不同離子強(qiáng)度下蛋白質(zhì)在PVDF膜面吸附行為評(píng)價(jià)

米　娜，王　磊， 苗　瑞，高　哲，劉婷婷

(西安建筑科技大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院, 710055 西安)

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不同離子強(qiáng)度下蛋白質(zhì)在PVDF膜面吸附行為評(píng)價(jià)

米娜，王磊， 苗瑞，高哲，劉婷婷

(西安建筑科技大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院, 710055 西安)

摘要:為考察不同離子強(qiáng)度下牛血清蛋白(BSA)在聚偏氟乙烯(PVDF)膜面的吸附行為及吸附層結(jié)構(gòu)特征，使用耗散型石英晶體微天平(QCM-D)結(jié)合自制的PVDF膜片, 綜合膜污染及膜性能恢復(fù)實(shí)驗(yàn),解析離子強(qiáng)度對(duì)超濾膜蛋白質(zhì)污染的影響機(jī)理.結(jié)果表明:離子強(qiáng)度由0增加到1 mmol/L時(shí),分子間靜電排斥力的減弱增強(qiáng)了BSA在PVDF表面的吸附量,膜面形成剛性密實(shí)的BSA吸附層,膜污染加??；相反,離子強(qiáng)度增大到10及100 mmol/L時(shí),水合排斥力逐漸增強(qiáng),有效減小PVDF-BSA、BSA-BSA間的相互作用力,致使BSA在PVDF表面的吸附量減小,形成松散柔軟的BSA吸附層,膜污染大幅度減緩,膜通量恢復(fù)率有效提升.

關(guān)鍵詞:離子強(qiáng)度; 聚偏氟乙烯超濾膜; 蛋白質(zhì); 表面吸附行為

在實(shí)際應(yīng)用過程中,水中大量存在的蛋白類溶解性有機(jī)污染物極易吸附累積于超濾膜面及膜孔內(nèi),造成膜的不斷污染,嚴(yán)重影響其高效運(yùn)行[1-2].研究表明，待處理廢水的離子強(qiáng)度對(duì)控制離子與蛋白質(zhì)分子中的氨基、羧基及羥基等官能團(tuán)之間絡(luò)合、中和,或者電荷屏蔽等效應(yīng)甚為重要,可導(dǎo)致蛋白質(zhì)分子與膜界面及蛋白質(zhì)分子之間的作用發(fā)生重要變化[3-4],進(jìn)而影響蛋白質(zhì)分子的聚集沉降性能及膜污染行為.因此，揭示離子強(qiáng)度對(duì)蛋白質(zhì)膜污染行為的影響機(jī)理對(duì)科學(xué)決策減緩膜污染行為技術(shù)措施有重要價(jià)值.

關(guān)于水中離子強(qiáng)度對(duì)膜污染的影響機(jī)制問題,目前認(rèn)識(shí)不盡一致.根據(jù)DLVO理論[5],在離子強(qiáng)度增加時(shí),雙電層壓縮效應(yīng)加劇,蛋白質(zhì)分子之間靜電排斥力減小,致使蛋白質(zhì)分子在膜面或者膜孔內(nèi)的吸附沉降速率加快,因而膜污染加劇.但Chan等[6]得出隨著離子強(qiáng)度的增加膜污染減緩的結(jié)果,并且認(rèn)為是Na+離子的溶解效應(yīng)所致. Salgin等[7]又得到在高離子條件下膜污染大幅度減緩的結(jié)果,推測(cè)主要是水溶液中的抗衡離子屏蔽了膜表面及蛋白質(zhì)表面的電荷,減小了分子之間的靜電吸引力所致.She等[8]推測(cè)高離子強(qiáng)度下膜污染減緩的主要原因是蛋白質(zhì)構(gòu)相發(fā)生了變化.而Wang等[9]認(rèn)為在高離子條件下由于兩種混合共存蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)不同,抑制了不同類型蛋白質(zhì)分子間的靜電吸引力,從而減輕膜污染.上述關(guān)于離子強(qiáng)度對(duì)蛋白質(zhì)膜污染行為的影響分析主要是基于宏觀膜通量變化趨勢(shì)而作的簡(jiǎn)單推測(cè)性解釋,并未進(jìn)行深入的機(jī)制探討.本研究采用QCM-D技術(shù)定量考察不同離子強(qiáng)度下典型蛋白質(zhì)BSA在PVDF表面的吸附沉降行為，BSA吸附層結(jié)構(gòu)變化特征,以及不同離子強(qiáng)度對(duì)宏觀膜過濾、膜通量恢復(fù)性能變化特征的影響,旨在解析離子強(qiáng)度對(duì)蛋白質(zhì)膜污染行為的影響機(jī)理,為減緩膜污染的調(diào)控策略選擇提供依據(jù).

