蛋白質(zhì)與超濾膜界面作用能對膜污染機制的影響

馮萃敏，張欣蕊，孫麗華，田海龍，葛俊男，陳雪如，張雅君

（1.北京建筑大學(xué)城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境省部共建教育部重點試驗室，北京100044；2.北京建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京100044；3.北京市市政工程設(shè)計研究總院有限公司，北京100082）

蛋白質(zhì)與超濾膜界面作用能對膜污染機制的影響

馮萃敏1，張欣蕊2，孫麗華1，田海龍2，葛俊男2，陳雪如3，張雅君1

（1.北京建筑大學(xué)城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境省部共建教育部重點試驗室，北京100044；2.北京建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京100044；3.北京市市政工程設(shè)計研究總院有限公司，北京100082）

比較了3種蛋白質(zhì)引起的膜通量變化及膜污染情況，利用xDLVO理論分析了蛋白質(zhì)超濾過程中的界面作用能對膜污染機制的影響。結(jié)果表明，卵清蛋白（Ovalbumin，OVA）造成的膜污染最嚴(yán)重，其次是牛血清白蛋白（Bovine Serum Albumin，BSA）和溶菌酶（Lysozyme，LYS）；在黏附階段和黏聚階段，極性力自由能起主導(dǎo)作用，范德華力和雙電層力對其貢獻(xiàn)很??；蛋白質(zhì)分子從遠(yuǎn)距離逐漸接近UF膜或濾餅層時，極性力作用能對膜污染起主導(dǎo)作用，總界面作用能和作用范圍是影響膜污染趨勢的主要因素。

超濾；蛋白質(zhì)；膜污染；xDLVO理論；界面作用

再生水具有數(shù)量大、成本低、不受其他自然條件等因素限制的優(yōu)點，其作為城市的第二水源得到普遍應(yīng)用。針對再生水的處理工藝眾多，其中膜技術(shù)備受青睞。M.A.Shannon等〔1〕指出，膜技術(shù)可最大限度減少化學(xué)試劑的使用，為低耗節(jié)能的處理技術(shù)，具有出水水質(zhì)好、運行穩(wěn)定、消毒副產(chǎn)物少等優(yōu)點〔2〕。但由于膜污染的問題，使其發(fā)展受到了制約。膜污染主要由溶解性有機物造成，蛋白質(zhì)則作為典型污染物被廣泛研究〔3〕。卞曉鍇等〔4〕研究了蛋白質(zhì)在超濾膜上吸附的影響因素，包括膜表面物化特性、溶液環(huán)境、操作條件等。王旭東等〔5〕研究了膜特征參數(shù)對蛋白質(zhì)在超濾過程中對膜的污染的影響，包括接觸角、膜平均孔徑、膜孔分形維數(shù)等。高偉等〔6〕利用xDLVO（extended Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek）理論探究了水處理中典型有機物（腐殖酸、海藻酸鈉及蛋白質(zhì)）與超濾膜之間的作用力對膜污染的影響。在眾多關(guān)于蛋白質(zhì)造成的膜污染的研究中，很少有對水中不同類型的蛋白質(zhì)對膜污染的影響及作用力進(jìn)行對比研究。本研究以二級出水中3種類型的蛋白質(zhì)為研究對象，比較了其在超濾過程中的膜通量變化情況，并通過xDLVO理論分析了3種蛋白質(zhì)與UF膜的界面作用能對膜污染機制的影響。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

UF膜采用Millipore公司的再生纖維膜，截留分子質(zhì)量為30 kDa，直徑為76 mm，有效過濾面積為41.8 cm2；3種蛋白質(zhì)分別采用Sigma Aldrich公司生產(chǎn)的卵清蛋白（OVA，45 kDa）、溶菌酶（LYS，14 kDa）和牛血清白蛋白（BSA，67 kDa），試驗用OVA、LYS、BSA質(zhì)量濃度以TOC為10 mg/L計，分別為30、30、25mg/L；溶液pH采用0.01mol/L的NaOH和HCl來調(diào)節(jié)，pH為7.0±0.2；溶液的離子濃度用10mmol/L的NaCl進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1.2 試驗裝置及方法

