冯萃敏，张欣蕊，孙丽华，田海龙，葛俊男，陈雪如，张雅君

（1.北京建筑大学城市雨水系统与水环境省部共建教育部重点试验室，北京100044；2.北京建筑大学环境与能源工程学院，北京100044；3.北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京100082）

蛋白质与超滤膜界面作用能对膜污染机制的影响

冯萃敏1，张欣蕊2，孙丽华1，田海龙2，葛俊男2，陈雪如3，张雅君1

（1.北京建筑大学城市雨水系统与水环境省部共建教育部重点试验室，北京100044；2.北京建筑大学环境与能源工程学院，北京100044；3.北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京100082）

比较了3种蛋白质引起的膜通量变化及膜污染情况，利用xDLVO理论分析了蛋白质超滤过程中的界面作用能对膜污染机制的影响。结果表明，卵清蛋白（Ovalbumin，OVA）造成的膜污染最严重，其次是牛血清白蛋白（Bovine Serum Albumin，BSA）和溶菌酶（Lysozyme，LYS）；在黏附阶段和黏聚阶段，极性力自由能起主导作用，范德华力和双电层力对其贡献很小；蛋白质分子从远距离逐渐接近UF膜或滤饼层时，极性力作用能对膜污染起主导作用，总界面作用能和作用范围是影响膜污染趋势的主要因素。

超滤；蛋白质；膜污染；xDLVO理论；界面作用

再生水具有数量大、成本低、不受其他自然条件等因素限制的优点，其作为城市的第二水源得到普遍应用。针对再生水的处理工艺众多，其中膜技术备受青睐。M.A.Shannon等〔1〕指出，膜技术可最大限度减少化学试剂的使用，为低耗节能的处理技术，具有出水水质好、运行稳定、消毒副产物少等优点〔2〕。但由于膜污染的问题，使其发展受到了制约。膜污染主要由溶解性有机物造成，蛋白质则作为典型污染物被广泛研究〔3〕。卞晓锴等〔4〕研究了蛋白质在超滤膜上吸附的影响因素，包括膜表面物化特性、溶液环境、操作条件等。王旭东等〔5〕研究了膜特征参数对蛋白质在超滤过程中对膜的污染的影响，包括接触角、膜平均孔径、膜孔分形维数等。高伟等〔6〕利用xDLVO（extended Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek）理论探究了水处理中典型有机物（腐殖酸、海藻酸钠及蛋白质）与超滤膜之间的作用力对膜污染的影响。在众多关于蛋白质造成的膜污染的研究中，很少有对水中不同类型的蛋白质对膜污染的影响及作用力进行对比研究。本研究以二级出水中3种类型的蛋白质为研究对象，比较了其在超滤过程中的膜通量变化情况，并通过xDLVO理论分析了3种蛋白质与UF膜的界面作用能对膜污染机制的影响。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

UF膜采用Millipore公司的再生纤维膜，截留分子质量为30 kDa，直径为76 mm，有效过滤面积为41.8 cm2；3种蛋白质分别采用Sigma Aldrich公司生产的卵清蛋白（OVA，45 kDa）、溶菌酶（LYS，14 kDa）和牛血清白蛋白（BSA，67 kDa），试验用OVA、LYS、BSA质量浓度以TOC为10 mg/L计，分别为30、30、25mg/L；溶液pH采用0.01mol/L的NaOH和HCl来调节，pH为7.0±0.2；溶液的离子浓度用10mmol/L的NaCl进行调节。

1.2 试验装置及方法

分别取400mL的OVA（30mg/L）、BSA（30mg/L）、LYS（25mg/L）溶液，其离子浓度为10mmol/L，pH为7.0±0.2。经过0.45μm滤膜过滤后，置于离心超滤杯（8400型，Millipore公司，美国）中过滤，过滤方式采用死端恒压过滤，压力为0.03MPa。采用电子分析天平（ME2002E）对膜通量进行实时监测，每分钟记录1次。过滤结束后的反冲洗方法：将UF膜取出并用去离子水进行冲洗，之后将其倒置于超滤杯中，并加入200mL的去离子水，以0.06MPa的压力过滤5min。每种蛋白质溶液运行3个周期。试验装置如图1所示。

图1 试验装置

1.3 测定方法

UF膜与蛋白质的接触角均采用DSA100光学接触角测量仪（克吕士公司，德国）进行测试，测试方法如下：将UF膜在超纯水中浸泡24 h以上，自然晾干后进行检测；分别将3种蛋白质过滤到UF膜上并达到一定厚度，自然晾干后进行检测。采用低速率动态接触角法测定静态表观接触角，每个样品测定7次，取平均值。UF膜的Zeta电位采用SURPASSZeta电位分析仪（安东帕公司，奥地利）测定，3种蛋白质的Zeta电位以及颗粒粒径均采用Zetasizer Nano ZS90纳米粒径电位分析仪（马尔文公司，英国）测量，每个样品测定3次，取平均值。