1實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)材料及制備

1.1.1實(shí)驗(yàn)材料

聚偏氟乙烯(PVDF;美國(guó)蘇威先進(jìn)聚合物公司,Solef 1015),無水氯化鋰 (LiCl,天津化學(xué)試劑有限公司), N,N-二甲基乙酰胺 (DMAc；分析純,天津市福晨化學(xué)試劑廠),牛血清蛋白(BSA, 98%純度,Sigma-Aldrich, St. Louis, Mo).

1.1.2PVDF超濾膜制備

將PVDF與制孔劑無水LiCl按一定比例溶解于有機(jī)溶劑DMAc中,在60 ℃環(huán)境下共混攪拌24 h形成均質(zhì)鑄膜液,靜置脫泡后將其均勻涂覆于玻璃板表面,然后將涂覆有鑄膜液的玻璃板至于恒溫水浴中分相,得到PVDF超濾膜,經(jīng)充分漂洗后浸入去離子水中待用.其純水通量為(600±50) L/(m2·h),切割分子質(zhì)量為195 ku,接觸角為73°,表面平均粗糙度為35.8 nm.

1.1.3BSA溶液的配制

將BSA溶于超純水中配置1 g/L的BSA儲(chǔ)備液,稀釋至25 mg/L的BSA溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析.使用1 mol/L的氯化鈉溶液調(diào)節(jié)BSA溶液的離子強(qiáng)度,0.01 mol/L的氫氧化鈉及0.01 mol/L的鹽酸調(diào)劑pH.

1.1.4PVDF膜片制備

1)將PVDF和LiCl按一定的比例(與超濾膜制備時(shí)PVDF與LiCl的比例相同)溶于DMAC制備成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的聚合物溶液,在60 ℃環(huán)境充分?jǐn)嚢?、溶解、靜置、脫泡后形成均質(zhì)混合液;2)將膜片(QSX301 Au,Q-Sense)置于75 ℃體積比為5∶1∶1的超純水、質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為25%的氨水及30%的雙氧水配制的混合液中浸沒清洗5 min,超純水中充分漂洗后用氮?dú)獯蹈?3)將膜片固定于旋轉(zhuǎn)涂膜機(jī)(KW-4A,中國(guó)科學(xué)院微電子研究所)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上,于膜片表面滴5 μL PVDF/LiCl聚合物混合液,旋轉(zhuǎn)吹干得到涂有PVDF的膜片,超純水中充分漂洗后用氮?dú)獯蹈纱?

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1膜污染實(shí)驗(yàn)

使用死端過濾系統(tǒng)進(jìn)行超濾膜的污染實(shí)驗(yàn)[10],有效膜過濾面積為3.32×10-3m2.采用氮?dú)鉃轵?qū)動(dòng)壓力,壓力調(diào)節(jié)閥保持恒定的跨膜壓差,通過與電腦相連的電子天平實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所測(cè)膜的通量變化.

