超滤技术被认为是21世纪最具发展前途和潜力的水处理新技术之一^[1]. 然而膜污染问题仍是制约超滤技术广泛应用的主要障碍^[2,3]. 其中蛋白质是形成膜污染的一类主要污染物^{[4, 5, 6, 7]}，常被作为研究膜污染的典型污染物代表.

蛋白质是一种两性物质，溶液中的离子强度、pH值等均会对其分子构型和膜表面电荷等产生很大影响^[8,9]，从而决定了蛋白质在超滤膜分离过程中对膜的污染也必定是一个动态复杂的过程. 因此，研究蛋白质的超滤膜分离过程以及影响因素，能更深入解析膜污染机制，对于有效控制膜分离过程中产生的膜污染具有指导意义.

以往多位学者对蛋白质的膜污染机制进行了一定研究^{[10, 11, 12]}，但均是在宏观层面所做的解析.近年来，人们开始从微观尺度思考和探索环境微界面问题^[13,14]，AFM的使用为人们测定水中污染物与膜界面的微观相互作用力提供了方法^{[15, 16, 17]}.

本研究以牛血清蛋白(BSA)作为典型蛋白污染物，采用AFM微观作用力测定方法，解析了不同溶液pH下，BSA在PVDF超滤膜界面的膜污染行为，分析了溶液pH对BSA在特性界面PVDF超滤膜上形成污染的影响机制，以期为超滤过程的运行调控及膜污染的控制提供理论依据. 1 材料与方法 1.1 试剂

PVDF(Solef，6020，比利时苏威)； PVA(18-99，相对分子质量范围74 800~79 200，Sigma)； PVP(K30，德国BASF)； DMAc(AR)，LiCl(AR)，无水乙醇(AR)，天津科密欧； 牛血清蛋白(BSA 相对分子质量 67 000，上海蓝季)； 实验用水为电阻率15.0MΩ ·cm的去离子水. 1.2 实验用PVDF超滤膜

实验以PVDF为主材，分别添加3%的PVA和PVP，制备了2种PVDF超滤膜，依次编号为PA、PP(铸膜液组成见表 1). 超滤膜具体制备方法见文献^[18].

表 1(Table 1)

表 1 两种PVDF超滤膜的铸膜液组成 Table 1 Composition of different casting solutions for the two PVDF ultrafiltration membranes 膜编号 PVDF PVA PVP PEG LiCl DMAc PA 17 3 0 3 3 74 PP 17 0 3 0 3 78

表 1 两种PVDF超滤膜的铸膜液组成Table 1 Composition of different casting solutions for the two PVDF ultrafiltration membranes

用去离子水配制质量浓度为1 g ·L^-1的BSA原液，室温搅拌12 h后经0.45 μm滤膜过滤，储备在4℃冰箱中备用.实验时BSA溶液质量浓度稀释至20mg ·L^-1，设定BSA溶液pH分别为3、4.7和9. 1.4 实验装置

超滤实验装置采用中国科学院上海应用物理研究所生产的SCM杯式超滤系统，超滤杯有效容积为300 mL，过滤面积为33.2 cm². 压力驱动采用氮气，过滤压力为0.1 MPa，操作方式采用死端过滤，渗透通量采用电子天平连续测定. 蛋白质污染过滤周期为2 h. 膜过滤过程中开启磁力搅拌器并以恒定的转速搅拌. 为了对实验数据进行综合评价，各条件下通量采用比通量(J/J0)表示. 1.5 黏附力的测定

用Multimode 8.0 AFM及NanoScope V控制器(布鲁克，德国)结合微颗粒探针，在液体环境下采用接触模式进行膜-BSA及BSA-BSA之间微观黏附/黏聚力的测定. 本实验中微观作用力的测定是在对课题组前期PVDF微颗粒探针^[17,19]改进基础上进行的，均以与膜污染实验所用的相同溶液为液体环境，在液体池中进行作用力的测量，所用膜片均来自相应条件污染实验后的膜片. 黏附力测定采用自制PP/PA膜材料探针，其制备方法为：采用双组分环氧树脂胶(1 ∶1)将4~5 μm大小的SiO₂微球黏附无针尖探针(德国布鲁克，NP-010)的悬臂尖端，黏附完成后在加热台固化30 min(60~80℃)，然后在空气中冷却至室温，其次将相应膜材料的铸膜液(本实验中为PP或PA铸膜液)用DMAC溶剂稀释5倍，取1~2 mL滴在载玻片上，再将探针上黏附的SiO₂微球浸入稀释后铸膜液中15~20 s后抬起，将探针放入水中3~5 min进行分相成膜，然后将探针取出放入密闭的盒子中干燥后备用.

BSA-BSA之间黏聚力测定采用BSA污染物探针，其制备方法为：将所用的PP/PA膜材料微颗粒探针浸泡在与膜污染实验相同的BSA溶液中，浸泡时间为2~4 h，待用.

