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水中典型蛋白污染物超滤膜分离过程及影响因素研究

作　者: 刘红露
导　师: 王旭东
学　校: 西安建筑科技大学
专　业: 环境工程
关键词: 超滤膜分离蛋白质膜污染水环境条件
分类号: X703
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

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=4.7)，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。（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=10.4，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。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
1 绪论  10-13
  1.1 研究背景  10
  1.2 研究目的及意义  10-11
  1.3 研究内容  11-12
  1.4 课题来源  12-13
2 超滤技术  13-18
  2.1 超滤概述  13
  2.2 超滤原理  13-14
  2.3 超滤膜污染  14-18
    2.3.1 典型的超滤膜污染物  14-15
    2.3.2 超滤膜污染的类型  15-16
    2.3.3 超滤膜污染的影响因素  16-18
3 试验材料及方法  18-22
  3.1 化学药品和材料  18
  3.2 试验用水  18-19
  3.3 试验装置  19-20
  3.4 试验方法  20-22
    3.4.1 膜通量的测定方法  20-21
    3.4.2 膜阻力测定方法  21
    3.4.3 膜通量恢复率和膜污染程度测定方法  21-22
4 试验结果与分析  22-74
  4.1 溶液浓度对超滤过程的影响  22-32
    4.1.1 BSA 溶液浓度对超滤过程的影响  22-24
    4.1.2 LYS 溶液浓度对超滤过程的影响  24-27
    4.1.3 BSA-LYS 二元溶液浓度对超滤过程的影响  27-30
    4.1.4 不同浓度蛋白质溶液组成对膜污染的影响  30-32
    4.1.5 小结  32
  4.2 超滤膜的切割分子量对超滤过程的影响  32-42
    4.2.1 超滤膜的切割分子量对 BSA 溶液超滤过程的影响  32-35
    4.2.2 超滤膜的切割分子量对 LYS 溶液超滤过程的影响  35-39
    4.2.3 超滤膜的切割分子量对 BSA-LYS 二元溶液超滤过程的影响  39-41
    4.2.4 小结  41-42
  4.3 pH 值对超滤过程的影响  42-54
    4.3.1 溶液 pH 对蛋白质 Zeta 电位的影响  42-43
    4.3.2 pH 值对 BSA 溶液超滤过程的影响  43-46
    4.3.3 pH 值对 LYS 溶液超滤过程的影响  46-49
    4.3.4 pH 值对 BSA-LYS 二元溶液超滤过程的影响  49-53
    4.3.5 不同 pH 值下拟稳态通量变化  53
    4.3.6 小结  53-54
  4.4 离子强度对超滤过程的影响  54-64
    4.4.1 离子强度对 BSA 溶液超滤过程的影响  54-57
    4.4.2 离子强度对 LYS 溶液超滤过程的影响  57-60
    4.4.3 离子强度对 BSA-LYS 二元溶液超滤过程的影响  60-63
    4.4.4 小结  63-64
  4.5 二价金属离子对超滤过程的影响  64-74
    4.5.1 二价金属离子对 BSA 溶液超滤过程的影响  64-67
    4.5.2 二价金属离子对 LYS 溶液超滤过程的影响  67-70
    4.5.3 二价金属离子对 BSA-LYS 二元溶液超滤过程的影响  70-73
    4.5.4 小结  73-74
5 结论  74-76
致谢  76-77
参考文献  77-82

水中典型蛋白污染物超滤膜分离过程及影响因素研究

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