鄧東旭,王 磊,李興飛,李松山,朱 苗

(西安建筑科技大學 環(huán)境與市政工程學院,西安 710055)

超濾過程中蛋白質帶電性對水合作用的影響機制

鄧東旭,王 磊,李興飛,李松山,朱 苗

(西安建筑科技大學 環(huán)境與市政工程學院,西安 710055)

為解析超濾過程蛋白質帶電性能對水合作用力的影響機制，在牛血清蛋白(BSA)帶正電、中性及負電條件下,分別考察PVDF-BSA及BSA-BSA之間的相互作用力隨離子強度的變化特征,結合相應條件下BSA的Zeta電位變化特征,探討超濾過程蛋白質帶電性能對水合作用力的影響機制.結果證實BSA帶電性能是影響水合作用力的關鍵因素.在BSA帶正電條件下,作用力隨離子強度的增大而增大,主要是因為BSA帶正電時無水合作用存在,靜電作用力的變化是控制膜污染的主要因素.在BSA電中性及負電條件下,BSA及PVDF膜面吸附累積大量的水合陽離子,隨離子強度的增大,有效觸發(fā)PVDF-BSA及BSA-BSA之間的水合排斥力,進而大幅度減緩膜污染;且在BSA等電點更容易觀察到水合作用現象.

膜污染;牛血清蛋白;帶電性;原子力顯微鏡;水合力

近年來,超濾膜已經廣泛應用于污水處理和深度資源化回用領域[1-4],但膜污染仍然是限制膜分離技術在水處理領域推廣應用的主要因素[5-6].而廢水中大量存在的蛋白質是引起膜污染的主要物質之一[7-8].蛋白質的膜污染行為受到諸多因素的影響,而廢水中廣泛存在的無機陽離子是影響其膜污染的主導因素之一.但是,既往關于無機陽離子對蛋白質膜污染影響的研究,并沒有得到統(tǒng)一的認識或結論.多數結果表明,蛋白質污染隨離子強度增加而加劇.主要通過DLVO理論解釋此現象.即隨著離子含量增加,膜-蛋白質及蛋白質-蛋白質之間的靜電排斥力減小,從而加劇膜污染[9-10].但是,另外一些研究者發(fā)現,隨著離子強度的增大,蛋白質膜污染幅度明顯減緩,與DLVO理論恰恰相反[4,11-12].而關于膜污染減緩的原因多是基于宏觀膜通量變化而給出的一些推測性解釋.

近來,本研究小組從微觀層面深入考察了不同Na+離子濃度下牛血清蛋白在超濾膜界面的作用過程,結果證實[7,13]，當Na+濃度達到一定值后,水合排斥力的出現削弱膜-蛋白及蛋白與蛋白之間的作用力,導致蛋白質在膜界面的吸附累積速率減緩,是引起膜污染減輕的本質原因.水合作用力是一種典型的短程排斥力[14-15],其主要是因為Na+、 K+及Mg2+等水合陽離子,導致膜及污染物表面形成特定結構的水合層,進而觸發(fā)二者之間的水合排斥力.水合排斥力的存在,可削弱膜-污染物及污染物之間的相互作用力,進而減緩膜污染.但是,目前在膜污染領域,關于水合作用的研究鮮有報道,主要是因為只有當pH、離子及固體界面性質等外界因素滿足適對的條件,才能有效觸發(fā)水合作用力.

綜上,在既往研究的基礎上,進一步探明超濾過程水合排斥力的作用行為及其關鍵控制因素,對利用水合作用減緩膜污染至關重要.本研究選用牛血清蛋白(BSA)代表水中蛋白類污染物,并采用典型一價水合陽離子Na+,通過原子力顯微鏡(AFM)結合BSA膠體探針,考察BSA不同帶電性能條件下,膜-BSA及BSA-BSA之間的作用力隨離子強度的變化特征,結合相應條件下BSA的Zeta電位,解析BSA帶電性對超濾過程水合作用力的影響機制.

1 實 驗

1.1 污染物

污染物溶液:牛血清蛋白(BSA, Sigma-Aldrich, St.Louis, Mo,Mw=6.7 ku).配置20 mg/L的BSA溶液進行試驗.通過NaOH及HCl調節(jié)BSA溶液的pH,進而控制BSA的帶電性.采用1 mol/L NaCl溶液調節(jié)BSA溶液的離子強度.

采用Zeta電位儀(ZS90Zetasizer, Malvern, England)進行各pH及離子條件下BSA分子Zeta電位的測定.

1.2 PVDF超濾膜的制備

膜材料:聚偏氟乙烯(PVDF,Solvay Advanced Polymers Co. , Solef 1015);聚乙烯吡咯烷酮(PVP K30,分析純,天津科密歐化學試劑有限公司);N,N-二甲基乙酰胺(DMAc,分析純,天津福晨化學試劑廠).

