毕业设计(论文)-聚酰胺纳滤膜对黄连中生物碱的截留性能

PAGEPAGE14提供全套毕业设计，欢迎咨询聚酰胺纳滤膜对黄连中生物碱的截留性能李春英（湖南城市学院化学工程专业2013届学生）摘要：以盐酸小檗碱为模型分子，考察循环时间、操作压力、料液浓度和离子强度等因素对聚酰胺纳滤膜截留盐酸小檗碱性能的影响。实验表明:聚酰胺纳滤膜对盐酸小檗碱的截留率80min后基本稳定；随着操作压力的增加，膜通量和截留率都增大；随着料液浓度的增加，聚酰胺纳滤膜通量下降，对盐酸小檗碱的截留率先增大后下降；随着溶液中离子强度的增加，膜通量和截留率都减小。在黄连提取液中生物碱含量为0.025g/L、操作压力为0.4MPa条件下，聚酰胺纳滤膜5min可使黄连提取液中生物碱浓缩6.27倍。关键词：纳滤膜；黄连；生物碱；截留率RejectionPerformanceofAlkaloidsinAhizomaCoptidisbyPolyamideNanofiltrationMembraneLIChun-ying(20123YearStudentofChemicalEngineeringandTechnologyMajor,HunanCityUniversity)Abstract:Themoleculeofberberinewasselectedasamodelmolecule.Theeffectsofoperationtime,operationpressure,solutionconcentration,ionicstrength,andotherfactorsontherejectionefficiencywereinvestigated.Theresultsindicatedthattherejectionratesofberberinebypolyamidenanofiltrationmembranewereapproximatelyequivalentafter80min.Thefluxandrejectionrateofberberineincreasedwiththeincreaseofoperationpressure.Thefluxdecreasedwiththeincreaseofberberineconcentration,andtherejectionrateofberberinefirstroseupthendecreasedwiththeincreaseofberberineconcentration.Bothfluxandrejectionrateofberberinedecreasedwiththeincreaseofionicstrength.Attheconditionofthecontentofalkaloids0.025g/Landoperationpressure0.4MPa,alkaloidsintheextractofahizomacoptidiswereconcentrated6.27times.Keywords:Nanofiltrationmembrane;Ahizomacoptidis;Alkaloids;Retentionrate绪论：黄连素是一种重要的生物碱，是我国应用很久的中药。可从黄连、黄柏、三颗针等植物中提取。它具有显着的抑菌作用。其味极苦，苦味源于其所含的多种生物碱，主要为盐酸小檗碱、药根碱和巴马汀[1，2]。盐酸小檗碱具有泻火、杀菌、杀虫等作用，多用于治疗细菌性痢疾、肺结核等疾病[2]。药根碱具有降糖作用[3]，而巴马汀有广谱抗菌、治疗糖尿病等作用[4]。盐酸小檗碱、药根碱和巴马汀为季铵型生物碱，其结构如下。图1黄连中生物碱的结构Figure1Thestructureofalkaloidsinrhizomacoptidis纳滤膜(NanofiltrationMembranes)是20世纪80年代末问世的新型分离膜，其分离性能介于反渗透和超滤膜之间，允许一些无机盐特别是一价盐离子透过分离和有机物分离,兼有机物浓缩的功能。操作压力较低，对一、二价离子有不同选择性.对小分子有机物有较高的截留特性。在渗透过程中截留率大于95%的最小分子约为1nm，因此称为“纳滤”。它具有两个特性：一是由于膜孔径为纳米级，对水中的分子量为数百的有机小分子成分具有分离性能；二是大多数膜带电荷，所以对于不同价态的离子存在Donna效应。纳滤分离技术主要基于筛分效应和电荷效应。随着社会经济的发展，每天有大量的废水需排入水体环境。