1.4 计算方法

1.4.1 膜比通量

试验过程中，采用归一化膜通量J/J0表示膜通量变化，J0为试验初始膜通量，单位L/（m2·h）。膜通量计算公式：

式中：J——t时刻膜通量，L/（m2·h）；

V——滤液体积，L；

A——超滤膜有效过滤面积，m2；

t——过滤时间，h。

1.4.2 xDLVO理论计算方法

UF膜针对蛋白质的过滤分为黏附阶段和黏聚阶段，黏附阶段为蛋白质分子与UF膜均浸没在水溶液中并相接触，即两界面间距离为最小平衡距离d0（d0=0.158 nm）时的过滤情况；黏聚阶段为蛋白质分子与蛋白质在UF膜表面形成的滤饼层接触时的过滤情况。根据xDLVO理论，黏附阶段单位面积上的界面自由能为范德华力（LW）、极性力（AB）以及双电层力（EL）界面自由能之和，称为总黏附自由能、l、f分别代表UF膜、水溶液以及蛋白质）。根据xDLVO理论，利用Derjaguin积分法可将黏附阶段UF膜与蛋白质之间的界面自由能转换为UF膜与蛋白质之间的界面（mlf）作用能

2 结果与讨论

2.1 3种蛋白质对膜污染的影响

在LYS、OVA和BSA 3种蛋白质溶液的TOC均为10mg/L的条件下，对比了其膜比通量在3个过滤周期内随过滤体积的变化情况，结果如图2所示。

图2 不同蛋白质的膜比通量随过滤体积的变化情况

结果表明，在相同的TOC、压力以及pH下，3种蛋白质引起的膜污染程度各有不同，但均为初期（15min内）膜比通量迅速下降，后期膜比通量下降趋于平缓。其中OVA引起的初期膜比通量下降速度最大，其次是BSA，而LYS引起的初期膜比通量下降速度最小，因此OVA造成的UF膜初期污染最严重。同时，OVA的每周期末端膜比通量平均下降29%，而LYS和BSA则分别平均下降9%和17%。可见，OVA不仅对UF膜的初期污染最严重，而且其对UF膜的最终污染也是最严重的。通过3个周期的膜比通量可以看出，过滤OVA的UF膜在经过物理反冲洗后膜比通量有一定的恢复，但恢复程度呈逐渐减少的趋势，说明OVA对UF膜的污染以不可逆污染为主；而过滤LYS和BSA的UF膜在经过物理反冲洗后膜比通量也有小幅减少，但是与过滤OVA的下降程度相比微乎其微，可以认为LYS和BSA的膜比通量恢复情况好。

2.2 界面作用能分析

影响膜污染程度的因素众多，包括操作压力、溶液浓度、pH等，但是当上述影响因素均相同时，膜污染的程度以及可逆性主要取决于蛋白质分子在微距范围内与UF膜或滤饼层之间的界面作用力。根据xDLVO理论，界面作用力包括范德华力、极性力和双电层力，而界面作用力的大小与UF膜和蛋白质的理化性质密切相关。针对UF膜和蛋白质理化性质的检测结果如表1所示。

表1 UF膜与蛋白质的理化性质

由表1可知，UF膜与超纯水的接触角＜90°，可以认为UF膜为亲水性膜；3种蛋白质中，LYS与超纯水的接触角仅为31.12°，BSA、OVA与超纯水的接触角均大于45°，随着接触角的增加其亲水性逐渐减少，疏水性逐渐增强，因此3种蛋白质的亲水性依次为LYS＞BSA＞OVA。结合膜污染程度可知，蛋白质的亲水性与其对UF膜的膜污染程度呈反比，蛋白质的亲水性越高，其造成的膜污染程度越小。从Zeta电位可以看出，除LYS分子表面带正电荷，UF膜和另外2种蛋白质表面均带负电荷，因此LYS分子与UF膜之间为双电层静电引力，而BSA、OVA分子与UF膜之间为双电层静电斥力。

根据表1中的接触角和Zeta电位，利用Acid-Base Approach和扩展杨氏方程〔8〕即可计算表面张力参数γ，结果见表2。

表2 UF膜与蛋白质的表面张力参数mJ/m2

结果表明，UF膜与OVA的γLW值相差很小，LYS和BSA的γLW值也基本一致。结合表1、表2可以发现，γLW与二碘甲烷接触角的变化规律相同，说明UF膜和3种蛋白质均具有相似的非极性性质。UF膜和3种蛋白质的γ-均大于γ+，由此可知，其电子供体性质远大于电子受体性质。研究表明，UF膜与蛋白质具有较强的电子供体性质。

