不同離子強度下蛋白質在PVDF膜面吸附行為評價

米　娜，王　磊， 苗　瑞，高　哲，劉婷婷

(西安建筑科技大學 環境與市政工程學院, 710055 西安)

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不同離子強度下蛋白質在PVDF膜面吸附行為評價

米娜，王磊， 苗瑞，高哲，劉婷婷

(西安建筑科技大學 環境與市政工程學院, 710055 西安)

摘要:為考察不同離子強度下牛血清蛋白(BSA)在聚偏氟乙烯(PVDF)膜面的吸附行為及吸附層結構特征，使用耗散型石英晶體微天平(QCM-D)結合自制的PVDF膜片, 綜合膜污染及膜性能恢復實驗,解析離子強度對超濾膜蛋白質污染的影響機理.結果表明:離子強度由0增加到1 mmol/L時,分子間靜電排斥力的減弱增強了BSA在PVDF表面的吸附量,膜面形成剛性密實的BSA吸附層,膜污染加劇；相反,離子強度增大到10及100 mmol/L時,水合排斥力逐漸增強,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,膜通量恢復率有效提升.

關鍵詞:離子強度; 聚偏氟乙烯超濾膜; 蛋白質; 表面吸附行為

在實際應用過程中,水中大量存在的蛋白類溶解性有機污染物極易吸附累積于超濾膜面及膜孔內,造成膜的不斷污染,嚴重影響其高效運行[1-2].研究表明，待處理廢水的離子強度對控制離子與蛋白質分子中的氨基、羧基及羥基等官能團之間絡合、中和,或者電荷屏蔽等效應甚為重要,可導致蛋白質分子與膜界面及蛋白質分子之間的作用發生重要變化[3-4],進而影響蛋白質分子的聚集沉降性能及膜污染行為.因此，揭示離子強度對蛋白質膜污染行為的影響機理對科學決策減緩膜污染行為技術措施有重要價值.

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

1實驗

1.1實驗材料及制備

1.1.1實驗材料

聚偏氟乙烯(PVDF;美國蘇威先進聚合物公司,Solef 1015),無水氯化鋰 (LiCl,天津化學試劑有限公司), 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溶劑DMAc中,在60 ℃環境下共混攪拌24 h形成均質鑄膜液,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儲備液,稀釋至25 mg/L的BSA溶液進行實驗分析.使用1 mol/L的氯化鈉溶液調節BSA溶液的離子強度,0.01 mol/L的氫氧化鈉及0.01 mol/L的鹽酸調劑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PVDF與LiCl的比例相同)溶于DMAC制備成質量分數為5%的聚合物溶液,在60 ℃環境充分攪拌、溶解、靜置、脫泡后形成均質混合液;2)將膜片(QSX301 Au,Q-Sense)置于75 ℃體積比為5∶1∶1的超純水、質量分數分別為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氣吹干;3)將膜片固定于旋轉涂膜機(KW-4A,中國科學院微電子研究所)旋轉平臺上,于膜片表面滴5 μL PVDF/LiCl聚合物混合液,旋轉吹干得到涂有PVDF的膜片,超純水中充分漂洗后用氮氣吹干待用.

1.2實驗方法

1.2.1膜污染實驗

使用死端過濾系統進行超濾膜的污染實驗[10],有效膜過濾面積為3.32×10-3m2.采用氮氣為驅動壓力,壓力調節閥保持恒定的跨膜壓差,通過與電腦相連的電子天平實時監測所測膜的通量變化.

具體膜污染實驗步驟如下:先在0.15 MPa下,用去離子水預壓超濾膜,以保證膜通量穩定；其后將跨膜壓差調節至0.1 MPa,進行去離子水的過濾實驗,直至膜通量到達一穩定值(J).在同樣的跨膜壓差條件下,針對特定離子強度的BSA污染物溶液繼續過濾,并實時監測膜通量變化.