具體膜污染實(shí)驗(yàn)步驟如下:先在0.15 MPa下,用去離子水預(yù)壓超濾膜,以保證膜通量穩(wěn)定；其后將跨膜壓差調(diào)節(jié)至0.1 MPa,進(jìn)行去離子水的過濾實(shí)驗(yàn),直至膜通量到達(dá)一穩(wěn)定值(J).在同樣的跨膜壓差條件下,針對(duì)特定離子強(qiáng)度的BSA污染物溶液繼續(xù)過濾,并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)膜通量變化.

過濾實(shí)驗(yàn)后將污染膜取下浸漬于裝有500 mL去離子水的燒杯中,將燒杯置于振蕩器內(nèi)振蕩2 min,接著取出清洗后的膜,用去離子水沖洗后在0.1 MPa下再次測(cè)定其純水通量(Jr),使用Jr/J表征通量恢復(fù)率.

1.2.2QCM-D測(cè)試

使用耗散型石英晶體微天平(QCM-D, E1, Q-Sense, 瑞典)考察BSA在PVDF膜面的吸附量、膜面BSA吸附層結(jié)構(gòu)隨離子強(qiáng)度的變化特征[11-13].

將涂有PVDF的膜片安裝于QCM-D上,首先引入超純水,直至PVDF膜片頻率達(dá)到一穩(wěn)定值；其后引入特定離子強(qiáng)度的BSA溶液運(yùn)行30 min,通過實(shí)時(shí)測(cè)定的膜片振動(dòng)頻率及耗散變化特征,評(píng)價(jià)特定離子條件下BSA在PVDF膜片表面吸附量及BSA污染層的結(jié)構(gòu)變化.實(shí)驗(yàn)過程中液體流速始終為0.1 mL/min,測(cè)試溫度為25 ℃,同一組實(shí)驗(yàn)至少重復(fù)進(jìn)行3次.

1.2.3分析技術(shù)

使用Zeta電位儀(ZS90 Zeta,馬爾文,英國(guó))測(cè)定BSA的Zeta電位隨離子強(qiáng)度的變化.使用安東帕公司的固體表面Zeta電位儀(SurPASS,Anton Paar GmbH,奧地利)分析PVDF表面Zeta電位隨離子強(qiáng)度的變化.

2結(jié)果與討論

2.1不同離子條件下PVDF膜面及BSA帶電特性

圖1為不同離子強(qiáng)度下PVDF超濾膜及BSA的帶電特性.可以看出,在所考察的離子強(qiáng)度范圍內(nèi),PVDF超濾膜及BSA皆帶負(fù)電荷,且隨著離子強(qiáng)度的增加,無論是BSA還是PVDF膜的所帶凈電荷均顯示出減小趨勢(shì),這主要是因?yàn)殡S著離子強(qiáng)度的增加,抗衡離子所引起的壓縮雙電層及陽離子的電荷屏蔽效應(yīng)逐漸加劇,致使二者的表面Zeta電位逐漸降低.

圖1　不同離子條件下PVDF超濾膜及BSA帶電特性

2.2BSA水力學(xué)半徑隨離子強(qiáng)度的變化特征

表1為BSA平均水力學(xué)半徑隨離子強(qiáng)度的變化.可以看出:離子強(qiáng)度從0增加到1 mmol/L時(shí),BSA平均水力學(xué)半徑由296 nm增大到320 nm.這可能是因?yàn)殡S著離子強(qiáng)度的增大,BSA分子之間的靜電排斥力減小,致使BSA分子之間相互吸附團(tuán)聚形成較大尺寸的聚集體;離子強(qiáng)度大于1 mmo/L后,BSA平均水力學(xué)半徑隨離子強(qiáng)度的增大而大幅度減小.這是因?yàn)楦唠x子條件下BSA分子間的水合排斥力起主導(dǎo)作用,致使其水力學(xué)半徑減小.