每次测量之前需要先用超纯水将样品池清洗3次后再用测试溶液清洗1次，且每次测量至少选择同一张膜上的10~15个不同的点，每个点至少进行10次黏附/黏聚力的测量，测定结果采用统计学方法进行黏附/黏聚力大小的计算，所得力的大小为统计学平均值. 部分条件下作用力大小统计学概率分布如图 1所示. 为了保证测量的准确性，每次力测试前后均需在显微镜下对微颗粒探针的完整性进行检测.

图 1

Fig. 1

图 1 作用力大小统计学概率分布 Fig. 1 Frequency distribution of adhesion forces

接触角采用亲水接触角测定仪(Datpahysies-OCA20)测定^[20]. 孔隙率(ε)采用膜的干-湿重量分析法^[21]，平均孔径rm采用流速法测定^[22]. Zeta电位和粒径由NanoZS90(英国马尔文)Zeta电位仪来测定. 2 结果与讨论 2.1 PVDF超滤膜的界面特性 2.1.1 PVDF超滤膜的化学组成

实验自制了2种不同界面特性的PVDF超滤膜，其傅立叶变换红外光谱如图 2所示.

图 2

Fig. 2

图 2 PA和PP超滤膜红外光谱图 Fig. 2 FTIR spectra of PA and PP membranes

从图 2中可以看到，PVDF的特征吸收峰为1 420、1 173、1 069和879 cm^-1处^[23,24]； PA在3 370 cm^-1处出现了PVA的—OH伸缩振动吸收峰； 而PP在1 676 cm^-1的吸收峰为PVP的羰基基团的特征吸收，但3 000 cm^-1以上没有吸收； 这表明，一定数量的添加剂PVA和PVP在相转化过程中保留在PVDF超滤膜中. 因此可以认为PVA和PVP不同程度地改善了PVDF超滤膜的亲水性能. 2.1.2 PVDF超滤膜的结构参数

实验测定了自制的2种PVDF超滤膜结构参数，结果见表 2.

表 2(Table 2)

表 2 PVDF超滤膜结构参数 Table 2 Structure parameters of PVDF UF membrane 项目 PA PP BSA截留率/% 89.20 78.51 膜孔隙率/% 62.91 78.53 膜平均孔径/nm 46.84 43.64 接触角/(°) 62.73 69.82 纯水通量/L·(m2·h)-1 258.62 308.82

表 2 PVDF超滤膜结构参数 Table 2 Structure parameters of PVDF UF membrane

从表 2可以看出，两种膜的纯水通量和平均孔径较为接近. 但亲水性方面有较大的差异，添加了PVA的PVDF/PVA共混膜(PA)较之添加了PVP的PVDF/PVP共混膜(PP)，有更强的亲水性，即PP膜的亲水性小于PA膜，且PP膜对BSA的截留率也小于PA膜. 2.2 溶液pH对BSA理化性质的影响

实验测定了不同pH条件下BSA的Zeta电位及粒径值的变化情况，结果如图 3所示.

图 3

Fig. 3

图 3 BSA溶液pH对Zeta电位和粒径的影响 Fig. 3 Effect of BSA solution pH on zeta potential and particle size

从图 3中可以看出，在pH小于4.7时，BSA表面的碱性残基与氢离子完全缔合，Zeta电位为稳定的正电荷； 当pH为4.7时，BSA表面的氢离子逐渐解离，电性减弱使得Zeta电位减小，Zeta电位接近于零，水合半径最小，此时粒径也最小； 随着pH值的进一步增加，BSA表面的酸性氨基酸残基逐渐发挥作用，蛋白质表面所带负电荷增加，Zeta电位为负值且负电荷量显著增加，随着表面氨基酸残基完全解离，BSA的Zeta电位也趋于平稳^[25]. 由此可知，pH值通过影响蛋白质表面氨基残基的质子化程度，从而改变了蛋白质表面的荷电性质. 2.3 BSA超滤过程膜通量变化

实验采用PA和PP膜分别对不同pH条件下BSA溶液进行了过滤，其比通量随时间的变化曲线如图 4所示.

图 4

Fig. 4

图 4 不同pH条件下BSA超滤过程膜通量衰减曲线 Fig. 4 Flux decline curve in BSA ultrafiltration at different pHs

从图 4可以看出，在不同pH条件下，PA膜通量衰减率均低于PP膜，这是由于PA膜的亲水性较强，其对BSA具有良好的抗污染性.其中碱性pH条件下，PA膜和PP膜的通量衰减率最低，此时膜的污染最轻.在酸性pH条件下，对BSA的初始过滤阶段，PP膜通量的下降均非常剧烈，其中pH为4.7时膜通量下降最为严重，通量损失率达到30%，而后通量均逐渐达到稳定，这是因为溶液pH在BSA等电点4.7时，BSA的荷电量接近于零，两种膜材料的膜通量衰减速率均增大. 这说明酸性溶液环境会加剧BSA对膜的污染. 2.4 PVDF超滤膜-污染物BSA之间的微观作用力分析