過濾實驗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下再次測定其純水通量(Jr),使用Jr/J表征通量恢復率.

1.2.2QCM-D測試

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吸附層結構隨離子強度的變化特征[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膜片頻率達到一穩定值；其后引入特定離子強度的BSA溶液運行30 min,通過實時測定的膜片振動頻率及耗散變化特征,評價特定離子條件下BSA在PVDF膜片表面吸附量及BSA污染層的結構變化.實驗過程中液體流速始終為0.1 mL/min,測試溫度為25 ℃,同一組實驗至少重復進行3次.

1.2.3分析技術

使用Zeta電位儀(ZS90 Zeta,馬爾文,英國)測定BSA的Zeta電位隨離子強度的變化.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電位隨離子強度的變化.

2結果與討論

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,在所考察的離子強度范圍內,PVDF超濾膜及BSA皆帶負電荷,且隨著離子強度的增加,無論是BSA還是PVDF膜的所帶凈電荷均顯示出減小趨勢,這主要是因為隨著離子強度的增加,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水力學半徑隨離子強度的變化特征

表1為BSA平均水力學半徑隨離子強度的變化.可以看出:離子強度從0增加到1 mmol/L時,BSA平均水力學半徑由296 nm增大到320 nm.這可能是因為隨著離子強度的增大,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聚形成較大尺寸的聚集體;離子強度大于1 mmo/L后,BSA平均水力學半徑隨離子強度的增大而大幅度減小.這是因為高離子條件下BSA分子間的水合排斥力起主導作用,致使其水力學半徑減小.

表1　不同離子強度下BSA的平均水力學半徑

2.3離子強度對BSA吸附行為及污染層結構的影響

使用QCM-D系統考察了離子強度為0、1、10及100 mmol/L的BSA在PVDF表面的沉降吸附行為及BSA吸附層結構特征.在測試過程中，首先引入超純水獲得穩定的基線,然后針對特定離子條件的BSA溶液進行測試,研究膜片頻率及耗散隨著BSA在PVDF表面的吸附累積所發生的變化.利用計算機實時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,評價BSA在PVDF表面的吸附行為及BSA吸附層結構特征.

2.3.1不同離子強度下BSA在PVDF表面吸附行為

圖2為針對不同離子強度的BSA溶液,PVDF膜片頻率的變化特征.可以看出:在BSA吸附階段，與離子強度為0 mmol/L時相比,離子強度為1 mmol/L時PVDF膜片頻率減小量Δf由18.6增大到24.3 Hz；當離子強度增大到10及100 mmol/L時,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系,上述結果表明BSA在PVDF表面的吸附速率及吸附量皆隨著離子強度增加呈現先增大后減小的趨勢.

圖2　不同離子強度的BSA在PVDF吸附行為特征

2.3.2離子強度影響下的BSA吸附層結構特征

耗散(ΔD)表征的是QCM-D測試過程中膜片振動所需能耗損失,其隨著吸附量的增加不斷變化,是表征吸附層結構特性的有效參數.為了便于比較,使用單位質量的耗散值│ΔD/Δf│考察吸附層結構特征.較低的│ΔD/Δf│表示密實剛性的吸附層結構,相反,較大的│ΔD/Δf│值說明吸附層結構較為松散柔軟[14].│ΔD/Δf│隨離子強度的變化見圖3.可以看出: 當離子強度由0增加到1 mmol/L時,│ΔD/Δf│從0.026減小到0.017,說明隨離子強度的增加,PVDF膜表面形成的BSA吸附層剛性密實的程度增加.這主要是因為陽離子的電荷屏蔽及壓縮雙電層效應，致使PVDF-BSA與BSA-BSA之間靜電排斥力減弱[15],加強了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的BSA吸附層;當離子強度由1 mmol/L增大到10及100 mmol/L時,│ΔD/Δf│隨離子強度的增大而大幅度增加,分別為1 mmol/L離子強度時的3.5及8倍.此現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，發現│ΔD/Δf│隨離子強度的增大而逐漸增大的現象一致.

