趙 斌，楊 鑫，洪劍鵬，黃 昕，王 亮

（1.天津工業(yè)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300387；2.天津工業(yè)大學(xué) 省部共建分離膜與膜過程國家重點(diǎn)實驗室，天津 300387）

膜污染是超濾（UF）水處理技術(shù)中不可避免的問題[1-4]，表現(xiàn)為運(yùn)行通量下降和操作壓力上升。嚴(yán)重的膜污染需要進(jìn)行頻繁的清洗，不僅降低系統(tǒng)的處理能力，還會縮短膜組件的使用壽命。因此，對于膜污染機(jī)制及防控方法的研究一直受到研究者的關(guān)注。對膜污染層結(jié)構(gòu)、形貌和成分的表征為深入了解和研究膜污染提供了重要信息，其中常用的方法有掃描電子顯微鏡（SEM）、原子力顯微鏡（AFM）、傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）等，但這些技術(shù)僅能探測到膜表面的污染情況。

激光共聚焦顯微鏡（CLSM）是一種可實現(xiàn)三維重建的高分辨率光學(xué)顯微鏡，可用于細(xì)胞成分分析、形態(tài)定位、結(jié)構(gòu)重組、動態(tài)變化等生物和醫(yī)學(xué)方面的研究[5-7]。在環(huán)境領(lǐng)域，CLSM與原位熒光雜交技術(shù)（FISH）結(jié)合為研究生物膜反應(yīng)器中微生物群體間的空間結(jié)構(gòu)關(guān)系提供了有力的手段[8-10]。近年來，通過CLSM對膜污染層進(jìn)行可視化表征為膜污染形成機(jī)理研究提供了直觀的證據(jù)[11-12]。本研究以牛血清蛋白（BSA）為模型污染物，對其進(jìn)行異硫氰酸熒光素（FITC）標(biāo)記后，以CLSM觀測過濾過程中BSA在聚偏氟乙烯（PVDF）中空纖維超濾膜中的空間分布規(guī)律，并考察過濾通量對該分布的影響，進(jìn)而建立BSA空間分布與膜通量和膜污染的內(nèi)在聯(lián)系。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗材料

BSA、FITC、二甲基亞砜（DMSO）、鹽酸多巴胺，上海阿拉丁生化科技股份有限公司產(chǎn)品；PVDF中空纖維超濾膜，天津膜天膜科技股份有限公司產(chǎn)品。PVDF中空纖維膜主要參數(shù)為內(nèi)徑0.6 mm，外徑1.1 mm，平均孔徑0.2 μm，接觸角57°，表面粗糙度260 nm。

1.2 實驗方法

1.2.1 FITC標(biāo)記BSA

將FITC溶解于DMSO中，BSA溶解于Na2CO3/NaHCO3緩沖溶液（pH=9）中。將FITC逐滴加入到BSA中，于4℃下避光反應(yīng)6 h，并以14 ku透析袋透析24 h。純化后的BSA-FITC溶解于K2HPO4/KH2PO4緩沖溶液（pH=9）中作為原料液備用。

1.2.2 多巴胺改性PVDF中空纖維膜

將多巴胺加入到Tris-HCl緩沖液（pH=8.8）中，分別采用浸泡和過濾2種方式對PVDF中空纖維膜進(jìn)行親水改性[13]。前者將膜組件浸泡于多巴胺溶液60 min；后者將膜組件浸泡在多巴胺溶液并利用蠕動泵循環(huán)抽濾60 min。改性后的膜組件在乙醇中浸泡20 min后，浸泡于去離子水中備用。

1.2.3 過濾實驗

浸沒式過濾裝置由過濾容器、膜組件、攪拌裝置、壓力計、蠕動泵和在線質(zhì)量記錄系統(tǒng)組成。過濾容器用鋁箔紙包裹避光。以恒流量模式過濾BSA或BSAFITC溶液，記錄跨膜壓差（TMP）的變化。