分別取400mL的OVA（30mg/L）、BSA（30mg/L）、LYS（25mg/L）溶液，其離子濃度為10mmol/L，pH為7.0±0.2。經(jīng)過0.45μm濾膜過濾后，置于離心超濾杯（8400型，Millipore公司，美國）中過濾，過濾方式采用死端恒壓過濾，壓力為0.03MPa。采用電子分析天平（ME2002E）對膜通量進(jìn)行實時監(jiān)測，每分鐘記錄1次。過濾結(jié)束后的反沖洗方法：將UF膜取出并用去離子水進(jìn)行沖洗，之后將其倒置于超濾杯中，并加入200mL的去離子水，以0.06MPa的壓力過濾5min。每種蛋白質(zhì)溶液運行3個周期。試驗裝置如圖1所示。

圖1 試驗裝置

1.3 測定方法

UF膜與蛋白質(zhì)的接觸角均采用DSA100光學(xué)接觸角測量儀（克呂士公司，德國）進(jìn)行測試，測試方法如下：將UF膜在超純水中浸泡24 h以上，自然晾干后進(jìn)行檢測；分別將3種蛋白質(zhì)過濾到UF膜上并達(dá)到一定厚度，自然晾干后進(jìn)行檢測。采用低速率動態(tài)接觸角法測定靜態(tài)表觀接觸角，每個樣品測定7次，取平均值。UF膜的Zeta電位采用SURPASSZeta電位分析儀（安東帕公司，奧地利）測定，3種蛋白質(zhì)的Zeta電位以及顆粒粒徑均采用Zetasizer Nano ZS90納米粒徑電位分析儀（馬爾文公司，英國）測量，每個樣品測定3次，取平均值。

1.4 計算方法

1.4.1 膜比通量

試驗過程中，采用歸一化膜通量J/J0表示膜通量變化，J0為試驗初始膜通量，單位L/（m2·h）。膜通量計算公式：

式中：J——t時刻膜通量，L/（m2·h）；

V——濾液體積，L；

A——超濾膜有效過濾面積，m2；

t——過濾時間，h。

1.4.2 xDLVO理論計算方法

UF膜針對蛋白質(zhì)的過濾分為黏附階段和黏聚階段，黏附階段為蛋白質(zhì)分子與UF膜均浸沒在水溶液中并相接觸，即兩界面間距離為最小平衡距離d0（d0=0.158 nm）時的過濾情況；黏聚階段為蛋白質(zhì)分子與蛋白質(zhì)在UF膜表面形成的濾餅層接觸時的過濾情況。根據(jù)xDLVO理論，黏附階段單位面積上的界面自由能為范德華力（LW）、極性力（AB）以及雙電層力（EL）界面自由能之和，稱為總黏附自由能、l、f分別代表UF膜、水溶液以及蛋白質(zhì)）。根據(jù)xDLVO理論，利用Derjaguin積分法可將黏附階段UF膜與蛋白質(zhì)之間的界面自由能轉(zhuǎn)換為UF膜與蛋白質(zhì)之間的界面（mlf）作用能

2 結(jié)果與討論

2.1 3種蛋白質(zhì)對膜污染的影響

在LYS、OVA和BSA 3種蛋白質(zhì)溶液的TOC均為10mg/L的條件下，對比了其膜比通量在3個過濾周期內(nèi)隨過濾體積的變化情況，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同蛋白質(zhì)的膜比通量隨過濾體積的變化情況

結(jié)果表明，在相同的TOC、壓力以及pH下，3種蛋白質(zhì)引起的膜污染程度各有不同，但均為初期（15min內(nèi)）膜比通量迅速下降，后期膜比通量下降趨于平緩。其中OVA引起的初期膜比通量下降速度最大，其次是BSA，而LYS引起的初期膜比通量下降速度最小，因此OVA造成的UF膜初期污染最嚴(yán)重。同時，OVA的每周期末端膜比通量平均下降29%，而LYS和BSA則分別平均下降9%和17%?？梢姡琌VA不僅對UF膜的初期污染最嚴(yán)重，而且其對UF膜的最終污染也是最嚴(yán)重的。通過3個周期的膜比通量可以看出，過濾OVA的UF膜在經(jīng)過物理反沖洗后膜比通量有一定的恢復(fù)，但恢復(fù)程度呈逐漸減少的趨勢，說明OVA對UF膜的污染以不可逆污染為主；而過濾LYS和BSA的UF膜在經(jīng)過物理反沖洗后膜比通量也有小幅減少，但是與過濾OVA的下降程度相比微乎其微，可以認(rèn)為LYS和BSA的膜比通量恢復(fù)情況好。

