XDLVO理论解析溶解性微生物产物微滤膜污染机制

摘要

膜污染严重限制了微滤膜的广泛应用，而溶解性微生物产物(SMP)作为一种主要污染物，在膜过滤的过程中能够造成严重的不可逆污染。用extended Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek(XDLVO)理论定量解析SMP微滤(MF)膜污染过程中的界面相互作用，探究不同溶液pH对SMP微滤膜污染的影响，以及三种界面相互作用在SMP微滤膜污染中所起的作用。
　　 研究结果表明，对海藻酸钠来说，在实验所涉及到的pH范围内，三种界面自由能中，在粘附阶段和粘聚阶段，极性力界面自由能(△GAB)都起主导作用，决定总界面自由能的正负性质。范德华力界面自由能(△GLW)绝对值较小，静电力界面自由能(△GEL)绝对值最小，对膜污染影响微弱。所以，可推断△GAB的改变对pH影响系统界面自由能起主导作用。疏水性的聚偏氟乙烯(PVDF)膜与海藻酸钠之间的作用是引力作用，而亲水性的聚醚砜(PES)膜与海藻酸钠之间的作用是斥力作用，从而导致了物理清洗中PES膜的阻力去除率高于PVDF膜。
　　 pH主要通过改变极性作用力自由能影响微滤膜的海藻酸钠污染行为，对同一种膜，在粘附阶段，随pH值升高，占主导作用的极性力作用能△GADAB升高，从而使得总作用能△GADTOT升高，表现为微距作用范围内界面间的引力减弱，斥力增强。在粘聚阶段，随pH升高，藻酸钠的亲水性增强导致占主导作用的极性力作用能△GCOAB升高，藻酸钠与藻酸钠之间的粘聚作用能△GCOTOT升高。不同pH下的同一种膜的海藻酸钠过滤实验粘附阶段污染趋势(k)为pH5＞pH7＞pH8＞pH9，这与膜-海藻酸钠之间的粘附自由能(△GADTOT)有较好的相关性。粘聚自由能(△GCOTOT)则与过滤实验的粘聚阶段的膜污染趋势有较好的相关性。粘附自由能为引力的PVDF膜的不可逆污染更为严重，而且不可逆污染主要发生在粘附阶段。这说明XDLVO理论可以预测微滤膜的海藻酸钠污染趋势。
　　 对BSA来说在实验所涉及到的pH范围内，三种界面自由能中，在粘附阶段和粘聚阶段，极性力都起主导作用，决定总界面自由能的正负性质。范德华力界面自由能绝对值较小，静电力界面自由能绝对值最小，对膜污染影响微弱。所以，可推断极性力作用能的改变对pH影响系统界面自由能起主导作用。pH主要通过改变极性作用力自由能影响微滤膜的BSA污染行为，对同一种膜，在粘附阶段，在不同的溶液pH条件下，占主导作用的极性力作用能△GADAB变化规律为pH10＞pH7＞pH3＞pH4.7，从而使得总作用能△GADTOT也具有相同的变化规律，表现为微距作用范围内pH4.7时界面间的引力最强，斥力最弱，pH10时界面间的引力减弱，斥力增强。在粘聚阶段，BSA的亲水性随pH的变化导致占主导作用的极性力作用能△GCOAB的变化规律为pH10＞pH7＞pH3＞ pH4.7，当pH4.7时，△GCOAB最低，BSA与BSA之间的粘聚作用能△GCOTOT也最低。根据粘附自由能和粘聚自由能预测的膜污染趋势分别与过滤实验的粘附阶段和粘聚阶段的膜污染趋势有较好的相关性，这说明XDLVO理论可以预测微滤膜的BSA污染趋势。粘附自由能为引力的PVDF膜的不可逆污染更为严重，而且不可逆污染主要发生在粘附阶段。