表1　不同離子強(qiáng)度下BSA的平均水力學(xué)半徑

2.3離子強(qiáng)度對(duì)BSA吸附行為及污染層結(jié)構(gòu)的影響

使用QCM-D系統(tǒng)考察了離子強(qiáng)度為0、1、10及100 mmol/L的BSA在PVDF表面的沉降吸附行為及BSA吸附層結(jié)構(gòu)特征.在測(cè)試過程中，首先引入超純水獲得穩(wěn)定的基線,然后針對(duì)特定離子條件的BSA溶液進(jìn)行測(cè)試,研究膜片頻率及耗散隨著BSA在PVDF表面的吸附累積所發(fā)生的變化.利用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)記錄的各階段頻率獲得的頻率減小量(Δf)及耗散的變化特征,評(píng)價(jià)BSA在PVDF表面的吸附行為及BSA吸附層結(jié)構(gòu)特征.

2.3.1不同離子強(qiáng)度下BSA在PVDF表面吸附行為

圖2為針對(duì)不同離子強(qiáng)度的BSA溶液,PVDF膜片頻率的變化特征.可以看出:在BSA吸附階段，與離子強(qiáng)度為0 mmol/L時(shí)相比,離子強(qiáng)度為1 mmol/L時(shí)PVDF膜片頻率減小量Δf由18.6增大到24.3 Hz；當(dāng)離子強(qiáng)度增大到10及100 mmol/L時(shí),Δf變化量分別為17.2和14.3 Hz;由于PVDF膜片頻率減小量與膜片表面的吸附量成正比關(guān)系,上述結(jié)果表明BSA在PVDF表面的吸附速率及吸附量皆隨著離子強(qiáng)度增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì).

圖2　不同離子強(qiáng)度的BSA在PVDF吸附行為特征

2.3.2離子強(qiáng)度影響下的BSA吸附層結(jié)構(gòu)特征

耗散(ΔD)表征的是QCM-D測(cè)試過程中膜片振動(dòng)所需能耗損失,其隨著吸附量的增加不斷變化,是表征吸附層結(jié)構(gòu)特性的有效參數(shù).為了便于比較,使用單位質(zhì)量的耗散值│ΔD/Δf│考察吸附層結(jié)構(gòu)特征.較低的│ΔD/Δf│表示密實(shí)剛性的吸附層結(jié)構(gòu),相反,較大的│ΔD/Δf│值說明吸附層結(jié)構(gòu)較為松散柔軟[14].│ΔD/Δf│隨離子強(qiáng)度的變化見圖3.可以看出: 當(dāng)離子強(qiáng)度由0增加到1 mmol/L時(shí),│ΔD/Δf│從0.026減小到0.017,說明隨離子強(qiáng)度的增加,PVDF膜表面形成的BSA吸附層剛性密實(shí)的程度增加.這主要是因?yàn)殛栯x子的電荷屏蔽及壓縮雙電層效應(yīng)，致使PVDF-BSA與BSA-BSA之間靜電排斥力減弱[15],加強(qiáng)了BSA在PVDF表面的吸附速率及吸附量,從而膜表面形成剛性密實(shí)的BSA吸附層;當(dāng)離子強(qiáng)度由1 mmol/L增大到10及100 mmol/L時(shí),│ΔD/Δf│隨離子強(qiáng)度的增大而大幅度增加,分別為1 mmol/L離子強(qiáng)度時(shí)的3.5及8倍.此現(xiàn)象表明在高離子條件下,PVDF表面形成松散柔軟的BSA吸附層.這與Chang等[16]考察膠體微顆粒在固體界面的吸附行為時(shí)，發(fā)現(xiàn)│ΔD/Δf│隨離子強(qiáng)度的增大而逐漸增大的現(xiàn)象一致.

