鄧東旭,王 磊,李興飛,李松山,朱 苗

(西安建筑科技大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院,西安 710055)

超濾過程中蛋白質(zhì)帶電性對水合作用的影響機(jī)制

鄧東旭,王 磊,李興飛,李松山,朱 苗

(西安建筑科技大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院,西安 710055)

為解析超濾過程蛋白質(zhì)帶電性能對水合作用力的影響機(jī)制，在牛血清蛋白(BSA)帶正電、中性及負(fù)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(qiáng)度的變化特征,結(jié)合相應(yīng)條件下BSA的Zeta電位變化特征,探討超濾過程蛋白質(zhì)帶電性能對水合作用力的影響機(jī)制.結(jié)果證實(shí)BSA帶電性能是影響水合作用力的關(guān)鍵因素.在BSA帶正電條件下,作用力隨離子強(qiáng)度的增大而增大,主要是因?yàn)锽SA帶正電時(shí)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(fù)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(qiáng)度的增大,有效觸發(fā)PVDF-BSA及BSA-BSA之間的水合排斥力,進(jìn)而大幅度減緩膜污染;且在BSA等電點(diǎn)更容易觀察到水合作用現(xiàn)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(jīng)廣泛應(yīng)用于污水處理和深度資源化回用領(lǐng)域[1-4],但膜污染仍然是限制膜分離技術(shù)在水處理領(lǐng)域推廣應(yīng)用的主要因素[5-6].而廢水中大量存在的蛋白質(zhì)是引起膜污染的主要物質(zhì)之一[7-8].蛋白質(zhì)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(jī)陽離子是影響其膜污染的主導(dǎo)因素之一.但是,既往關(guān)于無機(jī)陽離子對蛋白質(zhì)膜污染影響的研究,并沒有得到統(tǒng)一的認(rèn)識或結(jié)論.多數(shù)結(jié)果表明,蛋白質(zhì)污染隨離子強(qiáng)度增加而加劇.主要通過DLVO理論解釋此現(xiàn)象.即隨著離子含量增加,膜-蛋白質(zhì)及蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)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(xiàn),隨著離子強(qiáng)度的增大,蛋白質(zhì)膜污染幅度明顯減緩,與DLVO理論恰恰相反[4,11-12].而關(guān)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(jié)果證實(shí)[7,13]，當(dāng)Na+濃度達(dá)到一定值后,水合排斥力的出現(xiàn)削弱膜-蛋白及蛋白與蛋白之間的作用力,導(dǎo)致蛋白質(zhì)在膜界面的吸附累積速率減緩,是引起膜污染減輕的本質(zhì)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?yàn)镹a+、 K+及Mg2+等水合陽離子,導(dǎo)致膜及污染物表面形成特定結(jié)構(gòu)的水合層,進(jìn)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(jìn)而減緩膜污染.但是,目前在膜污染領(lǐng)域,關(guān)于水合作用的研究鮮有報(bào)道,主要是因?yàn)橹挥挟?dāng)pH、離子及固體界面性質(zhì)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(chǔ)上,進(jìn)一步探明超濾過程水合排斥力的作用行為及其關(guān)鍵控制因素,對利用水合作用減緩膜污染至關(guān)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(jià)水合陽離子Na+,通過原子力顯微鏡(AFM)結(jié)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(qiáng)度的變化特征,結(jié)合相應(yīng)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(jī)制.

1 實(shí) 驗(yàn)

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(jìn)行試驗(yàn).通過NaOH及HCl調(diào)節(jié)BSA溶液的pH,進(jìn)而控制BSA的帶電性.采用1 mol/L NaCl溶液調(diào)節(jié)BSA溶液的離子強(qiáng)度.

采用Zeta電位儀(ZS90Zetasizer, Malvern, England)進(jìn)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(xué)試劑有限公司);N,N-二甲基乙酰胺(DMAc,分析純,天津福晨化學(xué)試劑廠).

采用浸沒沉淀相轉(zhuǎn)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?cái)嚢?2 h得到均質(zhì)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(jīng)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(yàn)

采用死端超濾杯系統(tǒng)進(jìn)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(zhì)的BSA污染物溶液,至膜通量穩(wěn)定,此時(shí)膜面形成穩(wěn)定的BSA污染層.試驗(yàn)結(jié)束后將污染膜置于相應(yīng)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(shí)現(xiàn)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(xué)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(xué)膠(Epo Tek公司),其次通過光學(xué)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(jié)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(yīng)的液體環(huán)境下校正其靈敏度與彈性系數(shù);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(shè)定參數(shù),在“接觸”模式和相應(yīng)pH及離子條件的測試環(huán)境下進(jìn)行作用力測定.為減小實(shí)驗(yàn)誤差,每個(gè)樣品隨機(jī)選取10個(gè)不同測試點(diǎn),每個(gè)測試點(diǎn)重復(fù)測試10次,剔除離奇數(shù)據(jù)后取平均值進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,作用力大小以數(shù)據(jù)絕對值表示，負(fù)號表示測量時(shí)探針向下方彎曲.膠體探針使用前后進(jìn)行完整性檢測.