污水中有80%是工业废水，这些废水中含有不同浓度的污染物。为保护环境，并能回收部分有用物质,在废水排放之前必须进行净化处理。作为一种新型的绿色水处理技术，纳滤分离技术既能对废水进行行之有效的净化，又能回收废水中的有用物质，因此在废水处理中已经得到逐步应用并显示了广阔的发展前景。自纳滤膜的出现以来，在废水处理、饮用水净化、天然药物的分离和浓缩等领域已经取得了广泛的发展应用，而对于黄连素的截留性能的研究方面却无涉及，本论文的研究，目前在文件索引中还没有体现，具有重要的研究意义。纳滤膜由于其特殊的孔结构和表面荷负电的特性，使其表现出独特的分离特性[5]。纳滤分离过程中无化学反应、无需加热、无相变、不破坏生物活性，因而被广泛地应用于化工、医药、食品等行业中的分离、精制和浓缩[5，6]。考虑到盐酸小檗碱、药根碱和巴马汀结构类似，本文以盐酸小檗碱为模型分子，考察循环时间、操作压力、料液浓度和离子强度等因素对聚酰胺纳滤膜截留盐酸小檗碱性能的影响，在实验优化条件下进一步考察纳滤膜对黄连提取液中生物碱的截留浓缩能力。1实验部分1.1仪器与试剂UV3010紫外可见分光光度计（日本岛津公司）；聚酰胺纳滤膜（型号LVJ-NF102）由厦门绿琻膜有限公司提供。盐酸小檗碱对照品(中国药品生物制品检定所)；黄连(湖南益阳益丰大药房)；氯化钠等试剂均为分析纯，水为去离子水。1.2实验装置与检测聚酰胺纳滤膜有效面积为2.4m2，纳滤实验装置采用厦门绿琻膜有限公司生产LJ-2540ST卷式膜中试设备。实验过程中温度恒定为10℃，操作压力范围为0.15-0.5MPa，溶液中总生物碱浓度采用UV3010紫外可见分光光度计进行检测。1.3黄连素标准曲线的绘制称取12.0mg黄连素，置于100mL烧杯中，加50-60度的热水溶解冷却，转移到100mL容量瓶中，蒸馏水稀释至刻度，摇匀。精密量取稀释液1.0、2.0、3.0、4.0、5.0mL，分别置于50mL容量瓶中，加蒸馏水稀释至刻度，摇匀。以蒸馏水为空白，分别在344nm波长处测定吸光度，以浓度为横坐标，以吸光度为纵坐标，作标准曲线。1.4膜通量和截留率纳滤过程中膜通量（J）和表观截留率（R）是用来表征膜组件工作能力和截留性能的重要参数，其计算公式如下：(1)％(2)式中：Vp、S和t分别表示透过液的体积（L）、纳滤膜的面积(m2)和分离时间(h)；c0和cp分别表示原料液和透过液的浓度（g/L）。将聚酰胺纳滤膜在去离子水中浸泡8h，然后将纳滤膜装入膜中试设备，在0.4MPa下用去离子水预压1h，使纳滤膜的性质达到稳定，将透过液排出。然后测定纯水时膜通量-压力的关系。1.5循环时间的影响将膜浓缩液和透过液都流入原料桶。实验测定了0.4MPa、0.0025g/L和0.2MPa、0.025g/L下，循环时间为5min、10min、15min、40min、60min、80min、100min、120min对纳滤膜截留盐酸小檗碱的影响。1.6操作压力的影响在盐酸小檗碱的浓度0.025g/L，操作压力为0.15MPa、0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa、0.5MPa的条件下，循环80min，测定操作压力对聚酰胺纳滤膜的通量和盐酸小檗碱截留率的影响。1.7料液浓度的影响操作压力为0.4MPa，考察不同盐酸小檗碱浓度0.0076g/L、0.016g/L、0.025g/L、0.0369g/L、0.0384g/L，循环80min，对聚酰胺纳滤膜的通量和截留率的影响。eq/f(1,2)1.8离子强度的影响操作压力为0.4MPa，盐酸小檗碱浓度为0.025g/L，加入NaCl调节溶液中的离子强度，循环80min，考察不同离子强度对聚酰胺纳滤膜的通量和截留率的影响。1.9纳滤膜对黄连提取液中生物碱的截留浓缩能力将黄连粉碎过60目筛，取黄连10g，加1L沸水，超声15min，重复提取一次，两次提取液合并。将黄连提取液稀释至生物碱含量为0.025g/L，在操作压力为0.4MPa条件下用聚酰胺纳滤膜浓缩，浓缩液返回原料桶，透过液全部排出并收集，测定不同时间内浓缩液和透过液中生物碱的浓度。2结果与讨论2.1黄连素标准曲线的绘制由图2可知黄连素的标准曲线方程为：A=0.0106+65.16667C(mg/mL)，R=0.9999，线性相关系数好。图2黄连素标准曲线standardcurveofberberine2.2纳滤膜通量的测定如图3所示。