上述PVDF膜片頻率與能耗變化均證明:當(dāng)離子強(qiáng)度由0增加到1 mmol/L,BSA在PVDF表面的吸附量增加.這主要是因?yàn)镻VDF-BSA及BSA-BSA之間的靜電排斥力隨離子強(qiáng)度的增大而減小,致使BSA在PVDF表面的吸附速率加快,BSA之間較強(qiáng)的相互作用力使BSA分子之間緊密結(jié)合,形成密實(shí)的BSA吸附層;當(dāng)離子強(qiáng)度由1增加到100 mmol/L時(shí),由于隨著離子強(qiáng)度的增大,帶負(fù)電的PVDF及BSA表面吸附聚集的水合Na離子數(shù)量不斷增多，導(dǎo)致PVDF-BSA、BSA-BSA之間水合排斥力隨離子強(qiáng)度的增大而增大[17],有效減弱了PVDF-BSA、BSA-BSA之間的相互作用力,致使BSA在PVDF表面的吸附速率及吸附量減小,膜表面形成松散柔軟的BSA吸附層.

圖3　│ΔD/Δf│隨離子強(qiáng)度的變化

2.4離子強(qiáng)度影響下BSA污染超濾膜的通量變化與恢復(fù)性能

為了進(jìn)一步驗(yàn)證不同離子條件下BSA在PVDF表面的吸附沉降行為,考察了相應(yīng)離子強(qiáng)度下BSA對(duì)PVDF超濾膜的污染行為及膜通量恢復(fù)性能.

2.4.1不同離子強(qiáng)度下BSA污染膜的通量衰減分析

圖4為過濾不同離子強(qiáng)度的BSA溶液時(shí)膜通量隨運(yùn)行時(shí)間的變化.可以看出，在60 min的運(yùn)行時(shí)間內(nèi),離子強(qiáng)度為0、1、10及100 mmol/L的BSA污染膜的通量衰減率分別為77%、88%、63%和37%.顯然,隨著離子強(qiáng)度的增加,膜通量衰減速率及衰減幅度亦是呈現(xiàn)先增加后減小的特點(diǎn).

離子強(qiáng)度由0增加到1 mmol/L時(shí),膜通量衰減速率隨著離子強(qiáng)度的增大而明顯增大,這與Ang等[3]考察不同離子強(qiáng)度的BSA對(duì)RO膜的污染行為研究結(jié)果相同.主要是因?yàn)殡S著離子強(qiáng)度的增大,BSA在膜面的累積沉降速率加劇,相應(yīng)膜污染加劇.當(dāng)離子強(qiáng)度繼續(xù)增大到10及100 mmol/L時(shí),雖然BSA和膜表面靜電荷繼續(xù)減小,但水合排斥力的逐漸增強(qiáng)掩蓋了分子間靜電排斥力的減小,減緩了BSA在PVDF表面的沉降速率及累積量,PVDF膜面形成松散的BSA污染層,膜污染隨著離子強(qiáng)度的增大而大幅度減緩.

圖4　膜通量隨運(yùn)行時(shí)間的變化

2.4.2不同離子強(qiáng)度下BSA污染膜通量恢復(fù)性能

表2為不同離子強(qiáng)度的BSA污染膜通量恢復(fù)性能.可以看出,膜通量恢復(fù)率隨離子強(qiáng)度的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì).離子強(qiáng)度由0 mmol/L增大到1 mmol/L時(shí),受BSA污染的超濾膜通量恢復(fù)率均很低,并由25%減小到16%,這正是形成密實(shí)污染層所致；離子強(qiáng)度大于1 mmol/L,通量恢復(fù)率隨著離子強(qiáng)度的增加而持續(xù)增大.離子強(qiáng)度為100 mmol/L時(shí),通量恢復(fù)率可達(dá)85%.此現(xiàn)象與微觀的QCM-D實(shí)驗(yàn)及膜污染實(shí)驗(yàn)所形成的松散柔軟污染層的結(jié)果一致.主要是因?yàn)楦唠x子條件下BSA之間相互作用力減小,致使BSA分子之間的團(tuán)聚密實(shí)度降低,形成松散的污染層[18],從而膜通量恢復(fù)性能大大提升.

上述BSA吸附層的結(jié)構(gòu)確切地闡釋了離子強(qiáng)度對(duì)BSA在PVDF膜表面沉降行為的影響特點(diǎn)，及在實(shí)際應(yīng)用中的膜性能恢復(fù)特點(diǎn),為效控制膜污染提供了重要依據(jù).

