超滤过程中蛋白质的空间分布规律

赵 斌，杨 鑫，洪剑鹏，黄 昕，王 亮

（1.天津工业大学 环境科学与工程学院，天津 300387；2.天津工业大学 省部共建分离膜与膜过程国家重点实验室，天津 300387）

膜污染是超滤（UF）水处理技术中不可避免的问题[1-4]，表现为运行通量下降和操作压力上升。严重的膜污染需要进行频繁的清洗，不仅降低系统的处理能力，还会缩短膜组件的使用寿命。因此，对于膜污染机制及防控方法的研究一直受到研究者的关注。对膜污染层结构、形貌和成分的表征为深入了解和研究膜污染提供了重要信息，其中常用的方法有扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）等，但这些技术仅能探测到膜表面的污染情况。

激光共聚焦显微镜（CLSM）是一种可实现三维重建的高分辨率光学显微镜，可用于细胞成分分析、形态定位、结构重组、动态变化等生物和医学方面的研究[5-7]。在环境领域，CLSM与原位荧光杂交技术（FISH）结合为研究生物膜反应器中微生物群体间的空间结构关系提供了有力的手段[8-10]。近年来，通过CLSM对膜污染层进行可视化表征为膜污染形成机理研究提供了直观的证据[11-12]。本研究以牛血清蛋白（BSA）为模型污染物，对其进行异硫氰酸荧光素（FITC）标记后，以CLSM观测过滤过程中BSA在聚偏氟乙烯（PVDF）中空纤维超滤膜中的空间分布规律，并考察过滤通量对该分布的影响，进而建立BSA空间分布与膜通量和膜污染的内在联系。

1 实验材料和方法

1.1 实验材料

BSA、FITC、二甲基亚砜（DMSO）、盐酸多巴胺，上海阿拉丁生化科技股份有限公司产品；PVDF中空纤维超滤膜，天津膜天膜科技股份有限公司产品。PVDF中空纤维膜主要参数为内径0.6 mm，外径1.1 mm，平均孔径0.2 μm，接触角57°，表面粗糙度260 nm。

1.2 实验方法

1.2.1 FITC标记BSA

将FITC溶解于DMSO中，BSA溶解于Na2CO3/NaHCO3缓冲溶液（pH=9）中。将FITC逐滴加入到BSA中，于4℃下避光反应6 h，并以14 ku透析袋透析24 h。纯化后的BSA-FITC溶解于K2HPO4/KH2PO4缓冲溶液（pH=9）中作为原料液备用。

1.2.2 多巴胺改性PVDF中空纤维膜

将多巴胺加入到Tris-HCl缓冲液（pH=8.8）中，分别采用浸泡和过滤2种方式对PVDF中空纤维膜进行亲水改性[13]。前者将膜组件浸泡于多巴胺溶液60 min；后者将膜组件浸泡在多巴胺溶液并利用蠕动泵循环抽滤60 min。改性后的膜组件在乙醇中浸泡20 min后，浸泡于去离子水中备用。

1.2.3 过滤实验

浸没式过滤装置由过滤容器、膜组件、搅拌装置、压力计、蠕动泵和在线质量记录系统组成。过滤容器用铝箔纸包裹避光。以恒流量模式过滤BSA或BSAFITC溶液，记录跨膜压差（TMP）的变化。

1.3 分析方法

1.3.1 膜阻力分析

膜过滤总阻力Rt（m-1）由膜固有阻力Rm（m-1）、水力清洗可逆阻力Rr（m-1）和水力清洗不可逆阻力Rirr（m-1）3部分构成，分别由式（1）、（2）和（3）计算。以去离子水对污染膜进行反洗，反洗通量为240 L/（m2·h），清洗时间为5 min。

式中：ΔP为跨膜压差（Pa）；μ为20℃下水的粘度系数（Pa·s）；J0、J1和J2分别为TMP=20 kPa时测得的新膜、污染膜反洗后和反洗前的纯水通量（L·m-2·h-1）。

1.3.2 CLSM测试

污染后的膜表面及断面以CLSM（TCS SP8，Leica）进行观测；荧光强度采以Image J（NIH，Version 2x）图像处理软件进行量化分析；中空纤维膜断面样品通过树脂包埋法淬断得到。

2 实验结果与讨论

2.1 FITC标记对BSA过滤的影响

为实现CLSM对BSA污染膜的观察，需以FITC对BSA进行荧光标记，因此实验有必要考察荧光标记对BSA膜污染行为的影响。图1为PVDF中空纤维膜过滤BSA和BSA-FITC溶液时跨膜压差-时间曲线。