1.3 分析方法

1.3.1 膜阻力分析

膜過濾總阻力Rt（m-1）由膜固有阻力Rm（m-1）、水力清洗可逆阻力Rr（m-1）和水力清洗不可逆阻力Rirr（m-1）3部分構(gòu)成，分別由式（1）、（2）和（3）計算。以去離子水對污染膜進(jìn)行反洗，反洗通量為240 L/（m2·h），清洗時間為5 min。

式中：ΔP為跨膜壓差（Pa）；μ為20℃下水的粘度系數(shù)（Pa·s）；J0、J1和J2分別為TMP=20 kPa時測得的新膜、污染膜反洗后和反洗前的純水通量（L·m-2·h-1）。

1.3.2 CLSM測試

污染后的膜表面及斷面以CLSM（TCS SP8，Leica）進(jìn)行觀測；熒光強(qiáng)度采以Image J（NIH，Version 2x）圖像處理軟件進(jìn)行量化分析；中空纖維膜斷面樣品通過樹脂包埋法淬斷得到。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 FITC標(biāo)記對BSA過濾的影響

為實現(xiàn)CLSM對BSA污染膜的觀察，需以FITC對BSA進(jìn)行熒光標(biāo)記，因此實驗有必要考察熒光標(biāo)記對BSA膜污染行為的影響。圖1為PVDF中空纖維膜過濾BSA和BSA-FITC溶液時跨膜壓差-時間曲線。

圖1 PVDF中空纖維膜過濾BSA和BSA-FITC溶液時跨膜壓差-時間曲線Fig.1 TMP profiles for BSA and BSA-FITC filtration using PVDF hollow fiber membranes

由圖1可知，BSA熒光標(biāo)記前后在120 L/（m2·h）恒通量的模式下過濾，TMP變化曲線基本重合，表明實驗條件下FITC標(biāo)記并不會影響B(tài)SA的過濾行為。Hao等[2]也指出由于FITC相對分子質(zhì)量（389）遠(yuǎn)小于蛋白質(zhì)，因此不會改變蛋白質(zhì)在UF過程中的通量及截留效能。因此實驗以BSA-FITC代替BSA考察其在PVDF中空纖維膜中的空間分布是可行的。

由圖1可知，TMP在過濾初期迅速增長，隨著過濾時間的增加TMP增長速率減緩，最后趨于穩(wěn)定。過濾開始，疏水性的PVDF與BSA之間有較強(qiáng)的親和作用，使得BSA在膜表面及膜孔吸附，導(dǎo)致膜孔窄化甚至堵塞[14]，TMP迅速增加；隨著過濾時間的增加，膜孔窄化和堵塞加劇，BSA逐漸在膜表面累積，TMP持續(xù)上升；凝膠層形成后TMP增長趨于穩(wěn)定。

2.2 BSA在PVDF膜中的動態(tài)分布規(guī)律

圖2為不同過濾時間下PVDF中空纖維膜斷面的熒光分布情況。

圖2 過濾后PVDF中空纖維膜斷面熒光照片及熒光強(qiáng)度由內(nèi)及外的變化Fig.2 CLSM images of cross-section of PVDF hollow fiber membrane after filtrating and corresponding fluorescence intensity

由圖2可知，隨著過濾的進(jìn)行，斷面的熒光區(qū)域由膜外表層向內(nèi)層不斷擴(kuò)展，并且膜內(nèi)部的熒光強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。Wang等[15]指出水溶液中BSA的大小為7.2 nm，遠(yuǎn)小于所用中空纖維膜的膜孔尺寸，因此BSA分子能夠進(jìn)入膜孔，并在疏水作用下吸附在PVDF膜孔通道內(nèi)壁。在此情況下，膜成為BSA分子的吸附介質(zhì)，而非截留介質(zhì)。隨著時間由20 min延長至60 min，熒光強(qiáng)度值的大幅度增加。由圖2（e）可知，有大量BSA分子吸附在膜體相，但這似乎對過濾阻力（跨膜壓差）增長的貢獻(xiàn)并不顯著。0～5 min跨膜壓差的迅速增加主要由于少量團(tuán)聚的BSA所引起的膜孔窄化以及部分膜孔的堵塞。由于過濾初期該污染層極薄，在斷面的熒光照片中并不明顯。