纳滤膜的纯水通量随操作压力的增加而线性递增，说明纳滤膜已清洗干净，且透水性能良好，进一步可求出纳滤膜的纯水渗透系数为37.42[L·m-2·h·(MPa)-1]。图3压力对纳滤膜纯水通量的影响Figure3EffectofoperationpressureonpurewaterfluxofNFmembrane2.3循环时间的影响为了有效评价聚酰胺纳滤膜对盐酸小檗碱的截留性能，避免浓度的影响，研究结果如图4所示。由图可知，在运行初期，纳滤膜对盐酸小檗碱的截留率较高；随时间的增加，盐酸小檗碱的截留率随之下降，80min后基本稳定。根据纳滤细孔吸附模型，聚酰胺纳滤膜截留盐酸小檗碱分为两步[7]：首先是盐酸小檗碱吸附至纳滤膜表面，然后盐酸小檗碱扩散通过纳滤膜。随着时间的增加，吸附在纳滤膜表面的盐酸小檗碱通过溶解扩散透过纳滤膜，从而使截留率有所下降。图4循环时间对纳滤膜截留盐酸小檗碱的影响Figure4EffectofoperationtimeonrejectionrateofberberinebyNFmembrane2.4操作压力的影响从图5可以看出，操作压力增加，膜通量随之增大。这是因为随着操作压力的增加，聚酰胺纳滤膜两侧的压力差增大，所以膜通量增大。从图5还可以看出，随着操作压力的增加，聚酰胺纳滤膜对盐酸小檗碱的截留率增加。这是因为增大操作压力对溶质盐酸小檗碱通量的影响不大，但透过纳滤膜的水量增加，故纳滤膜对盐酸小檗碱的表观截留率增加。随着操作压力的增大，聚酰胺纳滤膜的通量和盐酸小檗碱的截留率都增加，但由于操作压力越高，能耗越大，纳滤膜的使用寿命缩短。因此在后续的实验中确定操作压力为0.4MPa。图5压力对纳滤膜通量和截留率的影响Figure5EffectofoperationpressureonfluxandrejectionrateofberberinebyNFmembrane2.5料液浓度的影响由图6可知，随着料液浓度的增加，聚酰胺纳滤膜通量下降。这是因为随着溶液中盐酸小檗碱浓度的增加，吸附在聚酰胺纳滤膜表面的盐酸小檗碱增加，致使聚酰胺纳滤膜的有效孔径变小，从而使膜通量下降；同时由于浓差极化，随着溶液中盐酸小檗碱浓度的增加，使聚酰胺纳滤膜浓水侧的渗透压升高，从而降低了聚酰胺纳滤膜的有效过滤压力，膜通量下降。由图6可知，随着料液浓度的增加，聚酰胺纳滤膜对盐酸小檗碱的截留率先增大后下降。这是因为随着料液浓度的增加，吸附在聚酰胺纳滤膜表面的盐酸小檗碱增加，致使膜的有效孔径变小，从而使更多的溶质被膜截留，因而截留率先增大；盐酸小檗碱本身为电解质，随着膜表面吸附的盐酸小檗碱的增加，盐酸小檗碱正离子会致使纳滤膜膜表面的有效负电荷密度减小，膜的透过性增强，盐酸小檗碱扩散通过纳滤膜，因此截留率后下降。图6浓度对纳滤膜通量和截留率的影响Figure6EffectofconcentrationonfluxandrejectionrateofberberinebyNFmembrane2.6离子强度的影响由图7可知，随着溶液中离子强度的增加，聚酰胺纳滤膜的通量和截留率都下降。这是因为离子强度增大会压缩聚酰胺纳滤膜表面的双电层，使膜孔径变小，从而使膜通量下降；溶液中离子强度增大会增加溶液的渗透压，导致纳滤驱动力减小而使膜通量下降。溶液中离子强度增大会部分抵消聚酰胺纳滤膜表面的负电荷，使溶质与纳滤膜之间的静电作用减小而使盐酸小檗碱的截留率降低。图7离子强度对纳滤膜通量和截留率的影响Figure7EffectofionicstrengthonfluxandrejectionrateofberberinebyNFmembrane2.7纳滤膜对黄连提取液中生物碱的截留浓缩能力如图7所示。从5min到10min，截留率从83.08％缓慢增加到84.36％，浓缩倍数从6.27缓慢增加到6.51。由图7可知，在实验条件下聚酰胺纳滤膜5min可使黄连提取液中生物碱浓缩6.27倍。聚酰胺纳滤膜在生物碱浓缩方面有良好的应用前景。图8纳滤膜对黄连提取液中生物碱的浓缩能力Figure8TheabilityofconcentrationofalkaloidsinrhizomacoptidisbyNFmembrane3结论(1)聚酰胺纳滤膜对盐酸小檗碱的截留率80min后基本稳定(2)随着操作压力增加，膜通量和截留率都增大；随着料液浓度的增加，聚酰胺纳滤膜通量下降，对盐酸小檗碱的截留率先增大后下降(3)随着溶液中离子强度的增加，膜通量和截留率都减小(4)在黄连提取液中生物碱含量为0.025g/L、操作压力为0.4MPa条件下，聚酰胺纳滤膜5min可使黄连提取液中生物碱浓缩6.27倍(5)工业生产中可应用聚酰胺纳滤膜使黄连提取液中生物碱在短时间内快速浓缩，聚酰胺纳滤膜在生物碱浓缩方面有良好的应用前景。