脂分子结构与甘油三酯类似：即每个磷脂分子含有一个甘油分子，该甘油分子的两个图1磷脂分子在水溶液中存在的三种结构形式羟基分别与两个脂肪酸相结合，第三个羟基则与一Fig．1Thethreestructures0fph0sphOIipidmoleculesintheaqueoussoution分子磷酸基团结合，磷酸基团再与一个碱基结

7、合。与完全疏水的甘油三酯不同的是，磷脂分子的磷酸和胆碱是亲水性的基团，脂肪酸的长链烃基是疏水水通道蛋白是一类高度保守的疏水小分子膜性的非极性基团，因而属于两性分子J。整合蛋白，它的分布广，已在哺乳动物、两栖类、植当众多的磷脂分子位于水溶液表面时，磷脂的物、酵母、细菌以及其他多种有机体内被发现。不亲水性磷酸和胆碱极性基团将通过范德华力与极同亚型水通道蛋白的氨基酸序列及三维结构非常性的水分子相互吸引，同时磷脂的疏水性脂肪链受相似，以哺乳动物体内的水通道蛋白分子为例，其到排斥，聚集在一起。根据磷脂分子脂肪链的长分子大小通常在26～34kDa，氨基酸序列同源性为度、饱和

8、度和温度等因素，形成脂肪