一种超滤膜截留率的测试方法与流程

本发明涉及一种超滤膜截留率的测试方法。

背景技术：

截留分子量是不同行业针对不同分离需求来区分和选择超滤膜，使超滤膜应用有的放矢的重要依据（Kanagaraj P, Nagendran A, Rana D, Matsuura T, Neelakandan S, Karthikkumar T, Muthumeenal A. Influence of N-phthaloyl chitosan on poly (ether imide) ultrafiltrationmembranes and its application in biomolecules and toxic heavy metalion separation and their antifouling properties. Applied Surface Science, 2015, 329: 165-173.）。因此，如何准确测量超滤膜的截留分子量已成为国内外重要的研究课题。通过测定一系列具有已知分子量的基准物在超滤膜上的截留率来确定截留分子量的方法因其简便和直观而得到广泛应用（Rohani R, Hyland M, Patterson D. A refined one-filtration method for aqueous based nanofiltration and ultrafiltration membrane molecular weight cut-off determination using polyethylene glycols. Journal of Membrane Science, 2011, 382(1-2): 278-290.），但是目前使用的基准物不统一、不规范，因此超滤膜的截留率测定结果准确性和重复性不好，存在很大误差。

依我国超滤膜测试标准《中空纤维超滤膜测试方法》（HY/T 050-1999），目前常用的超滤膜截留性率测试用基准物主要有聚乙二醇(PEG)、聚乙烯吡咯烷酮、聚环氧乙烷、葡聚糖等水溶线形高分子和牛血清白蛋白、卵清蛋白、细胞色素C、丙种球蛋白等蛋白类球形高分子两大类。

虽然聚乙二醇、聚环氧乙烷及葡聚糖等化合物具备纯度高、性质稳定、分子量分布窄等优点。但是，这些水溶的线形高分子的无规线团结构在流体场中容易被破坏，伸展链通过“蛇形效应”穿过较小的孔，测试结果的灵敏性和可重复性差, 不能确切表征出超滤膜的截留性能，测出的截留率不可靠。

蛋白类球形高分子具有分子量分布范围非常小、分子形状基本呈圆球形等优点，用作基准物时能反应出超滤膜的真实孔径，因此测试结果的稳定性好，实验重复性好（祝振鑫, 吴立明, 胡晓珺. 用鸡蛋清中的卵清蛋白测定常用超滤膜的切割分子量. 膜科学与技术, 1995, 19(5): 44-50.）。但是它们也存在一些缺陷：（1）蛋白质的球形是非刚性的，容易受到测试条件（如压力和温度变化）的影响；（2）蛋白质的分子量适用范围非常小，因此在测定截留分子量不同的超滤膜时，需要选择不同分子量的蛋白质类基准物，这在一定程度上容易造成误差；（3）蛋白质类物质膜材料的吸附性能比较大，易造成膜污染，影响测试的准确性；（4）蛋白质的价格往往比较昂贵。因此无论是水溶线形高分子还是蛋白质类球形高分子都存在一定的缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种新的超滤膜截留率的测试方法，该方法选用星形聚乙二醇（星形PEG）为基准物，可以克服水溶性线形高分子和蛋白质类球形高分子基准物的不足，解决目前超滤膜截留性能测试中基准物数量少、适用范围窄、膜污染等问题，提高测试结果的可重复性与准确性。

本发明提供的一种超滤膜截留率的测试方法包括的步骤：以星形PEG为基准物，配制给定浓度的星形PEG水溶液，室温下，在确定进水压力条件下进行超滤截留实验，原料液和过滤液经显色试剂（Dragendoff试剂和乙酸-乙酸钠缓冲液）处理后采用紫外-可见分光光度计(Lambda45，美国PerkinElmer公司)测定在510 nm处的吸光度，根据已知的标准曲线计算星形PEG的浓度，然后根据公式计算截留率R(%)：