2.2.1 UF膜与蛋白质之间的界面作用能

利用UF膜过滤蛋白质时，一般认为蛋白质分子与UF膜在水溶液中浸没并接触时的界面自由能为总黏附自由能。当总黏附自由能为负值时，表明相接触的两者处于不稳定的热力学状态，两者表现为相互吸引；当总黏附自由能为正值时，表明相接触的两者处于稳定的热力学状态，两者表现为相互排斥〔6〕。过滤初期即黏附阶段，膜比通量的下降是由于蛋白质被吸附在膜孔内或沉积在UF膜表面造成的，此时UF膜与蛋白质分子之间的相互作用见表3。

表3 蛋白质与UF膜之间的黏附自由能KT

由表3可以看出，在黏附阶段，范德华力自由能和双电层力自由能均为负值且绝对值很小，说明这2种自由能会使蛋白质和UF膜相互吸引，但对总黏附自由能的贡献很小；极性力自由能的绝对值最大，在总黏附自由能中起主要作用，因此蛋白质分子和UF膜之间的相互作用决定于极性力作用能；双电层力自由能均为负值，其中LYS的表面电荷与UF膜表面所带电荷相反，表现为静电引力，而其他2种蛋白质的表面电荷与UF膜表面所带电荷尽管相同，但因其与UF膜表面的电荷密集程度相差较大，使两者也互相吸引。由于LYS和UF膜之间的总黏附自由能比BSA大即斥力更大，导致初期LYS对膜的污染程度小于BSA，因此经过物理反冲洗后膜比通量恢复程度也更好。OVA和UF膜之间的总黏附自由能为负值，说明OVA分子与UF膜在黏附阶段时的相互作用为吸引力，OVA更易造成UF膜的初期膜污染，这与之前得出的OVA造成的膜污染最严重的结论相呼应。

图3为蛋白质分子在过滤过程中不断接近UF膜时的界面作用能随界面间距d的变化情况。

图3 UF膜与蛋白质之间的界面作用能

结果表明，极性力作用能和总界面作用能的绝对值均随着界面间距的减少而逐渐增大，且绝对值远大于范德华力作用能和双电层力作用能，表明蛋白质分子与UF膜之间的极性力作用能在总界面作用能中起主导作用。从图3（a）、3（b）和3（c）中发现，双电层力作用能对UF膜为吸引作用，会加重膜污染的程度，但是相对于极性力作用能来说其值过小，这与高伟等〔6〕的研究一致，即在黏附阶段双电层力作为长距离作用力对UF膜的影响很小。图3（d）为3种蛋白质与UF膜之间的总界面作用能，其与UF膜之间的作用范围各不相同，LYS和BSA与UF膜之间的总界面作用能的作用范围相差很小，但LYS与UF膜之间的总界面作用能始终大于BSA，因此BSA更易造成UF膜的污染。OVA与UF膜之间的总界面作用能作用范围大，且OVA与UF膜之间的总界面作用能为负值即相互吸引，因此OVA在黏附阶段造成的膜污染最严重。

2.2.2 蛋白质与蛋白质之间的界面作用能

在过滤的后期，蛋白质分子会吸附在UF膜表面或堵塞在膜孔中，滤饼层由此形成，此时进入黏聚阶段，界面作用为蛋白质分子与滤饼层之间的相互作用。计算总黏聚自由能只需将UF膜的表面张力换为蛋白质的表面张力即可，结果见表4。

表4 蛋白质与滤饼层之间的黏聚自由能KT

由表4可以看出，在黏聚阶段，范德华力自由能与之前黏附阶段相比变化不大，说明范德华力自由能会使蛋白质与UF膜相互吸引，会促进后期膜污染的发生。极性力自由能的绝对值远大于另2种自由能，因此在总黏聚自由能中占主导作用。由于水溶液中的蛋白质分子与构成滤饼层的蛋白质所带电荷相同，且两者电荷密集程度基本一致，因此双电层力自由能由负值变为较小的正值。由总黏聚自由能可以看出，LYS与OVA的总黏聚自由能较黏附阶段均有一定程度的增大，BSA的总黏聚自由能则变化幅度很小。LYS的总黏聚自由能比BSA大，即斥力更大，因此LYS后期膜比通量下降速度相较于BSA有很大的缓解。而OVA的总黏聚自由能为负值，涨幅和绝对值最大，说明OVA相比LYS和BSA更易造成后期膜污染，这就解释了之前膜比通量在过滤后期的变化规律。