2.2 界面作用能分析

影響膜污染程度的因素眾多，包括操作壓力、溶液濃度、pH等，但是當(dāng)上述影響因素均相同時，膜污染的程度以及可逆性主要取決于蛋白質(zhì)分子在微距范圍內(nèi)與UF膜或濾餅層之間的界面作用力。根據(jù)xDLVO理論，界面作用力包括范德華力、極性力和雙電層力，而界面作用力的大小與UF膜和蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)密切相關(guān)。針對UF膜和蛋白質(zhì)理化性質(zhì)的檢測結(jié)果如表1所示。

表1 UF膜與蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)

由表1可知，UF膜與超純水的接觸角＜90°，可以認(rèn)為UF膜為親水性膜；3種蛋白質(zhì)中，LYS與超純水的接觸角僅為31.12°，BSA、OVA與超純水的接觸角均大于45°，隨著接觸角的增加其親水性逐漸減少，疏水性逐漸增強，因此3種蛋白質(zhì)的親水性依次為LYS＞BSA＞OVA。結(jié)合膜污染程度可知，蛋白質(zhì)的親水性與其對UF膜的膜污染程度呈反比，蛋白質(zhì)的親水性越高，其造成的膜污染程度越小。從Zeta電位可以看出，除LYS分子表面帶正電荷，UF膜和另外2種蛋白質(zhì)表面均帶負(fù)電荷，因此LYS分子與UF膜之間為雙電層靜電引力，而BSA、OVA分子與UF膜之間為雙電層靜電斥力。

根據(jù)表1中的接觸角和Zeta電位，利用Acid-Base Approach和擴展楊氏方程〔8〕即可計算表面張力參數(shù)γ，結(jié)果見表2。

表2 UF膜與蛋白質(zhì)的表面張力參數(shù)mJ/m2

結(jié)果表明，UF膜與OVA的γLW值相差很小，LYS和BSA的γLW值也基本一致。結(jié)合表1、表2可以發(fā)現(xiàn)，γLW與二碘甲烷接觸角的變化規(guī)律相同，說明UF膜和3種蛋白質(zhì)均具有相似的非極性性質(zhì)。UF膜和3種蛋白質(zhì)的γ-均大于γ+，由此可知，其電子供體性質(zhì)遠(yuǎn)大于電子受體性質(zhì)。研究表明，UF膜與蛋白質(zhì)具有較強的電子供體性質(zhì)。

2.2.1 UF膜與蛋白質(zhì)之間的界面作用能

利用UF膜過濾蛋白質(zhì)時，一般認(rèn)為蛋白質(zhì)分子與UF膜在水溶液中浸沒并接觸時的界面自由能為總黏附自由能。當(dāng)總黏附自由能為負(fù)值時，表明相接觸的兩者處于不穩(wěn)定的熱力學(xué)狀態(tài)，兩者表現(xiàn)為相互吸引；當(dāng)總黏附自由能為正值時，表明相接觸的兩者處于穩(wěn)定的熱力學(xué)狀態(tài)，兩者表現(xiàn)為相互排斥〔6〕。過濾初期即黏附階段，膜比通量的下降是由于蛋白質(zhì)被吸附在膜孔內(nèi)或沉積在UF膜表面造成的，此時UF膜與蛋白質(zhì)分子之間的相互作用見表3。

表3 蛋白質(zhì)與UF膜之間的黏附自由能KT

由表3可以看出，在黏附階段，范德華力自由能和雙電層力自由能均為負(fù)值且絕對值很小，說明這2種自由能會使蛋白質(zhì)和UF膜相互吸引，但對總黏附自由能的貢獻(xiàn)很小；極性力自由能的絕對值最大，在總黏附自由能中起主要作用，因此蛋白質(zhì)分子和UF膜之間的相互作用決定于極性力作用能；雙電層力自由能均為負(fù)值，其中LYS的表面電荷與UF膜表面所帶電荷相反，表現(xiàn)為靜電引力，而其他2種蛋白質(zhì)的表面電荷與UF膜表面所帶電荷盡管相同，但因其與UF膜表面的電荷密集程度相差較大，使兩者也互相吸引。由于LYS和UF膜之間的總黏附自由能比BSA大即斥力更大，導(dǎo)致初期LYS對膜的污染程度小于BSA，因此經(jīng)過物理反沖洗后膜比通量恢復(fù)程度也更好。OVA和UF膜之間的總黏附自由能為負(fù)值，說明OVA分子與UF膜在黏附階段時的相互作用為吸引力，OVA更易造成UF膜的初期膜污染，這與之前得出的OVA造成的膜污染最嚴(yán)重的結(jié)論相呼應(yīng)。