表2　離子強(qiáng)度對(duì)膜通量恢復(fù)性能的影響

3結(jié)論

1) 不同的離子范圍內(nèi),離子強(qiáng)度對(duì)BSA污染行為的影響規(guī)律并不相同.當(dāng)離子強(qiáng)度由0增加到1 mmol/L時(shí),BSA及PVDF膜面的帶電量隨離子強(qiáng)度的增大而減小,PVDF-BSA及BSA分子之間靜電排斥力減小,致使BSA在PVDF表面的累積吸附量及膜通量衰減速率隨離子強(qiáng)度的增大而增大；相反,當(dāng)離子強(qiáng)度繼續(xù)增大到10及100 mmol/L時(shí),水合排斥力的急劇增大掩蓋了靜電排斥力的變化,導(dǎo)致PVDF表面BSA的吸附量及膜污染速率隨離子強(qiáng)度的增大而大幅度減緩.

2)不同的離子強(qiáng)度條件下PVDF表面BSA吸附層結(jié)構(gòu)特征存在明顯差異.低離子強(qiáng)度條件下,膜面形成剛性密實(shí)的BSA污染層,高離子條件下形成松散柔軟的污染層.

3)低離子條件下,膜通量恢復(fù)率很小,但在高離子強(qiáng)度條件下膜通量恢復(fù)率大幅度增加,主要是因?yàn)楦唠x子條件下PVDF表面形成松散柔軟的BSA污染層,致使水分子極易進(jìn)入BSA污染層破壞其完整性,提升通量恢復(fù)性能.

4)該研究結(jié)果對(duì)利用水中離子強(qiáng)度調(diào)控減緩膜污染提供了一定的依據(jù).

參考文獻(xiàn)

[1] 史慧婷,楊艷玲,李星,等. 腐殖酸對(duì)超濾膜污染特性的研究 [J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 26(5): 537-540.

[2] 尤朝陽,蔣金平,韓蘇娟,等．膜表面凝膠層形成機(jī)理 [J]． 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 41(10): 225-228.

[3] ANG W S, ELIMELECH M.Protein (BSA) fouling of reverse osmosis membranes: implications for wastewater reclamation [J]. Journal of Membrane Science, 2007, 296(1/2): 83-92.

[4] SALGIN S. Effects of ionic environments on bovine serum albumin fouling in a cross-flow ultrafiltration system [J]. Chemical Engineering Technology, 2007, 30(2): 255-260.

[5] BHATTACHARJEE S, CHEN J Y, ELIMELECH M. DLVO interaction energy between spheroidal particles and a flat surface [J]. Physicochemical and Engineering Aspects, 2000, 165:143-156.

[6] CHAN R, CHEN V. The effects of electrolyte concentration and pH on protein aggregation and deposition: critical flux and constant flux membrane filtration [J]. Journal of Membrane Science, 2011, 185: 177-192.

[7] SALGIN S, TAKAC S, OZDAMAR T H. Adsorption of bovine serum albumin on polyether sulfone ultrafiltration membranes: determination of interfacial interaction energy and effective diffusion coefficient [J]. Journal of Membrane Science, 2006, 278: 251-260.

[8] SHE Q H, TANG C Y , WANG Yining, et al. The role of hydrodynamic conditions and solution chemistry on protein fouling during ultrafiltration [J]. Desalination, 2009, 249:1079-1087.

[9] WANG Y N, TANG C Y. Fouling of nanofiltration, reverse osmosis, and ultrafiltration membranes by protein mixtures: the role of inter-foulant-species interaction [J]. Environmental Science and Technology, 2011, 45: 6373-6379.

[10]王磊, 馮玲,王旭東, 等. 二級(jí)出水殘留有機(jī)物對(duì)PVDF超濾膜污染行為研究 [J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 46(4): 105-109.