采用浸沒沉淀相轉化法制備平板PVDF超濾膜:將PVDF、PVP按照一定比例混溶于DMAc中,恒溫攪拌12 h得到均質鑄膜液,靜置脫泡后,均勻涂覆于玻璃板上,分相得到PVDF超濾膜,經充分漂洗后待用.所制備PVDF超濾膜親水性接觸角為72°,表面Zeta電位為-47 mV.

1.3 BSA污染層制備及膜通量試驗

采用死端超濾杯系統(tǒng)進行BSA污染層的制備.將平衡后的PVDF超濾膜,在0.1 MPa下持續(xù)過濾特定水質的BSA污染物溶液,至膜通量穩(wěn)定,此時膜面形成穩(wěn)定的BSA污染層.試驗結束后將污染膜置于相應污染物溶液中,待作用力測定使用.

1.4 BSA膠體探針的制備

為了實現PVDF超濾膜與BSA及BSA之間相互作用力的測試,首先制備了BSA膠體探針，方法如下:在自行搭建三維操作臺及光學顯微鏡輔助下,首先在AFM無針尖探針微懸臂自由端黏附適量環(huán)氧樹脂光學膠(Epo Tek公司),其次通過光學膠將BSA微球(3 μm, GmbH, Germany)黏附于微懸臂自由端,最后將黏附有BSA微球的探針置于4 ℃冰柜中靜置固化一周以上待用.圖1為3 μm BSA膠體探針SEM圖.

圖1 3 μm的BSA膠體探針SEM圖

1.5 微觀作用力測定

使用Multimode 8.0原子力顯微鏡(AFM, Bruker, Germany)結合自行制備BSA膠體探針,定量測量特定pH及離子條件下PVDF超濾膜-BSA以及BSA-BSA之間的作用力.

AFM作用力測定:首先將BSA膠體探針安裝于AFM作用力測試系統(tǒng)中,并在“接觸”模式和相應的液體環(huán)境下校正其靈敏度與彈性系數;其后將樣品(干凈的PVDF超濾膜或者BSA污染層)固定于作用力測試系統(tǒng)中,用測試溶液沖洗測試回路,充滿測試液體池;隨后設定參數,在“接觸”模式和相應pH及離子條件的測試環(huán)境下進行作用力測定.為減小實驗誤差,每個樣品隨機選取10個不同測試點,每個測試點重復測試10次,剔除離奇數據后取平均值進行數據分析,作用力大小以數據絕對值表示，負號表示測量時探針向下方彎曲.膠體探針使用前后進行完整性檢測.

2 結果與討論

2.1 不同pH下BSA帶電性能隨離子強度的變化

表1為pH為3.0、4.7及9.0時,BSA的Zeta電位隨離子強度的變化特征.可以看出:在所考察的離子強度范圍內,pH為3時,BSA始終帶有正電荷；而pH為9時,BSA始終帶有負電荷；在pH為4.7,即BSA等電點,BSA帶有少量負電荷,特別是離子強度達到100 mmol/L時,BSA凈電荷量幾乎趨于0.

此外,無論是BSA帶正電、負電還是在BSA等電點,隨著離子強度的增大,BSA所帶凈電荷量都是逐漸減小.主要是因為隨著離子強度的增大,BSA溶液中抗衡離子引起的靜電屏蔽及壓縮雙電層效應逐漸增強,導致BSA表面所帶凈電荷量逐漸減小.

表1 不同pH條件下BSA表面的Zeta電位隨離子強度的變化

Tab.1 Change characters of BSA surface Zeta potential with ionic strengths under different pH conditions mV

2.2 BSA帶正電條件下膜污染微觀作用力隨離子強度的變化

首先考察了pH為3,即BSA帶正電條件下,PVDF-BSA及BSA-BSA之間的相互作用力隨離子強度的變化特征,相應典型作用力曲線見圖2.當離子強度為0、1、10及100 mmol/L時,膜通量衰減率分別為56.42%、60.05%、68.37%、81.09%.可以看出,膜通量衰減率隨離子強度的增大而增大,即膜污染隨離子強度的增大而加劇.而相應條件下PVDF-BSA 之間的平均作用力分別為12.7、12.2、12.0、10.1 mN/m, BSA-BSA之間的平均作用力分別為0.33、0.53、0.67、0.93 mN/m,由PVDF-BSA及BSA-BSA之間的相互作用力隨離子強度的變化特征可以看出:

1)針對PVDF-BSA之間的作用力,隨離子強度的增大, PVDF-BSA之間的作用力呈現逐漸減小的趨勢.這主要是因為,在pH為3.0時,BSA呈正電性,而PVDF超濾膜呈負電性,PVDF-BSA之間存在的是靜電吸引力.而靜電作用力的大小與PVDF及BSA表面所帶凈電荷量呈正比關系.隨著離子強度的增大,電荷屏蔽及壓縮雙電層效應導致PVDF及BSA所帶凈電荷量逐漸減小,相應PVDF-BSA之間的靜電吸引力逐漸減小,最終體現為PVDF-BSA之間的相互作用力隨離子強度的增大而減小.