参考文献[1]GuptaPK,HubbardM,GurleyB.JPharmacBiomedicAnal,2009,49:1021~1026.[2]肖谷清,龙立平,王姣亮,陈莉.化学研究与应用,2010,22(8):1082~1087.[3]田浩,石瑶,吴丽华,侯春,肖丹,李智敏,李晚谊.云南大学学报(自然科学版),2012,34(5):570~576.[4]王道武,郑金龙,庞雪,张龙.合成化学,2012,20(6):784~786.[5]王薇,杜启云.高分子通报,2007,(12):10~16.[6]王薇.高分子通报,2009,(10):24~29.[7]BraekenL,VanderBruggenB.Desalination,2009,24:127~131.[8]张显球,张林生,吕锡武.纳滤处理含Cr(IV)废水的实验研究[J].环境污染治理技术与设备,2005,6(3):25-28.[9]刘淑秀,姚仕仲,郑大威,李佩珩,高以煊.纳滤膜及其表面活性剂奋力特性的研究[J].膜科学与技术,1997,17(2):20-24.[10]石婳.纳滤膜在工业废水处理中的应用[J].膜科学与技术,2010,32(5):49-71.[11]郑雅梅,成刚,王铎,高从.纳滤软化海水配置驱油聚丙烯酰胺溶液的研究[J].石油炼制与化工,2009,40,(1):65-68.[12]张世军,力树勋.纳滤膜在饮用水深度处理中的应用[J].甘肃环境研究与监测,2003,16(3):287-288.[13]单永平,曾萍,宋永会,王力.树脂吸附法处理黄连素模拟废水[J].环境工程技术学报,2011,1(4):300-304.[14]张林生,杨广平,张显球,王力友.纳滤处理水杨醛废水中操作压力的影响[J].水处理技术,2005,2(16):76-79.[15]金丽梅,于水利,时文,衣雪松,马聪,孙楠.基于树状分子聚酰胺—胺(PAMAM)的复合纳滤膜制备及性能研究[J].高校环工工程学报,2012,5(6):67-69.[16]张茜,肖新华,王彤,朱席琳,李文慧,刘英,袁涛,孙晓方,孙琦,向红丁.黄连素降糖调脂机制的研究[J].中国实验动物学报,2011,19(1):29-34.致谢感谢肖谷清副教授带我顺利完成了这篇论文，您朴实的生活作风，严谨的科研态度以及对待学生的耐心与仔细，都给我留下了深刻的记忆。除此之外，您对每个学生都一视同仁，孜孜不倦。在这里再次感谢您在论文完成过程中对我的指点与帮助，在此谨向肖谷清老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。当然还要感谢在实验过程中给予我很大帮助的唐彭，廖小梅等同学，你们总能在我最需要的时候出现，谢谢你们。最后我也要感谢我的家人，你们的理解与支持是我学习的动力，并且顺利的完成学业。基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现基于AT89S52单片机的通用数据采集系统基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究基于单片机系统的网络通信研究与应用基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究基于单片机的模糊控制器在工业电阻炉上的应用研究基于双单片机冲床数控系统的研究与开发基于Cygnal单片机的μC/OS-Ⅱ的研究基于单片机的一体化智能差示扫描量热仪系统研究基于TCP/IP协议的单片机与Internet互联的研究与实现变频调速液压电梯单片机控制器的研究基于单片机γ-免疫计数器自动换样功能的研究与实现基于单片机的倒立摆控制系统设计与实现单片机嵌入式以太网防盗报警系统基于51单片机的嵌入式Internet系统的设计与实现单片机监测系统在挤压机上的应用MSP430单片机在智能水表系统上的研究与应用基于单片机的嵌入式系统中TCP/IP协议栈的实现与应用单片机在高楼恒压供水系统中的应用基于ATmega16单片机的流量控制器的开发基于MSP430单片机的远程抄表系统及智能网络水表的设计基于MSP4