文档介绍：西安建筑科技大学硕士学位论文
水中典型蛋白污染物超滤膜分离过程及影响因素研究
专业:环境工程
研究生:刘红露
指导教师:王旭东副教授
摘要
随着水资源日益短缺以及超滤膜技术的迅速发展,超滤工艺在水处理领域倍
受关注。然而膜污染问题仍然是制约超滤技术推广应用的主要障碍。已有研究表
明,DOM 是造成膜污染的主要原因物质,其中蛋白质就是 DOM 中的典型代表物
之一。因此,深入研究典型蛋白污染物的超滤膜分离过程及其影响因素具有十分
重要的理论意义和实际价值。
本文选择了牛血清蛋白(BSA)和溶菌酶(LYS)作为典型蛋白质,针对蛋
白质的超滤膜分离过程,系统研究了蛋白质类型及浓度、膜的切割分子量、溶液
水环境条件(pH 值、离子强度、二价金属离子)等因素对 PES 超滤膜分离过程
的影响。
主要得出以下结论:
(1)在相同条件下,LYS 溶液对膜的污染最严重,BSA-LYS 二元溶液次之,
BSA 溶液最轻。三种蛋白质溶液对膜污染程度的不同受到蛋白质分子之间以及蛋
白质与膜表面的静电作用以及膜孔径与蛋白质分子量相对大小的影响。
(2)蛋白质溶液对膜的污染随着溶液浓度的增加而加重。溶液浓度越高,与
膜表面接触的蛋白质总量越大,碰撞频率越高,蛋白质分子进入膜孔的几率越大,
吸附在膜表面的蛋白质分子越多,膜污染越严重。
(3)切割分子量较大的膜更易受到污染。切割分子量越大,单位时间产水量
越大,被带到膜表面的蛋白质总量越大。较大的初始通量会导致浓差极化的加重,
增大施加在蛋白质分子上朝向膜表面的推动力,导致膜污染更严重。
(4)BSA 溶液 pH=5 时对膜污染最严重。由于溶液 pH 值最接近 BSA 等电
点(IEPBSA=),BSA 分子表面净电荷几乎为零,水合半径最小,分子间的斥力几
乎为零,对膜造成的污染最严重。当溶液 pH 值偏离等电点时,BSA 分子表面的
电性逐渐恢复,分子间的静电斥力也随之增加,膜污染程度逐渐减轻。
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(5)LYS 溶液在 pH=9 时对膜污染最严重,pH=11 时较 pH=9 时的污染轻。
是由于 LYS 等电点为 pH=,溶液 pH=9 时,pH<IEPLYS,LYS 分子带正电荷,
膜表面也带负电荷,污染物分子与膜之间的静电引力使得污染物极易附着在膜表
面造成膜的污染。溶液 pH=11 时,溶液 pH>IEPLYS,LYS 分子带负电荷,膜表面
也带负电荷,污染物分子与膜之间的静电斥力使得污染物不易附着在膜表面造成
膜的污染。
(6)当溶液 pH 值为 5、7、9 时,BSA-LYS 二元溶液中对膜的污染严重,
且污染程度相差不大。由于 IEPBSA<pH<IEPLYS 时,BSA 分子带负电,LYS 带正电。
带负电的 BSA 分子周围围绕着带正电的 LYS 分子,同时带正电的 LYS 分子周围
也围绕着带负电的 BSA 分子,分子之间的静电作用力达到了牢固稳定的动态平
衡,因此在 pH 介于两者蛋白质等电点之间变化时,对膜的污染程度影响不大。
(7)溶液离子强度越高,对膜的污染越严重。是由于溶液离子强度的增加能
够压缩蛋白质分子双电层,减小分子间的静电斥力,同时屏蔽蛋白质分子表面部
分电荷,使得蛋白质分子更易在膜面和膜孔吸附。
(8)由于 Ca2+和 Mg2+能够与蛋白质分子中的羧基发生络合反应生成络合物,
并部分中和蛋白质所带的电量,降低分子间的静电斥力。当二价金属离子 Ca2+和
Mg2+存在于溶液中时,膜污染程度加强。
关键词:超滤;膜分离;蛋白质;膜污染;水环境条件
课题来源:国家自然科学基金项目(编号:51008243、51178378、51278408)及
陕西省科技统筹创新工程计划项目(编号:2012KTCL03-06)
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The Study on separation process and influencing factors
to ultrafiltration membrane fouling by typical proteins
Speciality: Environmental Engineering
Author: Liu Honglu
Advisor: Associate Prof. Wang Xudong
ABSTRACT
With the growing shortage of water resources and the rapid development of
ultrafiltration membrane