為進(jìn)一步分析膜表面BSA的積累情況，對膜表面BSA污染層進(jìn)行了3D熒光構(gòu)建，如圖3所示。

圖3 120 L/（m2·h）下過濾BSA-FITC溶液后PVDF中空纖維膜表面3D熒光分布Fig.3 CLSM 3D image of the surface of PVDF hollow fiber membrane after filtrating at 120 L/（m2·h）

由圖3可知，過濾進(jìn)行5 min時，BSA光點(diǎn)離散地分布在膜表面，這與之前提及的初期膜孔窄化及堵塞的分析相一致。膜孔處由于流速引起的良好的傳質(zhì)環(huán)境，更有利于BSA分子與膜材料接觸，因此優(yōu)先聚集了BSA分子。隨著過濾的進(jìn)行，非孔區(qū)域在疏水作用下吸附BSA分子，BSA在膜表面的分布也由離散逐漸變?yōu)檫B續(xù)，并且污染層厚度有所增加，形成凝膠層污染，如圖3（d）所示。有研究表明BSA與膜間的親和作用，以及BSA分子間的疏水作用，能夠使其在膜表面形成具有一定厚度的凝膠污染層，并使過濾通量保持穩(wěn)定[16]。

2.3 過濾通量對PVDF中空纖維超濾膜污染的影響

圖4為不同過濾通量下PVDF中空纖維超濾膜的跨膜壓差變化和過濾阻力分布圖。圖4（a）為PVDF中空纖維超濾膜過濾5×10-5BSA溶液時的不同通量下的跨膜壓差。通常而言，過濾通量越大，跨膜壓差增長越顯著。當(dāng)過濾通量由120 L/（m2·h）提高至240 L/（m2·h）時，60 min后的穩(wěn)定TMP由17 kPa增加至33 kPa，提高約1倍。根據(jù)Darcy定律，可以判斷該過濾體系通量的升高并沒有引起過濾阻力的顯著變化。

由圖4（b）可以看出，對于平衡時過濾阻力的量化分析也表明通量對可逆阻力和不可逆阻力影響很小。上已述及，由于BSA的分子尺寸遠(yuǎn)小于PVDF超濾膜膜孔，其所形成的膜污染主要以吸附形式附著在膜孔和膜表面，污染層的厚度小。此種情況下，較高的膜面負(fù)荷不會造成大量污染物累積，較高的TMP下也不會引起污染層壓縮變形，因此可逆阻力和不可逆阻力均未發(fā)生明顯變化。

圖5為不同過濾通量下PVDF中空纖維膜斷面熒光分布情況。

圖4 不同過濾通量下PVDF中空纖維超濾膜的跨膜壓差變化和過濾阻力分布Fig.4 Effect of filtration fluxes on TMP profile and filtration resistance of PVDF hollow fiber ultrafiltration membrane

圖5 不同通量下PVDF中空纖維膜斷面熒光照片和熒光強(qiáng)度由內(nèi)及外的變化Fig.5 CLSM images of cross-section of PVDF hollow fiber membranes at different filtration fluxes and corresponding fluorescence intensity

