典型阳离子对PVDF超滤膜BSA污染行为的影响研究

摘要

本研究选用牛血清蛋白(BSA)代表蛋白质类有机膜污染物，以氯化锂、氯化钠、氯化钾、氯化钙这四种氯化物溶液控制污染液中的离子强度，分别代表水中广泛存在的一价、二价的阳离子，通过耗散型石英晶体微天平结合自制的聚偏氟乙烯(PVDF)芯片，考察高离子强度条件下，蛋白质类有机物(BSA)在PVDF膜界面的微观吸附过程及吸附层结构特征，结合宏观膜污染试验及微观作用力的测定结果，评价典型阳离子对BSA膜污染过程的控制机理，且进一步探明阳离子水合特性对膜污染的影响机制。主要研究结论如下：
　　(1)与离子强度为0mM时相比，离子强度为100mM时，无论是一价Li+、Na+、K+离子还是二价Ca2+离子的存在，皆可有效触发PVDF-BSA及BSA-BSA之间的水合排斥力，进而减缓BSA在PVDF膜面的吸附累积速率，形成松散的BSA吸附层，伴随着相应膜污染减缓。这是因为Li+、Na+、K+、Ca2+皆是典型的水合阳离子，其会通过静电作用不断吸附累积在带负电的BSA分子及PVDF膜表面，致使BSA分子及PVDF膜面形成特定结构的水分子层，进而有效触发了PVDF-BSA及BSA-BSA之间的水合排斥力，致使BSA在PVDF表面的吸附速率及吸附量减小，并形成松散柔软的BSA吸附层，最终引起膜污染的明显减小。
　　(2)针对带电荷量相等的一价阳离子Li+、Na+、K+，在相同的离子强度条件下（100mM），Li+、Na+及K+三种阳离子对应的BSA污染膜通量衰减速分别为52％，58%和62%，无离子添加时膜通量衰减率为85%。显然，虽然三种离子达到一定浓度后皆可减缓膜污染，但是其对BSA的减缓能力并不相同。在相同的运行时间内，Li+对膜污染的减缓能力最强，K+的减缓能力最弱。主要是因为三种离子的水合半径差异所致。相对而言，Li+离子半径最小，其表面电荷密度最大，水分子与其结合能力最强，所以Li+条件下触发的水合排斥最大，导致BSA在膜面的吸附累积速率较慢，且BSA污染层较为松散，伴随着膜污染幅度的最小。相反，K+离子半径最大，其表面电荷密度的最小，与水分子的结合能力最弱，所以其所触发的水合排斥力最小，相对应对BSA膜污染的削弱能力最小。说明，带电荷相同的阳离子，半径越小，其越容易触发水合作用力。
　　(3)进一步考察了半径相当的K+及Ca2+离子对膜污染行为的影响，结果发现，当离子强度达到100mM时，在相同的运行时间内，K+、Ca2+离子对应的BSA污染膜通量衰减率分别为62%和48%。显然，二价Ca2+离子对BSA的减缓能力明显大于一价的K+离子。同样是因为二者的水合能力差异所致。K+与Ca2+离子虽然半径相同，但是所带电荷明显不同。相比较K+离子，Ca2+离子表面的电荷密度较大。与水分子的结合能力较强，所以触发的水合排斥力越强，导致Ca2+条件下，对BSA在膜面的吸附累积速率较慢，且膜面形成松散的BSA污染层，膜不可逆污染最小。综上说明，尺寸相同的水合离子，电荷量高的更容易触发水合作用力。

目录

声明

1 绪论

1.1 超滤技术简介

1.2 超滤膜蛋白质污染

1.3 离子水合作用的研究进展及成果

1.4 课题研究内容及目标

2 实验材料及分析技术

2.1 PVDF超滤膜的制备及性能评价

2.2 PVDF超滤膜污染及清洗试验

2.3 QCM-D分析技术

2.4 微观作用力的测定

3 典型一价阳离子对PVDF超滤膜BSA污染行为分析

3.1 典型一价阳离子作用下PVDF膜面及BSA带电性能分析

3.2 宏观膜污染通量变化情况分析

3.3 BSA在PVDF膜面吸附行为及吸附层结构

3.4 微观作用力分析

3.5 污染膜通量恢复性能及TOC去除分析

3.6 本章小结

4 典型二价阳离子Ca2+对PVDF超滤膜BSA污染行为分析

4.1 钙离子作用下PVDF膜面及BSA带电性能分析

4.2 宏观膜污染通量变化情况分析

4.3 BSA在PVDF膜面吸附行为及污染层结构

4.4 离子强度影响下BSA污染超滤膜的通量恢复性能分析

4.5 水合阳离子K+、Ca2+影响膜污染行为机理对比分析

4.6 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

附录 攻读硕士期间发表的论文