R = (1-C_p/C_f) × 100%

式中，C_p是过滤液中星形PEG的浓度；C_f是原料溶液中星形PEG的浓度。

所述的星形PEG是指至少有3个以上的PEG支链且各条链无主次之分，通过化学键连接在同一个中心核上的一类特殊支化PEG及其衍生物，可溶于水中，且具有系列分子量。

本发明提供的一种超滤膜截留率的测试方法具体包括的步骤：

1）配制浓度为500 mg/L ~5000 mg/L的星形PEG水溶液，室温下，在进水压力为0.1 MPa~0.3 MPa 条件下进行超滤截留实验，超滤运行时间30 min~60 min。

2）取原料液和过滤液经显色试剂（Dragendoff试剂和乙酸-乙酸钠缓冲液）显色处理15 min后采用紫外-可见分光光度计测定在510 nm处的吸光度。

3）根据已知的标准曲线计算星形PEG的浓度，然后根据公式计算截留率R(%)：

R = (1-C_p/C_f) × 100%

式中，C_p是过滤液中星形PEG的浓度；C_f是原料溶液中星形PEG的浓度。

术语：星形PEG通常是指至少有3个以上的PEG支链且各条链无主次之分，通过化学键连接在同一个中心核上的一类特殊支化PEG及其衍生物。例如，由四个支链通过化学键连接在同一个中心核上形成的支化PEG，称为四臂的星形PEG（表示为4-arm PEG-OH），其结构式为：星形PEG或星形PEG的衍生物具有星型聚合物的一般特点，如其分子呈对称的球形结构，避免分子内缠结，分子间交互作用较小，因此其本体粘度比相同分子量的线型聚合物小。所述的星形PEG的衍生物中包含若干个呈辐射状的PEG结构单元，其中每条PEG分子链的末端取代基可以为胺基、巯基、羧基、醛基、羟基，羟甲基等。

本发明的优点在于星形PEG是由多个支链以化学键连接于同一中心核上所形成的支化聚合物，溶液中分子呈球形结构，稳定不易变形，同时避免了分子链之间的缠结，用它测定的截留率则受浓度和压力的影响小。因此，星形PEG能克服水溶性线形高分子和蛋白质类球形高分子基准物的不足，成为超滤膜截留率测试用的理想基准物，解决目前基准物数量少、适用范围窄、膜污染等问题，提高测试结果的准确性。这些特点符合超滤膜截留分子量测试用基准物的要求。本发明应用范围适合截留分子量为1000-100000的圆片型超滤膜或纤维膜组件的截留率的测试。本发明为准确测定超滤膜截留率提供了一种简单易行的方法。

附图说明

图1 分子量为10000的4-arm PEG-OH为基准物的标准曲线。

图2不同基准物浓度测定的超滤膜的截留率。

图3 不同压力条件下测定的超滤膜的截留率。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步详细阐述本发明。实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件以及手册中所述的条件，或按照制造厂商所建议的条件；所用的通用设备、材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

实施例1

将圆片型超滤膜（PES10K，普纳斯），安装到超滤杯（8000型，millipore）中，以4-arm PEG-OH（此星形PEG有四个PEG臂，每条PEG臂的端基为羟基，分子量为10000 g/mol，产品编号：PJK-401，购自无锡灵锡医疗器械科技有限公司,网址：http://www.lxbiotech.com/product1.asp?pcid1=1&pcid2=23）为基准物，配制浓度为5000 mg/L的4-arm PEG-OH溶液，在室温下，进水压力为0.1 MPa的条件下进行超滤截留实验，超滤运行时间30 min，取原料液和过滤液经常规显色试剂（Dragendoff试剂和乙酸-乙酸钠缓冲液）显色处理15 min后采用紫外-可见分光光度计(Lambda45，美国PerkinElmer公司)测定在510 nm处的吸光度，根据已知的标准曲线计算4-arm PEG-OH的浓度，然后根据公式计算截留率R(%)：