[11]QUEVEDO I R,TUFENKJI N. Influence of solution chemistry on the deposition and detachment kinetics of a CdTe quantum dot examined using a quartz crystal microbalance [J]. Environmental Science and Technology, 2009, 43(9): 3176-3182

[12] CHOWDHURY I, DUCH M C, MANSUKHANI N D , et al. Deposition and release of grephene oxide nanomaterials using a quartz crystal microbalance [J]. Environmental Science and Technology, 2014, 48: 961-969.

[13] FEILER A A , SAHLLHPLM A, SANDBERG T, et al. AdsoMin (BSM) and bovine serum albumin (BSA) studied with quartz crystal microbalance (QCM-D) [J]. Journal of Colloid and Interface Science, 2007,315(2): 475-481.

[14] KWON K D,GREEN H,BJOORN P, et al. Model bacterial extracellular polysaccharide adsorption onto silica and alumina: quartz crystal microbalance with dissipation monitoring of dextran adsorption [J]. Environmental Science and Technology, 2006, 40(24): 7739-7744.

[15] BOWEN W R, HILAL N, LOVITT R W, et al. A new technique for membrane characterisation: direct measurement of the force of adhesion of a single particle using an atomic force microscope [J]. Journal of Membrane Science, 1998, 139(2): 269-274.

[16] CHANG X, BOUCHARD D C. Multiwalled carbon nanotube deposition on model environmental surfaces [J]. Environmental Science and Technology, 2013, 47: 10372-10380.

[17] WANG L L, WANG L F, YE X D, et al. Hydration interactions and stability of soluble microbial products in aqueous solutions [J]. Water Research, 2012, 40: 5921-5959.

[18] THIO B J , MONTES M O, MAHMOUD M A, et al. Mobility of capped silver nanoparticles under environmentally relevant conditions [J]. Environmental Science and Technology, 2012, 46: 6985-6991.

(編輯劉彤)

Evaluation on adsorption behaviour of protein on PVDF membrane surface under different ionic strengths

MI Na, WANG Lei, MIAO Rui, GAO Zhe, LIU Tingting

(School of Environmental and Municipal Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, 710055 Xi’an, China)

Abstract:To investigate the deposition and adsorption behavior of BSA on the PVDF surface and the structure of the BSA adsorption layers over a range of ionic strengths, a quartz crystal microbalance with dissipation monitoring (QCM-D) combined with a self-made PVDF-coated sensor crystal was used in this study. These results were combined with those of fouling experiments and the flux recovery rate (at corresponding ionic strengths) to obtain visual insight into the effect of ionic strength on membrane BSA fouling behavior.Results show that when the ionic strength increased from 0 to 1 mmol/L, the adsorption amount of BSA on PVDF surface was increased, and a denser and more compact BSA layer was formed, accompanied by the enhancement of membrane fouling, which was mainly attributed to the decrease of electrostatic repulsion forces. But on the contrary, when ionic strength increased to 10 and 100 mmol/L, the PVDF-BSA and BSA-BSA interaction forces are weakened due to an increase in the hydration repulsion force, which results a decrease in adsorption amount of BSA on PVDF surface, a more nonrigid and soft BSA layer was formed, and membrane fouling decreased significantly. Moreover, the flux recovery rate was increase significantly at high ionic strength.

Keywords:ionic strength; PVDF ultrafiltration membrane; BSA; surface adsorption behavior

中圖分類號(hào):X703.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):0367-6234(2016)02-0109-05

通信作者:王磊,wl0178@126.com.

作者簡(jiǎn)介:米娜(1990—)女,碩士研究生;

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金(51178378; 51278408);陜西省科技創(chuàng)新項(xiàng)目(2012KTCL03-06; 2013KTCL03-16);西安建筑科大學(xué)博士創(chuàng)新基金(DB03154).

收稿日期:2015-01-16.

doi：10.11918/j.issn.0367-6234.2016.02.018

王磊(1971—)男,教授,博士生導(dǎo)師.