上述PVDF膜片頻率與能耗變化均證明:當離子強度由0增加到1 mmol/L,BSA在PVDF表面的吸附量增加.這主要是因為PVDF-BSA及BSA-BSA之間的靜電排斥力隨離子強度的增大而減小,致使BSA在PVDF表面的吸附速率加快,BSA之間較強的相互作用力使BSA分子之間緊密結合,形成密實的BSA吸附層;當離子強度由1增加到100 mmol/L時,由于隨著離子強度的增大,帶負電的PVDF及BSA表面吸附聚集的水合Na離子數量不斷增多，導致PVDF-BSA、BSA-BSA之間水合排斥力隨離子強度的增大而增大[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│隨離子強度的變化

2.4離子強度影響下BSA污染超濾膜的通量變化與恢復性能

為了進一步驗證不同離子條件下BSA在PVDF表面的吸附沉降行為,考察了相應離子強度下BSA對PVDF超濾膜的污染行為及膜通量恢復性能.

2.4.1不同離子強度下BSA污染膜的通量衰減分析

圖4為過濾不同離子強度的BSA溶液時膜通量隨運行時間的變化.可以看出，在60 min的運行時間內,離子強度為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,隨著離子強度的增加,膜通量衰減速率及衰減幅度亦是呈現先增加后減小的特點.

離子強度由0增加到1 mmol/L時,膜通量衰減速率隨著離子強度的增大而明顯增大,這與Ang等[3]考察不同離子強度的BSA對RO膜的污染行為研究結果相同.主要是因為隨著離子強度的增大,BSA在膜面的累積沉降速率加劇,相應膜污染加劇.當離子強度繼續增大到10及100 mmol/L時,雖然BSA和膜表面靜電荷繼續減小,但水合排斥力的逐漸增強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,膜污染隨著離子強度的增大而大幅度減緩.

圖4　膜通量隨運行時間的變化

2.4.2不同離子強度下BSA污染膜通量恢復性能

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

上述BSA吸附層的結構確切地闡釋了離子強度對BSA在PVDF膜表面沉降行為的影響特點，及在實際應用中的膜性能恢復特點,為效控制膜污染提供了重要依據.

表2　離子強度對膜通量恢復性能的影響

3結論

1) 不同的離子范圍內,離子強度對BSA污染行為的影響規律并不相同.當離子強度由0增加到1 mmol/L時,BSA及PVDF膜面的帶電量隨離子強度的增大而減小,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度的增大而增大；相反,當離子強度繼續增大到10及100 mmol/L時,水合排斥力的急劇增大掩蓋了靜電排斥力的變化,導致PVDF表面BSA的吸附量及膜污染速率隨離子強度的增大而大幅度減緩.

2)不同的離子強度條件下PVDF表面BSA吸附層結構特征存在明顯差異.低離子強度條件下,膜面形成剛性密實的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,膜通量恢復率很小,但在高離子強度條件下膜通量恢復率大幅度增加,主要是因為高離子條件下PVDF表面形成松散柔軟的BSA污染層,致使水分子極易進入BSA污染層破壞其完整性,提升通量恢復性能.

4)該研究結果對利用水中離子強度調控減緩膜污染提供了一定的依據.

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(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:X703.1

文獻標志碼:A

文章編號:0367-6234(2016)02-0109-05

通信作者:王磊,wl0178@126.com.

作者簡介:米娜(1990—)女,碩士研究生;

基金項目:國家自然科學基金(51178378; 51278408);陜西省科技創新項目(2012KTCL03-06; 2013KTCL03-16);西安建筑科大學博士創新基金(DB03154).

收稿日期:2015-01-16.

doi：10.11918/j.issn.0367-6234.2016.02.018

王磊(1971—)男,教授,博士生導師.