2)針對BSA-BSA之間的作用力,隨離子強度的增大,其變化規(guī)律與PVDF-BSA之間作用力的變化恰好相反,即BSA-BSA之間作用力隨離子強度的增大而增大.同樣是由靜電作用力的變化引起.隨離子強度的增大,削弱了BSA-BSA之間的靜電排斥力,進而導致BSA-BSA之間的綜合作用力隨離子強度的增大而增大,膜污染隨離子強度的增大而加劇.

3)綜上,當BSA帶正電荷時,隨著離子強度的增大,膜污染加劇,PVDF-BSA及BSA-BSA之間的作用力完全遵循DLVO理論,即靜電作用力的變化是控制膜污染微觀作用力的主導作用,并無水合現象出現.這是因為BSA在正電條件下,其表面吸附的是陰離子Cl-,而Cl-離子無水合性能,BSA表面并不能形成特定結構的水合層,因此，并不能觸發(fā)水合作用力.

圖2 BSA帶正電條件下PVDF-BSA及BSA-BSA之間的典型作用力曲線隨離子強度的變化

Fig.2 Representative normalized interaction forces versus characteristics of PVDF-BSA and BSA-BSA at different ionic strengths and positive charge of BSA

2.3 BSA在等電點條件下膜污染微觀作用力隨離子強度的變化

在BSA等電點,不同離子強度下PVDF-BSA及BSA-BSA之間典型作用力曲線見圖3.當離子強度為0、1、10及100 mmol/L時,PVDF-BSA 之間的平均作用力分別為3.2、3.4 、2.3、1.3 mN/m, BSA-BSA之間的平均作用力分別為4.2 、7.1、4.9、0.9 mN/m,膜通量衰減率分別為87.62%、92.06%、85.46%、77.88%.顯然,在BSA等電點,無論是PVDF-BSA、BSA-BSA之間作用力,還是膜通量衰減率,隨離子強度的增大皆呈現先增大后減小的趨勢,該現象并不能采用DLVO理論解釋.

當離子強度為0～1 mmol/L內時,PVDF-BSA與BSA-BSA之間的作用力及膜通量衰減率均隨離子強度的增大而增大.這與pH為3條件下,膜污染微觀作用力隨離子強度的變化特征相似.這主要是因為在BSA等電點,PVDF超濾膜表面仍然帶負電荷,而BSA表面帶有少量負電荷,隨著離子強度從0增大到1 mmol/L,電荷屏蔽作用導致PVDF-BSA及BSA-BSA間靜電排斥力減小,而PVDF及BSA表面水合Na+的吸附累積量較少,并不能觀測到水合作用力,最終致使PVDF-BSA及BSA-BSA之間作用力增大, 膜污染加劇.

隨著離子強度繼續(xù)從1增加到10及100 mmol/L,PVDF-BSA與BSA-BSA之間的作用力及膜通量衰減率卻隨離子強度的增大而逐漸減小.而此時BSA凈電荷量逐漸趨于0,即PVDF-BSA及BSA之間的靜電作用力幾乎可忽略.但是,隨著離子強度增加,PVDF超濾膜及BSA表面吸附累積的水合Na+離子量逐漸增大,有效觸發(fā)了水合作用力[16-18],進而削弱了PVDF-BSA及BSA-BSA之間的作用力,減緩膜污染.

綜上, 在BSA等電點,靜電作用力及水合排斥力皆是控制膜污染微觀作用力的主要因素.較低離子強度條件下,靜電作用力的變化仍然是控制PVDF-BSA及BSA-BSA之間相互作用力的主導因素.當離子強度大于1 mmol/L后,由于水合Na+離子在PVDF超濾膜及BSA表面的不斷吸附累積,有效觸發(fā)了水合作用力,從而削弱PVDF-BSA及BSA-BSA之間的相互作用力,減緩膜污染.