R = (1-C_p/C_f) × 100%

式中，C_p是过滤液中4-arm PEG-OH的浓度；C_f是原料溶液中4-arm PEG-OH的浓度。

实施例2

将超滤膜组件（PVDF10K，自制）安装到超滤膜截留率测试装置上，以4-arm PEG-OH（此星形PEG有四个PEG臂，每条PEG臂的端基为羟基，分子量为10000 g/mol，产品编号：PJK-401，无锡灵锡医疗器械科技有限公司）为基准物，配制浓度为5000 mg/L的4-arm PEG-OH溶液，在室温下，进水压力为0.1 MPa的条件下进行超滤截留实验，超滤运行时间60 min，取原料液和过滤液经常规显色试剂（Dragendoff试剂和乙酸-乙酸钠缓冲液）显色处理15 min后采用紫外-可见分光光度计(Lambda45，美国PerkinElmer公司)测定在510 nm处的吸光度，根据已知的标准曲线计算4-arm PEG-OH的浓度，然后根据公式计算截留率R(%)：

R = (1-C_p/C_f) × 100%；

式中，C_p是过滤液中4-arm PEG-OH的浓度；C_f是原料溶液中4-arm PEG-OH的浓度。

实施例3

将圆片型超滤膜（PES10K，普纳斯），安装到超滤杯（8000型，millipore）中，以4-arm PEG-OH（此星形PEG有四个PEG臂，每条PEG臂的端基为羟基，分子量为10000 g/mol，产品编号：PJK-401，无锡灵锡医疗器械科技有限公司）为基准物，配制浓度为500 mg/L的4-arm PEG-OH溶液，在室温下，进水压力为0.1 MPa的条件下进行超滤截留实验，超滤运行时间30 min，取原料液和过滤液经常规显色试剂（Dragendoff试剂和乙酸-乙酸钠缓冲液）显色处理15 min后采用紫外-可见分光光度计(Lambda45，美国PerkinElmer公司)测定在510 nm处的吸光度，根据已知的标准曲线计算4-arm PEG-OH的浓度，然后根据公式计算截留率R(%)：

R = (1-C_p/C_f) × 100%

式中，C_p是过滤液中4-arm PEG-OH的浓度；C_f是原料溶液中4-arm PEG-OH的浓度。

实施例4

将圆片型超滤膜（PES10K，普纳斯），安装到超滤杯（8000型，millipore）中，以4-arm PEG-OH（此星形PEG有四个PEG臂，每条PEG臂的端基为羟基，分子量为10000 g/mol，产品编号：PJK-401，无锡灵锡医疗器械科技有限公司）为基准物，配制浓度为5000 mg/L的4-arm PEG-OH溶液，室温下，进水压力为0.3 MPa的条件下进行超滤截留实验，超滤运行时间60 min，取原料液和过滤液经常规显色试剂（Dragendoff试剂和乙酸-乙酸钠缓冲液）显色处理后，采用紫外-可见分光光度计(Lambda45，美国PerkinElmer公司)测定在510 nm处的吸光度，根据已知的标准曲线计算4-arm PEG-OH的浓度，然后根据公式计算截留率R(%)：

R = (1-C_p/C_f) × 100%

式中，C_p是过滤液中4-arm PEG-OH的浓度；C_f是原料溶液中4-arm PEG-OH的浓度。

分子量为10000的4-arm PEG-OH为基准物的标准曲线如图1所示，采用不同4-arm PEG-OH浓度测定的超滤膜的截留率如图2所示。4-arm PEG-OH浓度保持5000mg/L不变，不同压力条件下测定的超滤膜的截留率如图3所示。结果显示，选择4-arm PEG-OH为基准物时，改变测试浓度和进水压力，对截留率测试结果影响很小。

本发明提出的一种以星形PEG为基准物的超滤膜截留率测试方法区别于水溶性线形高分子和蛋白质类球形高分子基准物，能够提高超滤膜截留率测试的可重复性和准确性。