基于MOFs的“3D修飾”制備高通量生物催化膜改性策略

摘錄：袁洪軍

         生活用水及再生水中常含有微量、難降解、高危害的小分子有機污染物，主要來源于藥物及個人護理品（抗生素、消炎藥、激素和農藥）和工業污染物（多環芳烴、雙酚A、多氯聯苯等）。有證據表明，這類微污染物可能誘發人類性早熟、癌癥、畸形以及造成牲畜大量死亡。因其分子量普遍較?。?00～1000Da）且吸附性強，即使是納濾或反滲透膜都難以對其完全截留。

       應運而生的酶基生物催化納濾膜集成了酶降解和膜分離功能，可顯著提高納濾膜對污染物的去除能力，作為代價，酶的堵孔效應使納濾膜滲透性大幅下降。另一類生物催化微濾膜雖具有高載酶量、高通量和高去除率，但其本身對微污染物的截留能力很低，且易污染。綜上，如何制備穩定且高效的生物催化膜是一項艱巨的挑戰。
      中國科學院過程工程研究所生化工程國家重點實驗室萬印華研究員團隊將目光聚焦在商品化親水高通量聚丙烯腈（PAN）超濾膜上，提出了“3D修飾”的新型膜改性策略。利用金屬有機骨架材料（MOFs）對支撐無紡布纖維的簡單修飾，實現了酶固定化方式由傳統的“二維（2D）”模式（固定化酶在分離層表面）向“三維（3D）”模式（固定化酶分散在整張膜內）的轉變。

　　這一策略能夠使酶分布在超/納濾等非對稱膜的所有部位，特別是在占據絕大多數體積的支撐層內均勻分布，此類生物催化膜具備以下幾個優點：
　　1、減少酶在膜分離層富集，降低堵孔效應，提高通量；
　　2、通過增加酶固定區域的維度，延長底物與酶的接觸時間；
　　3、通過MOFs的“雙重吸附”效應，同時對酶和微污染物進行吸附，有效降低使用過程中酶的泄漏，提升系統對pH波動的耐受力，改善生物催化膜的重復使用性能和底物選擇性。
　　理論上，這一普適的修飾策略能夠應用于幾乎所有具有大孔支撐層的復合膜上。

　　該項目得到國家自然科學基金（No.21506229），中國科學院青年促進會（No.2017069）以及中國科學院“百人計劃”的支持，相關研究成果發表在Chemical Engineering Journal, 348 (2018) 389-398。