圖3 BSA電中性條件下PVDF-BSA及BSA-BSA之間的典型作用力曲線隨離子強度的變化

Fig.3 Representative normalized interaction forces versus characteristics of PVDF-BSA and BSA-BSA at different ionic strengths and neutral charge of BSA

2.4 BSA帶負電條件下膜污染微觀作用力隨離子強度的變化

當pH為9.0,即BSA帶負電荷時,離子強度為0、1、10及100 mmol/L條件下,膜通量衰減率分別為41.36%、55.88%、61.31%、46.23%.相應離子條件下PVDF-BSA之間的平均作用力分別為1.1、1.7、2.3、1.1 mN/m, BSA-BSA之間的的平均作用力分別為0.10、0.11、0.34、0.21 mN/m,相應的典型作用力曲線如圖4所示.

不難發(fā)現,與pH4.7時的作用力及膜通量衰減率變化特征相似,pH為9時,PVDF-BSA與BSA-BSA之間作用力及通量衰減率隨離子強度的增大亦呈現先增大后減小的趨勢.說明在此條件下亦有效觸發(fā)了水合作用力.這也是因為,在pH為9時,BSA及PVDF表面皆帶負電荷,隨著離子強度的增大,二者表面吸附累積大量的水合Na+離子,進而觸發(fā)了水合作用力,減緩膜污染.

此外,結合圖3發(fā)現,在pH 4.7時,當離子強度達到10 mmol/L,膜污染微觀作用力明顯減小.但是pH為9時,離子強度達到100 mmol/L時,才能觀察到PVDF-BSA及BSA-BSA間作用力的減小.說明BSA所帶負電荷越多,反而越不易觀察到水合作用力.這可能是因為在相同的離子強度變化范圍內,當pH為9時,膜面及BSA表面所帶凈電荷量大幅度減小,相應靜電作用力的變化幅度較大,所以,需要更強的水合作用力來掩蓋靜電力的變化量.

圖4 BSA帶負電性條件下PVDF-BSA及BSA-BSA之間的典型作用力曲線隨離子強度的變化

Fig.4 Representative normalized interaction forces versus characteristics of PVDF-BSA and BSA-BSA at different ionic strengths and negative charge of BSA

3 結 論

1)在超濾過程中,當pH及離子強度滿足一定條件,水合離子大量吸附于蛋白質及超濾膜表面，形成特定水合層,有效地觸發(fā)了水合排斥力,水合排斥力可減弱膜-蛋白質及蛋白質-蛋白質之間的吸引力,減緩膜污染.

2)BSA帶正電性條件下膜污染微觀作用力測定結果表明:當pH為3.0時,BSA帶正電性,而PVDF膜帶負電性,膜-BSA之間的作用力隨著離子強度的增大而減小,BSA-BSA之間的作用力隨著離子強度的增大而增大,完全遵循DLVO理論,此時靜電作用力是主導因素,無水合作用力.

3)當BSA呈電中性或電負性時,PVDF膜表面呈負電性，二者表面均吸附水合陽離子,當離子強度達到一定值時,由水合陽離子觸發(fā)的水合排斥力將掩蓋部分膜-BSA及BSA-BSA之間的吸引力,有效削弱膜-BSA及BSA-BSA之間的作用力,且在BSA等電點更容易觀察到水合作用現象.BSA帶電性能及其離子強度是超濾過程中控制水合作用的關鍵因素.

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(編輯 劉 彤)

Effect mechanism of protein electrical property to hydration in ultrafiltration

DENG Dongxu, WANG Lei, LI Xingfei, LI Songshan, ZHU Miao

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

To analyze the effect of protein electrical property to hydration in ultrafiltration, the characteristics of the interaction forces of PVDF- BSA and BSA-BSA ( Bovine Serum Albumin ) changing with different ionic strengths were separately investigated, as BSA was positively, neutrally and negatively charged. In accordance with the potential variation of Zeta, the mechanism of how the protein electrical property affected hydration was illustrated. When BSA was positively charged, the interaction force increased with the increase of ionic strength, mainly due to that the positively charged BSA could not trigger hydration, and electrostatic force was the main factor controlling membrane fouling. When BSA was neutrally and negatively charged, a large number of hydrated cations adsorbed and accumulated on membrane surfaces of BSA and PVDF, and the increase of the ionic strength would trigger the repelling force of PVDF-BSA and BSA-BSA, and hence the membrane fouling was reduced remarkably. In addition, the hydration phenomenon was more easily observed in BSA isoelectric point.

membrane fouling;bovineserum albumin; electrical property; atomic force microscope; hydration forces

10.11918/j.issn.0367-6234.201608035

2016-08-18

國家自然科學基金(51278408);中國博士后科學基金(2015M580820, 2016T90895);陜西省自然科學基金(2016JQ5067);陜西省教育廳計劃項目(16JS062);陜西省高?？茀f(xié)青年人才托舉計劃(20160220)

鄧東旭(1991—),男,碩士研究生; 王 磊(1971—),男,教授,博士生導師

王 磊,wl0178@126.com

X703.1

A

0367-6234(2017)08-0078-05