圖3為蛋白質(zhì)分子在過濾過程中不斷接近UF膜時的界面作用能隨界面間距d的變化情況。

圖3 UF膜與蛋白質(zhì)之間的界面作用能

結(jié)果表明，極性力作用能和總界面作用能的絕對值均隨著界面間距的減少而逐漸增大，且絕對值遠(yuǎn)大于范德華力作用能和雙電層力作用能，表明蛋白質(zhì)分子與UF膜之間的極性力作用能在總界面作用能中起主導(dǎo)作用。從圖3（a）、3（b）和3（c）中發(fā)現(xiàn)，雙電層力作用能對UF膜為吸引作用，會加重膜污染的程度，但是相對于極性力作用能來說其值過小，這與高偉等〔6〕的研究一致，即在黏附階段雙電層力作為長距離作用力對UF膜的影響很小。圖3（d）為3種蛋白質(zhì)與UF膜之間的總界面作用能，其與UF膜之間的作用范圍各不相同，LYS和BSA與UF膜之間的總界面作用能的作用范圍相差很小，但LYS與UF膜之間的總界面作用能始終大于BSA，因此BSA更易造成UF膜的污染。OVA與UF膜之間的總界面作用能作用范圍大，且OVA與UF膜之間的總界面作用能為負(fù)值即相互吸引，因此OVA在黏附階段造成的膜污染最嚴(yán)重。

2.2.2 蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)之間的界面作用能

在過濾的后期，蛋白質(zhì)分子會吸附在UF膜表面或堵塞在膜孔中，濾餅層由此形成，此時進(jìn)入黏聚階段，界面作用為蛋白質(zhì)分子與濾餅層之間的相互作用。計算總黏聚自由能只需將UF膜的表面張力換為蛋白質(zhì)的表面張力即可，結(jié)果見表4。

表4 蛋白質(zhì)與濾餅層之間的黏聚自由能KT

由表4可以看出，在黏聚階段，范德華力自由能與之前黏附階段相比變化不大，說明范德華力自由能會使蛋白質(zhì)與UF膜相互吸引，會促進(jìn)后期膜污染的發(fā)生。極性力自由能的絕對值遠(yuǎn)大于另2種自由能，因此在總黏聚自由能中占主導(dǎo)作用。由于水溶液中的蛋白質(zhì)分子與構(gòu)成濾餅層的蛋白質(zhì)所帶電荷相同，且兩者電荷密集程度基本一致，因此雙電層力自由能由負(fù)值變?yōu)檩^小的正值。由總黏聚自由能可以看出，LYS與OVA的總黏聚自由能較黏附階段均有一定程度的增大，BSA的總黏聚自由能則變化幅度很小。LYS的總黏聚自由能比BSA大，即斥力更大，因此LYS后期膜比通量下降速度相較于BSA有很大的緩解。而OVA的總黏聚自由能為負(fù)值，漲幅和絕對值最大，說明OVA相比LYS和BSA更易造成后期膜污染，這就解釋了之前膜比通量在過濾后期的變化規(guī)律。

