离子强度对不同电性蛋白质超滤膜污染行为的影响机制研究

摘要

超滤技术被广泛应用于污水处理与回用领域，但是，在实际运行过程中，待处理水中溶解性有机物引起的膜污染问题是限制其高效低耗运行的主要屏障，而废水中存在的大量蛋白质类有机物是一类典型的膜污染物质，因此，探明蛋白质类有机物的污染机制对膜污染控制至关重要。　　本文选用牛血清蛋白（BSA）代表水中蛋白类污染物，分别在BSA带正电、负电及电中性条件下，考察超滤膜-BSA及BSA-BSA之间的相互作用力随离子强度的变化特征，结合相应条件下BSA在PVDF超滤膜面的吸附行为及吸附层结构特征、宏观超滤膜过滤试验、膜通量恢复试验与BSA去除率的变化特征，解析不同离子强度对不同电性蛋白质的超滤膜污染行为的影响特征。主要成果如下：　　（1）在本课题组以往的研究基础上，成功制备微米级的BSA胶体探针，并验证了所制备BSA胶体探针的实用性。通过原子力显微镜（AFM）结合BSA胶体探针，实现了各种水质条件下PVDF超滤膜与BSA及BSA与BSA之间相互作用力的定量测定，为解析离子强度对蛋白质污染微观作用机制提供了技术支持。　　（2）首先考察了pH=3.0，即BSA带正电条件下，BSA对PVDF超滤膜的污染行为。结果发现，当离子强度从0增大到100mmol/L时，BSA膜污染速率及污染幅度逐渐增大，主要是因为静电作用力的变化是控制BSA膜污染行为的主导因素。PVDF-BSA之间的静电吸引力导致BSA快速覆盖超滤膜表面，进而BSA-BSA之间的相互作用力成为控制膜污染的主要因素。而随着离子强度的持续增大，BSA-BSA之间的静电排斥力逐渐减小，导致BSA在PVDF超滤膜面的吸附累积速率加剧，膜表面形成越来越密实的BSA污染层，且膜污染速率也逐渐增大，完全遵循DLVO理论。　　（3）在pH=4.7，即BSA等电点时，当离子强度从0增大到1mmol/L时，膜污染速率及污染幅度随着离子强度的增大而增大；但是，当离子强度从1增大到100mmol/L时，膜污染速率及污染幅度随着离子强度的增大而减小。这主要是因为，在离子强度较低条件下，静电作用力是控制膜污染的主要因素。但是，当离子强度继续增大，BSA及膜表面会累积大量的水合阳离子，有效触发了PVDF-BSA及BSA-BSA间的水合排斥力，不但降低了BSA在膜面的吸附累积，且膜面形成松散多孔的BSA污染层，最终引起膜污染的减缓。　　（4）在pH=9.0，BSA带负电条件下，当离子强度从0增大到10mmol/L时，BSA引起的膜污染速率随着离子强度的增大而增大；但是，当离子强度达到100mmmol/L时，对应的膜污染速率及污染幅度开始明显减小。这与BSA等电点时相似，主要是因为在较低的离子强度条件下，静电作用力的变化是控制膜污染的主要因素，而离子强度达到一定值后，水合排斥力的出现，成为影响膜污染的主要因素。但是，与BSA等电点时相比较，BSA带负电情况下，似乎更不容易触发水合作用力。

目录

1绪论

1.1超滤技术在水处理领域中的概述

1.2超滤膜污染研究现状

1.3超滤膜蛋白质污染研究动态

1.4研究内容、研究目标及技术路线

1.4课题资助

2实验材料及研究方法

2.1实验材料与药剂

2.2 PVDF超滤膜的制备及其性能表征

2.3 PVDF超滤膜过滤试验及水质分析技术

2.4 AFM微观作用力测试技术

2.5蛋白质在超滤膜界面的吸附行为及污染层结构评价技术

3带正电BSA在超滤膜界面作用过程随离子强度的变化特征

3.1 pH 3.0条件下BSA带点性能随离子强度的变化特征

3.2 BSA带正电条件下超滤膜通量随离子强度的变化特征

3.3正电性BSA在PVDF超滤膜表面的吸附行为及污染层结构随离子强度的变化特征

3.4 BSA带正电条件膜污染微观作用力随离子强度的变化特征

3.5 BSA带正电条件下膜通量恢复效果及BSA去除率随离子强度的变化特征

3.6本章小结

4 在等电点条件下BSA在超滤膜界面微观作用随离子强度的变化特征

4.1 pH 4.7条件下BSA带点性能随离子强度的变化特征

4.2 BSA在等电点条件下超滤膜通量随离子强度的变化特征

4.3电中性BSA在PVDF超滤膜表面的吸附行为及污染层结构随离子强度的变化特征

4.4 BSA在等电点条件膜污染微观作用力随离子强度的变化特征

4.5 BSA在等电点条件下膜通量恢复效果及BSA去除率随离子强度的变化特征

4.6本章小结

5带负电BSA在超滤膜界面作用过程随离子强度的变化特征

5.1 pH 9.0条件下BSA带点性能随离子强度的变化特征

5.2 BSA带负电条件下超滤膜通量随离子强度的变化特征

5.3负电性BSA在PVDF超滤膜表面的吸附行为及污染层结构随离子强度的变化特征

5.4 BSA带负电条件膜污染微观作用力随离子强度的变化特征

5.5 BSA带负电条件下膜通量恢复效果及BSA去除率随离子强度的变化特征

5.6本章小结

6结论与展望

6.1本文结论

6.2展望

致谢

参考文献

附录 攻读硕士期间发表的论文及专利