图 5为不同pH对PA膜-BSA之间黏附力和BSA-BSA之间黏聚力大小的影响. 当pH为3、4.7、9时，PA膜-BSA之间黏附力分别为0.91、1.35和0.74 mN ·m^-1，而此时BSA-BSA(即膜上初期已黏附BSA和水中污染物BSA之间)黏聚力大小分别为0.49、0.56和0.31 mN ·m^-1. 图 6为不同pH对PP膜-BSA之间黏附力和BSA-BSA之间黏聚力大小的影响. 当pH为3、4.7、9时，PP膜-BSA之间黏附力分别为1.24、1.47和1.12 mN ·m^-1，而此时BSA-BSA(即膜上初期已黏附BSA和水中污染物BSA之间)黏聚力大小分别为0.52、0.61和0.34 mN ·m^-1.

图 5

Fig. 5

图 5 BSA在PA膜上的微观作用力 Fig. 5 Microscopic force of BSA on PA membrane

图 6

Fig. 6

图 6 BSA在PP膜上的微观作用力 Fig. 6 Microscopic force of BSA on PP membrane

从图 5和图 6可以看出，PA膜-BSA和PP膜-BSA之间的相互作用力均大于BSA-BSA之间的黏聚作用力，结合图 4中膜通量在初期衰减剧烈后期趋于平缓的结果，综合说明在膜过滤初期，通量剧烈衰减主要是由于BSA和膜之间黏附力作用导致，在膜过滤后期，BSA与BSA之间的黏聚作用则成为影响其后期污染行为的主要因素，而在整个膜过滤过程中，BSA对PVDF超滤膜的黏附作用在膜污染过程中仍占主导地位. 随着pH的增大，PP膜-BSA、PA膜-BSA和BSA-BSA的相互作用力均先增大后减小，且当pH 4.7时，BSA分子表面净电荷为零，水合半径最小，Zeta电位为零，BSA分子间的斥力几乎为零，因此，此时PA膜-BSA、PP膜-BSA和BSA-BSA之间的黏附/黏聚作用力最大； 当pH 9时，BSA分子带负电荷，同时由于膜表面吸附了更多的OH^-而呈现负电性^[26]，从而使得PA膜-BSA、PP膜-BSA和BSA-BSA的静电斥力增加，导致它们之间的黏附/黏聚作用力减小.

前期研究发现^[17,27]，污染物和膜之间作用大小决定膜分离过程中的污染程度，其微观作用力越小，说明产生的膜污染越轻，也就是膜的抗污染性较好，反之，则膜的抗污染性较差. 从微观作用力变化曲线(图 5和图 6)中也发现，相同pH条件下PA膜-BSA之间的微观作用小于PP膜-BSA之间的相互作用力，说明亲水性较强的PA膜具有较强的抗污染性； 而PA膜和PP膜过滤后期BSA-BSA之间黏聚力相差不大，说明在过滤后期滤饼层形成后，膜污染主要是受到BSA-BSA之间相互作用的影响，而与膜本身物理化学性质相关性不大，而过滤前期受到膜本身物理化学性质影响很大. 也进一步说明膜过滤过程中膜和污染物之间的微观作用力是影响膜污染过程的主导因素.

3 结论

(1)pH值通过影响蛋白质表面氨基残基的质子化程度来改变蛋白质表面的荷电性质. 在pH小于4.7时，BSA表面Zeta电位为稳定的正电荷； 当pH为4.7时，BSA表面Zeta电位接近零，此时粒径也最小； 随着pH值的进一步增加，BSA表面Zeta电位为负且电荷量显著增加.

(2)不同pH条件下，PA膜通量衰减率均低于PP膜，这是由于PA膜的亲水性较强，其对BSA具有较好的抗污染性. 碱性pH条件下，PA膜和PP膜的通量衰减率最低，此时膜的污染最轻.而酸性溶液环境会加剧BSA对膜的污染，特别是pH在BSA等电点4.7时，BSA的荷电量接近于零，PA膜和PP膜的膜通量衰减速率均增大.

(3)在膜过滤初期，通量剧烈衰减主要是由于BSA和膜之间黏附力作用导致，在膜过滤后期，BSA与BSA之间的黏聚作用则是影响后期膜污染行为的主要因素. PA膜-BSA和PP膜-BSA之间的相互作用力均大于BSA-BSA之间的黏聚作用，说明在整个膜过滤过程中，BSA与PVDF超滤膜之间的黏附作用在膜污染过程中占据主导地位.

(4)相同pH条件下，PA膜-BSA之间的微观作用小于PP膜-BSA之间的相互作用力，说明亲水性较强的PA膜具有较强的抗污染性； 而PA膜和PP膜过滤后期BSA-BSA之间黏聚力相差不大，也进一步说明膜过滤过程中膜和污染物之间的微观作用力是影响膜污染行为的主导因素.