图1 PVDF中空纤维膜过滤BSA和BSA-FITC溶液时跨膜压差-时间曲线Fig.1 TMP profiles for BSA and BSA-FITC filtration using PVDF hollow fiber membranes

由图1可知，BSA荧光标记前后在120 L/（m2·h）恒通量的模式下过滤，TMP变化曲线基本重合，表明实验条件下FITC标记并不会影响BSA的过滤行为。Hao等[2]也指出由于FITC相对分子质量（389）远小于蛋白质，因此不会改变蛋白质在UF过程中的通量及截留效能。因此实验以BSA-FITC代替BSA考察其在PVDF中空纤维膜中的空间分布是可行的。

由图1可知，TMP在过滤初期迅速增长，随着过滤时间的增加TMP增长速率减缓，最后趋于稳定。过滤开始，疏水性的PVDF与BSA之间有较强的亲和作用，使得BSA在膜表面及膜孔吸附，导致膜孔窄化甚至堵塞[14]，TMP迅速增加；随着过滤时间的增加，膜孔窄化和堵塞加剧，BSA逐渐在膜表面累积，TMP持续上升；凝胶层形成后TMP增长趋于稳定。

2.2 BSA在PVDF膜中的动态分布规律

图2为不同过滤时间下PVDF中空纤维膜断面的荧光分布情况。

图2 过滤后PVDF中空纤维膜断面荧光照片及荧光强度由内及外的变化Fig.2 CLSM images of cross-section of PVDF hollow fiber membrane after filtrating and corresponding fluorescence intensity

由图2可知，随着过滤的进行，断面的荧光区域由膜外表层向内层不断扩展，并且膜内部的荧光强度逐渐增强。Wang等[15]指出水溶液中BSA的大小为7.2 nm，远小于所用中空纤维膜的膜孔尺寸，因此BSA分子能够进入膜孔，并在疏水作用下吸附在PVDF膜孔通道内壁。在此情况下，膜成为BSA分子的吸附介质，而非截留介质。随着时间由20 min延长至60 min，荧光强度值的大幅度增加。由图2（e）可知，有大量BSA分子吸附在膜体相，但这似乎对过滤阻力（跨膜压差）增长的贡献并不显著。0～5 min跨膜压差的迅速增加主要由于少量团聚的BSA所引起的膜孔窄化以及部分膜孔的堵塞。由于过滤初期该污染层极薄，在断面的荧光照片中并不明显。

为进一步分析膜表面BSA的积累情况，对膜表面BSA污染层进行了3D荧光构建，如图3所示。

图3 120 L/（m2·h）下过滤BSA-FITC溶液后PVDF中空纤维膜表面3D荧光分布Fig.3 CLSM 3D image of the surface of PVDF hollow fiber membrane after filtrating at 120 L/（m2·h）

由图3可知，过滤进行5 min时，BSA光点离散地分布在膜表面，这与之前提及的初期膜孔窄化及堵塞的分析相一致。膜孔处由于流速引起的良好的传质环境，更有利于BSA分子与膜材料接触，因此优先聚集了BSA分子。随着过滤的进行，非孔区域在疏水作用下吸附BSA分子，BSA在膜表面的分布也由离散逐渐变为连续，并且污染层厚度有所增加，形成凝胶层污染，如图3（d）所示。有研究表明BSA与膜间的亲和作用，以及BSA分子间的疏水作用，能够使其在膜表面形成具有一定厚度的凝胶污染层，并使过滤通量保持稳定[16]。

2.3 过滤通量对PVDF中空纤维超滤膜污染的影响

图4为不同过滤通量下PVDF中空纤维超滤膜的跨膜压差变化和过滤阻力分布图。图4（a）为PVDF中空纤维超滤膜过滤5×10-5BSA溶液时的不同通量下的跨膜压差。通常而言，过滤通量越大，跨膜压差增长越显著。当过滤通量由120 L/（m2·h）提高至240 L/（m2·h）时，60 min后的稳定TMP由17 kPa增加至33 kPa，提高约1倍。根据Darcy定律，可以判断该过滤体系通量的升高并没有引起过滤阻力的显著变化。

由图4（b）可以看出，对于平衡时过滤阻力的量化分析也表明通量对可逆阻力和不可逆阻力影响很小。上已述及，由于BSA的分子尺寸远小于PVDF超滤膜膜孔，其所形成的膜污染主要以吸附形式附着在膜孔和膜表面，污染层的厚度小。此种情况下，较高的膜面负荷不会造成大量污染物累积，较高的TMP下也不会引起污染层压缩变形，因此可逆阻力和不可逆阻力均未发生明显变化。

