接枝改性提高超滤膜的病毒去除能力

接枝改性提高超滤膜的病毒去除能力

近年来由于水资源的短缺，一些城市采用了饮用水的再利用设施来缓解。再用水中的微生物安全，特别是病原性病毒的安全性，仍然是水消费者的重要关注点之一。膜过滤能够在没有消毒副产物的情况下实现病原体病毒的充分去除，但是需要大量的电能。近日伊利诺大学香槟分校的团队通过在商业化的超滤膜组件上接枝亲水性的单体来实现对病毒的较高去除，相关研究成果发表于杂志WaterResearch上，题目为《Improvement of virus removal using ultrafiltration membranesmodified with grafted zwitterionic polymer hydrogels》。第一作者RuiqingLu，通讯作者ThanhH.Nguyen，doi:10.1016/j.watres.2017.03.023    

直接饮用水再利用设施，供水来源是处理后的市政废水，近期已经在在美国德克萨斯州水资源缺乏的BigSping和WichitaFalls等地实际应用了。微生物安全一直是水回用中需要持续关注的问题。在原料中致病病毒浓度高达107病毒/升。而在所有水性致病菌中，病毒的尺寸最小，最难通过沉淀和过滤来去除的。尽管消毒已经应用于病原体去除过程了，但是无论是紫外线还是氯都不能获得令人满意的病毒去除效果。

这种危险可能会对公共卫生构成威胁。例如人类诺如病毒估计是胃肠炎相关的第二大致命传染病。在大规模的废水处理厂，针对去除病毒的二级处理比消毒过程更大，可能是因为废水中的高营养物提高了消毒剂的消耗量。不同于消毒过程，二级处理中的提高病毒去除并不依赖于增加消毒剂的剂量。膜生物反应器（MBR）展现出高病毒去除的前景，尽管用污垢MBR膜可以取得高达6log10的病毒去除，但是也会观察到膜的渗透性显著降低，因此在MBR中高病毒去除率会伴随着高昂的操作费用。

通过污垢提高的病毒去除首先归因于膜孔堵塞和孔隙限制。最近的研究显示提高病毒去除率伴随着的是降低孔径和提高污染物的排斥力。其它的研究也表明病毒和膜的接触力对于膜过滤过程中的病毒去除效力起决定性作用。排斥性的病毒-膜相互作用力甚至可以在孔径比病毒半径大时，防止病毒进入膜孔。病毒-膜相互作用力可以通过调解pH、离子强度、离子种类等来实现调节。除了病毒-膜相互作用力外，病毒通过膜还受水动力学影响。在膜表面附近的水具有吸吮病毒的作用。

基于上述膜过滤中的病毒去除机制，作者假设可以通过诱导排斥性的病毒-膜相互作用力来阻止病毒接近膜表面，从而提高病毒去除率。   

反应图

在本文中，作者将两性离子凝胶（Zwitterionichydrogels）——聚合的两性离子3-（甲基丙烯酸胺基）丙基-二甲基（3-磺酸）氢氧胺（SPP）接枝到商业化的150道尔顿的聚醚砜超滤膜上，引入病毒-膜排斥力。在过滤单体和引发剂期间，在水溶液中进行氧化还原引发的接枝聚合，在膜孔上会功能化亲水性的polySPP。水凝胶对于通过膜的水通量具有较小的影响，在不牺牲膜渗透率的条件下，提高病毒去除效率。考虑到废水中的膜污染物，实验中用可溶性微生物产物（SMP）模拟，来源于工业级的MBR处理后。为了检验不同尺寸的病毒去除效果，测试了一种很小的病毒噬菌体MS2（-30nm），和一种较大的2型人腺病毒（HAdV-2，-170nm）。   

改性和未改性膜的渗透通量和不同病毒的去除对比

结果显示接枝降低了约18%的渗透率，但是HAdV-2的去除率提高了4log10、MS2去除率提高了3log10。初始的和接枝后的膜均用大尺寸的膜生物反应器（MBR）提取的可溶性微生物产物（SMP）在结垢后测试病毒去除。结垢后，接枝膜比初始膜的HAdV-2去除高1log10。用SMP结垢后的接枝膜比初始膜获得了额外的5log10对于MS2的去除。本文致力于进一步阐述超滤中病毒的去除机制，为膜提供一种替代方案，可以更好的提供病毒控制。

注：文中的4log10形式计算方法如下图所示：