圖4為蛋白質(zhì)與濾餅層之間的界面作用能隨界面間距d的變化情況。

圖4 蛋白質(zhì)與濾餅層之間的界面作用能

從圖4（a）、4（b）和4（c）可以發(fā)現(xiàn)，蛋白質(zhì)與濾餅層之間的極性力作用能的絕對值遠(yuǎn)大于范德華力作用能和雙電層力作用能，且總界面作用能與極性力作用能的變化趨勢基本一致，說明在黏聚階段極性力作用能在總界面作用能中起主要作用。雙電層力作用能在黏聚階段因為蛋白質(zhì)分子與濾餅層的電荷相同而呈正值，但其與極性力作用能絕對值相比過小，說明其作為遠(yuǎn)距離作用力在蛋白質(zhì)分子與濾餅層之間的作用影響甚微。圖4（d）為3種蛋白質(zhì)與濾餅層之間的總界面作用能，其中LYS和BSA的總界面作用能均為正值即表現(xiàn)為斥力，但LYS與濾餅層之間的斥力比BSA大，在過濾后期對膜污染的緩解作用更好；OVA的總界面作用能為負(fù)值即表現(xiàn)為引力，與黏附階段相比引力變大，其在過濾后期對膜污染呈加劇作用。另外，圖4中LYS和BSA與濾餅層之間的作用范圍相比于黏附階段均有增加，膜比通量的下降幅度呈緩解趨勢，結(jié)合總作用能的增加，使得LYS和BSA在后期的膜比通量下降趨于平穩(wěn)；OVA與濾餅層之間的作用范圍減少，減緩了過濾后期因總界面作用能增加導(dǎo)致的膜比通量下降，使膜污染有所緩解。

3 結(jié)論

（1）對LYS、BSA和OVA 3種典型蛋白質(zhì)進(jìn)行膜過濾，其所造成的膜污染各不相同。OVA造成的膜污染最嚴(yán)重，LYS造成的膜污染最輕；OVA對UF膜造成的污染主要是不可逆膜污染；UF膜為親水性膜，3種蛋白質(zhì)的親水性依次為LYS＞BSA＞OVA，蛋白質(zhì)的親水性與UF膜的膜污染程度呈反比，蛋白質(zhì)的親水性越高，其造成的膜污染程度越小。

（2）根據(jù)xDLVO理論可知，在利用UF膜過濾蛋白質(zhì)的過程中，無論是在黏附階段還是在黏聚階段，極性力自由能均起主導(dǎo)作用，范德華力和雙電層力對其貢獻(xiàn)很??；蛋白質(zhì)分子從遠(yuǎn)距離逐漸接近UF膜或者濾餅層時，極性力作用能起主導(dǎo)作用，其對膜污染的貢獻(xiàn)最大；總界面作用能的大小以及作用范圍的不同會影響3種蛋白質(zhì)對UF膜的污染程度，最終導(dǎo)致初期膜比通量急速下降和后期膜比通量下降趨于平緩。

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Influences of interfacialaction energy between protein and UF m embrane onm embrane foulingmechanism s

Feng Cuimin1，Zhang Xinrui2，Sun Lihua1，Tian Hailong2，Ge Junnan2，Chen Xueru3，Zhang Yajun1
（1.Key Laboratory ofUrban Stormwater System andWater Environment，Ministry of Education，Beijing University ofCivil Engineering and Architecture，Beijing100044，China；2.Schoolof Environmentand Energy Source Engineering，Beijing University ofCivilEngineeringand Architecture，Beijing 100044，China；3.BeijingGeneralMunicipal Engineering Design&Research Institute Co.，Ltd.，Beijing 100082，China）

The situations ofmembrane flux change and membrane fouling caused by three kinds of proteins are compared.The influences of interfacial action energy on membrane foulingmechanisms in protein ultrafiltration process are analyzed by xDLVO theory.The results show that themembrane fouling caused by ovalbumin（OVA）is themostseriousone，and the ones caused by bovine serum albumin（BSA）and lysozyme（LYS）are the nextserious. The interfacial free energy of acid-base both play a dominant role in adhesion stage and cohesive stage，but the contributionsmade by van der waals force and electrostatic double layer force are very little.When the protein moleculesgetclosergradually to the UFmembraneor cake layer from a long distance，the interfacialaction energy of acid-base can play a dominant role inmembrane fouling.Themain factors affectingmembrane fouling trends are the total interfacialaction energy and the rangeof theaction.

ultrafiltration；protein；membrane fouling；extended Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek（xDLVO）theory；interfacialaction

X703；TQ028.8

A

1005-829X（2016）06-0033-05

馮萃敏（1968—），工學(xué)碩士，教授。電話：010-68322125，E-mail：feng-cuimin@sohu.com。通訊聯(lián)系人：孫麗華，電話：010-68304273，E-mail：sunlihuashd@163. com。

2016-02-25（修改稿）

國家自然科學(xué)基金項目（51208021，51278026）