图5为不同过滤通量下PVDF中空纤维膜断面荧光分布情况。

图4 不同过滤通量下PVDF中空纤维超滤膜的跨膜压差变化和过滤阻力分布Fig.4 Effect of filtration fluxes on TMP profile and filtration resistance of PVDF hollow fiber ultrafiltration membrane

图5 不同通量下PVDF中空纤维膜断面荧光照片和荧光强度由内及外的变化Fig.5 CLSM images of cross-section of PVDF hollow fiber membranes at different filtration fluxes and corresponding fluorescence intensity

由图5可知，过滤5×10-5BSA 60 min后断面附着的BSA量并未因通量的升高而发生明显变化，这更直观地证明了过滤阻力的分析结论。

2.4 多巴胺改性对PVDF中空纤维超滤膜污染行为的影响

对超滤膜进行亲水改性是减缓蛋白质造成膜污染的重要手段之一[17-18]。有研究指出，多巴胺发生氧化聚合反应，可在固体材料表面形成具有黏附性的复合层，从而提高材料表面的亲水性[19-21]。本部分实验通过对PVDF中空纤维超滤膜分别进行浸泡改性和过滤改性，实现膜表面的亲水化以及表面和膜孔的同时亲水化，用以探讨蛋白质在膜表面和膜孔的附着对于膜污染的贡献。图6为多巴胺改性后PVDF中空纤维超滤膜的跨膜压差和过滤阻力分布。

图6 多巴胺改性对PVDF中空纤维超滤膜的跨膜压差和过滤阻力分布的影响Fig.6 Effect of dopam ine modification on TMP profile and filtration resistance of PVDF hollow fiber ultrafiltration membrane

由图6可见，2种方式得到的多巴胺改性PVDF膜均可以减缓BSA所造成的膜污染。由图6（a）可见，过滤60 min后TMP由11 kPa逐步提高至15 kPa。由图6（b）可见，总过滤阻力与未改性膜相比降低40%，并且主要集中在可逆阻力的减少。但两种改性方法之间的膜污染控制差异并不明显，可以推测膜表面附着的BSA及其聚集体对膜污染的贡献具有决定意义。深入膜孔内部的蛋白质尽管可以吸附在膜孔内壁，并且附着量相对于膜表面更大，但对于膜污染的贡献几乎可以忽略。由此可见，提高膜表面亲水性是控制BSA污染的最有效方式。而多巴胺作为一种简单有效的固体表面改性试剂，其在膜表面亲水改性及膜污染控制方面的效果受到了广泛的认可。

图7和图8分别为多巴胺改性PVDF中空纤维膜断面和表面的荧光照片。

图7 多巴胺改性PVDF中空纤维膜断面荧光照片及荧光强度由内及外的变化Fig.7 CLSM images of dopam ine modified PVDF hollow fiber membranes and the corresponding fluorescence intensity

图8 多巴胺改性PVDF中空纤维超滤膜表面3D荧光分布Fig.8 CLSM 3D images of surface of dopam ine modified PVDF hollow fiber membrane

由图7和图8可知；荧光强度的变化直观表明多巴胺改性可以控制BSA在PVDF膜表面和膜孔内部的附着；与浸泡改性相比，过滤改性更加有效地减少膜孔内部的BSA附着量，但这一变化对减缓膜污染的贡献甚微。

3 结论

本研究通过CLSM分析BSA在PVDF中空纤维超滤膜过滤中过滤时空分布，并由此解析BSA所导致的膜污染特征。得到主要结论如下：

（1）使用FITC对BSA进行标记并不会改变其在PVDF中空纤维超滤膜中的空间分布，可以实现BSA膜污染的可视化研究。

（2）BSA的分子尺寸远小于PVDF超滤膜膜孔孔径，在过滤过程中随水流进入膜孔，并在与膜材料间的疏水作用下吸附在膜孔内壁，表现出由表及里的BSA附着现象。

（3）BSA所引起的PVDF中空纤维超滤膜污染主要以吸附形式发生，污染区域仅限于膜表面和孔内壁，污染层的厚度小，稳定状态受过滤通量影响并不显著。

（4）多巴胺过滤改性PVDF中空纤维超滤膜虽然可以有效减小膜孔内壁BSA的附着，但在膜污染控制效果方面与浸泡改性PVDF超滤膜相当。经改性后，膜过滤阻力大约降低40%。