图4为蛋白质与滤饼层之间的界面作用能随界面间距d的变化情况。

图4 蛋白质与滤饼层之间的界面作用能

从图4（a）、4（b）和4（c）可以发现，蛋白质与滤饼层之间的极性力作用能的绝对值远大于范德华力作用能和双电层力作用能，且总界面作用能与极性力作用能的变化趋势基本一致，说明在黏聚阶段极性力作用能在总界面作用能中起主要作用。双电层力作用能在黏聚阶段因为蛋白质分子与滤饼层的电荷相同而呈正值，但其与极性力作用能绝对值相比过小，说明其作为远距离作用力在蛋白质分子与滤饼层之间的作用影响甚微。图4（d）为3种蛋白质与滤饼层之间的总界面作用能，其中LYS和BSA的总界面作用能均为正值即表现为斥力，但LYS与滤饼层之间的斥力比BSA大，在过滤后期对膜污染的缓解作用更好；OVA的总界面作用能为负值即表现为引力，与黏附阶段相比引力变大，其在过滤后期对膜污染呈加剧作用。另外，图4中LYS和BSA与滤饼层之间的作用范围相比于黏附阶段均有增加，膜比通量的下降幅度呈缓解趋势，结合总作用能的增加，使得LYS和BSA在后期的膜比通量下降趋于平稳；OVA与滤饼层之间的作用范围减少，减缓了过滤后期因总界面作用能增加导致的膜比通量下降，使膜污染有所缓解。

3 结论

（1）对LYS、BSA和OVA 3种典型蛋白质进行膜过滤，其所造成的膜污染各不相同。OVA造成的膜污染最严重，LYS造成的膜污染最轻；OVA对UF膜造成的污染主要是不可逆膜污染；UF膜为亲水性膜，3种蛋白质的亲水性依次为LYS＞BSA＞OVA，蛋白质的亲水性与UF膜的膜污染程度呈反比，蛋白质的亲水性越高，其造成的膜污染程度越小。

（2）根据xDLVO理论可知，在利用UF膜过滤蛋白质的过程中，无论是在黏附阶段还是在黏聚阶段，极性力自由能均起主导作用，范德华力和双电层力对其贡献很小；蛋白质分子从远距离逐渐接近UF膜或者滤饼层时，极性力作用能起主导作用，其对膜污染的贡献最大；总界面作用能的大小以及作用范围的不同会影响3种蛋白质对UF膜的污染程度，最终导致初期膜比通量急速下降和后期膜比通量下降趋于平缓。

［1］Shannon M A，Bohn PW，Elimelech M，etal.Scienceand technology forwater purification in the coming decades［J］.Nature，2008，452（20）：301-310.

［2］张建辉.粉末活性炭-超滤在给水中的应用［D］.天津：河北工程大学，2011.

［3］王旭东，刘红露，王磊，等.水中典型蛋白污染物对超滤膜分离过程的影响［J］.水处理技术，2014，40（4）：19-22.

［4］卞晓锴，陆晓峰，施柳青，等.蛋白质超滤过程及超滤膜的表面改性研究现状［J］.膜科学与技术，2001，21（4）：46-51.

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Influences of interfacialaction energy between protein and UF m embrane onm embrane foulingmechanism s

Feng Cuimin1，Zhang Xinrui2，Sun Lihua1，Tian Hailong2，Ge Junnan2，Chen Xueru3，Zhang Yajun1
（1.Key Laboratory ofUrban Stormwater System andWater Environment，Ministry of Education，Beijing University ofCivil Engineering and Architecture，Beijing100044，China；2.Schoolof Environmentand Energy Source Engineering，Beijing University ofCivilEngineeringand Architecture，Beijing 100044，China；3.BeijingGeneralMunicipal Engineering Design&Research Institute Co.，Ltd.，Beijing 100082，China）

The situations ofmembrane flux change and membrane fouling caused by three kinds of proteins are compared.The influences of interfacial action energy on membrane foulingmechanisms in protein ultrafiltration process are analyzed by xDLVO theory.The results show that themembrane fouling caused by ovalbumin（OVA）is themostseriousone，and the ones caused by bovine serum albumin（BSA）and lysozyme（LYS）are the nextserious. The interfacial free energy of acid-base both play a dominant role in adhesion stage and cohesive stage，but the contributionsmade by van der waals force and electrostatic double layer force are very little.When the protein moleculesgetclosergradually to the UFmembraneor cake layer from a long distance，the interfacialaction energy of acid-base can play a dominant role inmembrane fouling.Themain factors affectingmembrane fouling trends are the total interfacialaction energy and the rangeof theaction.

ultrafiltration；protein；membrane fouling；extended Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek（xDLVO）theory；interfacialaction

X703；TQ028.8

A

1005-829X（2016）06-0033-05

冯萃敏（1968—），工学硕士，教授。电话：010-68322125，E-mail：feng-cuimin@sohu.com。通讯联系人：孙丽华，电话：010-68304273，E-mail：sunlihuashd@163. com。

2016-02-25（修改稿）

国家自然科学基金项目（51208021，51278026）