由圖5可知，過濾5×10-5BSA 60 min后斷面附著的BSA量并未因通量的升高而發(fā)生明顯變化，這更直觀地證明了過濾阻力的分析結(jié)論。

2.4 多巴胺改性對PVDF中空纖維超濾膜污染行為的影響

對超濾膜進(jìn)行親水改性是減緩蛋白質(zhì)造成膜污染的重要手段之一[17-18]。有研究指出，多巴胺發(fā)生氧化聚合反應(yīng)，可在固體材料表面形成具有黏附性的復(fù)合層，從而提高材料表面的親水性[19-21]。本部分實驗通過對PVDF中空纖維超濾膜分別進(jìn)行浸泡改性和過濾改性，實現(xiàn)膜表面的親水化以及表面和膜孔的同時親水化，用以探討蛋白質(zhì)在膜表面和膜孔的附著對于膜污染的貢獻(xiàn)。圖6為多巴胺改性后PVDF中空纖維超濾膜的跨膜壓差和過濾阻力分布。

圖6 多巴胺改性對PVDF中空纖維超濾膜的跨膜壓差和過濾阻力分布的影響Fig.6 Effect of dopam ine modification on TMP profile and filtration resistance of PVDF hollow fiber ultrafiltration membrane

由圖6可見，2種方式得到的多巴胺改性PVDF膜均可以減緩BSA所造成的膜污染。由圖6（a）可見，過濾60 min后TMP由11 kPa逐步提高至15 kPa。由圖6（b）可見，總過濾阻力與未改性膜相比降低40%，并且主要集中在可逆阻力的減少。但兩種改性方法之間的膜污染控制差異并不明顯，可以推測膜表面附著的BSA及其聚集體對膜污染的貢獻(xiàn)具有決定意義。深入膜孔內(nèi)部的蛋白質(zhì)盡管可以吸附在膜孔內(nèi)壁，并且附著量相對于膜表面更大，但對于膜污染的貢獻(xiàn)幾乎可以忽略。由此可見，提高膜表面親水性是控制BSA污染的最有效方式。而多巴胺作為一種簡單有效的固體表面改性試劑，其在膜表面親水改性及膜污染控制方面的效果受到了廣泛的認(rèn)可。

圖7和圖8分別為多巴胺改性PVDF中空纖維膜斷面和表面的熒光照片。

圖7 多巴胺改性PVDF中空纖維膜斷面熒光照片及熒光強(qiáng)度由內(nèi)及外的變化Fig.7 CLSM images of dopam ine modified PVDF hollow fiber membranes and the corresponding fluorescence intensity

圖8 多巴胺改性PVDF中空纖維超濾膜表面3D熒光分布Fig.8 CLSM 3D images of surface of dopam ine modified PVDF hollow fiber membrane

由圖7和圖8可知；熒光強(qiáng)度的變化直觀表明多巴胺改性可以控制BSA在PVDF膜表面和膜孔內(nèi)部的附著；與浸泡改性相比，過濾改性更加有效地減少膜孔內(nèi)部的BSA附著量，但這一變化對減緩膜污染的貢獻(xiàn)甚微。

3 結(jié)論

本研究通過CLSM分析BSA在PVDF中空纖維超濾膜過濾中過濾時空分布，并由此解析BSA所導(dǎo)致的膜污染特征。得到主要結(jié)論如下：

（1）使用FITC對BSA進(jìn)行標(biāo)記并不會改變其在PVDF中空纖維超濾膜中的空間分布，可以實現(xiàn)BSA膜污染的可視化研究。

（2）BSA的分子尺寸遠(yuǎn)小于PVDF超濾膜膜孔孔徑，在過濾過程中隨水流進(jìn)入膜孔，并在與膜材料間的疏水作用下吸附在膜孔內(nèi)壁，表現(xiàn)出由表及里的BSA附著現(xiàn)象。

（3）BSA所引起的PVDF中空纖維超濾膜污染主要以吸附形式發(fā)生，污染區(qū)域僅限于膜表面和孔內(nèi)壁，污染層的厚度小，穩(wěn)定狀態(tài)受過濾通量影響并不顯著。

（4）多巴胺過濾改性PVDF中空纖維超濾膜雖然可以有效減小膜孔內(nèi)壁BSA的附著，但在膜污染控制效果方面與浸泡改性PVDF超濾膜相當(dāng)。經(jīng)改性后，膜過濾阻力大約降低40%。