2 結(jié)果與討論

2.1 不同pH下BSA帶電性能隨離子強(qiáng)度的變化

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

此外,無論是BSA帶正電、負(fù)電還是在BSA等電點(diǎn),隨著離子強(qiáng)度的增大,BSA所帶凈電荷量都是逐漸減小.主要是因?yàn)殡S著離子強(qiáng)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(yīng)逐漸增強(qiáng),導(dǎo)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度的變化特征,相應(yīng)典型作用力曲線見圖2.當(dāng)離子強(qiáng)度為0、1、10及100 mmol/L時(shí),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(qiáng)度的增大而增大,即膜污染隨離子強(qiáng)度的增大而加劇.而相應(yīng)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(qiáng)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(qiáng)度的增大, PVDF-BSA之間的作用力呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢.這主要是因?yàn)?在pH為3.0時(shí),BSA呈正電性,而PVDF超濾膜呈負(fù)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(guān)系.隨著離子強(qiáng)度的增大,電荷屏蔽及壓縮雙電層效應(yīng)導(dǎo)致PVDF及BSA所帶凈電荷量逐漸減小,相應(yīng)PVDF-BSA之間的靜電吸引力逐漸減小,最終體現(xiàn)為PVDF-BSA之間的相互作用力隨離子強(qiáng)度的增大而減小.

2)針對BSA-BSA之間的作用力,隨離子強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度的增大,削弱了BSA-BSA之間的靜電排斥力,進(jìn)而導(dǎo)致BSA-BSA之間的綜合作用力隨離子強(qiáng)度的增大而增大,膜污染隨離子強(qiáng)度的增大而加劇.

3)綜上,當(dāng)BSA帶正電荷時(shí),隨著離子強(qiáng)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(dǎo)作用,并無水合現(xiàn)象出現(xiàn).這是因?yàn)锽SA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(jié)構(gòu)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(qiáng)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(diǎn)條件下膜污染微觀作用力隨離子強(qiáng)度的變化

在BSA等電點(diǎn),不同離子強(qiáng)度下PVDF-BSA及BSA-BSA之間典型作用力曲線見圖3.當(dāng)離子強(qiáng)度為0、1、10及100 mmol/L時(shí),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(diǎn),無論是PVDF-BSA、BSA-BSA之間作用力,還是膜通量衰減率,隨離子強(qiáng)度的增大皆呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,該現(xiàn)象并不能采用DLVO理論解釋.

當(dāng)離子強(qiáng)度為0～1 mmol/L內(nèi)時(shí),PVDF-BSA與BSA-BSA之間的作用力及膜通量衰減率均隨離子強(qiáng)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(qiáng)度的變化特征相似.這主要是因?yàn)樵贐SA等電點(diǎn),PVDF超濾膜表面仍然帶負(fù)電荷,而BSA表面帶有少量負(fù)電荷,隨著離子強(qiáng)度從0增大到1 mmol/L,電荷屏蔽作用導(dǎo)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(qiáng)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(qiáng)度的增大而逐漸減小.而此時(shí)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(qiáng)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(jìn)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(diǎn),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(qiáng)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(dǎo)因素.當(dāng)離子強(qiáng)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(qiáng)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(fù)電條件下膜污染微觀作用力隨離子強(qiáng)度的變化

當(dāng)pH為9.0,即BSA帶負(fù)電荷時(shí),離子強(qiáng)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(yīng)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(yīng)的典型作用力曲線如圖4所示.

不難發(fā)現(xiàn),與pH4.7時(shí)的作用力及膜通量衰減率變化特征相似,pH為9時(shí),PVDF-BSA與BSA-BSA之間作用力及通量衰減率隨離子強(qiáng)度的增大亦呈現(xiàn)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?yàn)?在pH為9時(shí),BSA及PVDF表面皆帶負(fù)電荷,隨著離子強(qiáng)度的增大,二者表面吸附累積大量的水合Na+離子,進(jìn)而觸發(fā)了水合作用力,減緩膜污染.

此外,結(jié)合圖3發(fā)現(xiàn),在pH 4.7時(shí),當(dāng)離子強(qiáng)度達(dá)到10 mmol/L,膜污染微觀作用力明顯減小.但是pH為9時(shí),離子強(qiáng)度達(dá)到100 mmol/L時(shí),才能觀察到PVDF-BSA及BSA-BSA間作用力的減小.說明BSA所帶負(fù)電荷越多,反而越不易觀察到水合作用力.這可能是因?yàn)樵谙嗤碾x子強(qiáng)度變化范圍內(nèi),當(dāng)pH為9時(shí),膜面及BSA表面所帶凈電荷量大幅度減小,相應(yīng)靜電作用力的變化幅度較大,所以,需要更強(qiáng)的水合作用力來掩蓋靜電力的變化量.

圖4 BSA帶負(fù)電性條件下PVDF-BSA及BSA-BSA之間的典型作用力曲線隨離子強(qiáng)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(jié) 論

1)在超濾過程中,當(dāng)pH及離子強(qiáng)度滿足一定條件,水合離子大量吸附于蛋白質(zhì)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(zhì)及蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)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(jié)果表明:當(dāng)pH為3.0時(shí),BSA帶正電性,而PVDF膜帶負(fù)電性,膜-BSA之間的作用力隨著離子強(qiáng)度的增大而減小,BSA-BSA之間的作用力隨著離子強(qiáng)度的增大而增大,完全遵循DLVO理論,此時(shí)靜電作用力是主導(dǎo)因素,無水合作用力.

3)當(dāng)BSA呈電中性或電負(fù)性時(shí),PVDF膜表面呈負(fù)電性，二者表面均吸附水合陽離子,當(dāng)離子強(qiáng)度達(dá)到一定值時(shí),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(diǎn)更容易觀察到水合作用現(xiàn)象.BSA帶電性能及其離子強(qiáng)度是超濾過程中控制水合作用的關(guān)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(xué)基金(51278408);中國博士后科學(xué)基金(2015M580820, 2016T90895);陜西省自然科學(xué)基金(2016JQ5067);陜西省教育廳計(jì)劃項(xiàng)目(16JS062);陜西省高?？茀f(xié)青年人才托舉計(jì)劃(20160220)

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

王 磊,wl0178@126.com

X703.1

A

0367-6234(2017)08-0078-05