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1、H014 蛋白质污染的 PNIPAAm 接枝聚乙烯多孔膜的变温清洗行 为 H014 蛋白质污染的 PNIPAAm 接枝聚乙烯多孔膜的变温清洗行 为 1 1 郭浩飞 1 黄健1 王晓琳*2 （ 1南京工业大学材料学院，南京 210009；2清华大学化工系，北京 100084） 摘 摘 要要 以 BSA 作为污染蛋白质， 对 PNIPAAm 接枝的聚乙烯多孔膜作了模拟污染。 利用 PNIPAAm 接枝 链的不连续的亲水性/疏水性转变的性质，用流量和流动电位测试方法，研究了变温清洗工艺对污染接枝 膜的清洗效果。实验发现，以水为清洗介质，用变温清洗工艺，可以恢复接枝膜的流量值。另外，裸露的 载体膜表面
2、也有蛋白质吸附现象，以稀碱溶液为清洗介质，同样用变温清洗工艺，可以恢复接枝膜的流动 电位值，最终得到了较好的清洗效果。结果表明，接枝链的亲水性是实现以上清洗效果的关键。 关键词关键词 膜污染 聚（N-异丙基丙烯酰胺） 温敏性 亲水性 流量 流动电位 CLEANING STUDY OF A PROTEIN-FOULED PNIPAAM GRAFTED POROUS PE MEMBRANE BY THE REVERSIBLE TEMPERATURE-CHANGE CLEANING METHOD GUO Haofei1 , HUANG Jian1 and WANG Xiaolin2 (1 Colle
3、ge of Material Science and Engineering, Nanjing University of Technology, Nanjing 210009; 2Department of Chemical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084) Abstract Based on the reversible hydrophilicity-hydrophobicity change of Poly (N-isopropylacrylamide) (PNIPAAm), the cleaning behavior o
4、f a PNIPAAm grafted PE porous membrane fouled by BSA was studied by the reversible temperature-change cleaning method between the LCST, and was characterized by both the water flux measurement and the streaming potential measurement. The recovered water flux by the simple temperature-change cleaning
5、 of water confirmed that most of the proteins adsorbed on the membrane surface had been eluted. However, the streaming potential analysis showed that the protein adsorption occurring on the naked substrate membrane surface without the grafted PNIPAAm chains, which could only be eluted by the tempera
6、ture-change cleaning of a diluted alkali solution. The recovered water flux and streaming potential value indicated that the hydrophilicity of the grafted PNIPAAm chains was the key factor 基金项目：973 资助项目(2003CB615701)；国家自然科学基金(20476045) 作者简介：郭浩飞(1981)，女，硕士研究生。 *通讯联系人：王晓琳；E-mail: xl-wang to clean the
7、adsorbed proteins, whenever on the grafted chain surface or the naked substrate membrane surface. Keywords fouling membrane, poly (N-isopropylacrylamide), hydrophilicity, Thermo-sensitivity, water flux, and streaming potential 引 言 膜污染是膜在化工、环境、生物、医药以及食品加工等领域应用中普遍存在的问题。可 以从预防和清洗两方面来降低污染，如对膜进行亲水改性或表面电荷
8、修饰，或采用反冲洗、 酸洗、碱洗等物理和化学的方法清洗1-4。聚 N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAAm）具有温敏性的体 积相转变行为，其分子链的可逆伸展/卷曲转变已经被用于设计成多孔开关膜5，同时其分子 链的亲水性/疏水性转变性质在膜分离中的研究应用也开始受到关注6。 本文利用 PNIPAAm 的 亲水/疏水性转变性质，结合流量和流动电位测试等方法，考察了变温清洗工艺对 BSA 污染的 PNIPAAm 接枝聚乙烯多孔膜的清洗效果。 1 实验 1.1 实验原料 实验原料 管式聚乙烯多孔膜，外径 3mm、内径 2mm，标称微孔直径 0.25m，聚（N-异丙基丙烯酰胺） （PNIPAAm）接枝的聚乙烯
9、多孔膜，采用等离子体处理接枝法制备5，接枝率为 2.8%。牛血清 白蛋白（BSA） ，电泳纯，江苏省常熟市福山生化试剂厂产品，其他试剂均为分析纯，实验用 水为去离子水。 1.2 接枝膜的蛋白质污染 接枝膜的蛋白质污染 以背景电解质（10 -3 mol/l 的 KCl 水溶液）配制浓度为 500ppm 的 BSA 水溶液，将接枝膜 浸入该 BSA 溶液中，35下保持 4 h，使膜及膜孔表面充分接触到蛋白质4。取出污染的接枝 膜，以 35的背景电解质水溶液冲洗数次，迅速装入已恒温 35的膜组件中。 1.3 污染接枝膜的变温水清洗和变温化学清洗 污染接枝膜的变温水清洗和变温化学清洗 两恒温水槽分别恒
10、温至 35和 25，以利清洗实验中的快速温度切换。清洗过程中清洗 介质保持循环，膜两侧的操作压力为 0.01MPa，膜的有效面积为 6.28cm 2。污染接枝膜的变温 清洗程序如图 1 所示。程序 BD 的清洗介质为水（背景电解质，下同） ，清洗温度分别为 B-35 ，C-25，D-35。在每个清洗程序中，先使膜组件恒温两分钟，然后开始计时，每隔一 定时间测试接枝膜的流量及流动电位值7，当流量和流动电位稳定后，即可切换至下一程序。 程序 E 的清洗介质为 0.1%的 KOH 水溶液，清洗温度 35，清洗时间 2h，碱溶液清洗后，即切 换至 35的背景电解质体系，按上述条件测试接枝膜的流动电位。
11、程序 F 的实验过程与程序 E 类似，只是 KOH 清洗温度为 25，流动电位测试温度为 35。 图 1 接枝膜的蛋白质污染及清洗程序示意图 2 结果与讨论 2.1 接枝膜的变温清洗接枝膜的变温清洗 图 2 为水的变温清洗对污染接枝膜流量的影响。图 2-a 中，经首个清洗程序 B 清洗，新鲜 污染的接枝膜的流量初始时迅速提高，20min 后变化平缓。这是由于吸附于膜孔壁的蛋白质松 散吸附层被冲洗掉的缘故，但随着时间的延续，这种简单的清洗，对于清除蛋白质紧密吸附 层不再有效。程序 B 最终使污染膜的流量恢复至污染前接枝膜流量的 78.4%（图 2-b） 。切换 温度至 25进入程序 C，PNIP
12、AAm 接枝链迅速伸展，导致膜孔径减小，流量降低，但发现此 时流量值已恢复至 25下污染前接枝膜的水平（恢复比 97.4%，图 2-b） 。这时伸展的接枝链 是影响膜孔径的主要因素，可以认为，吸附于接枝膜表面的蛋白质对流量影响不大。再切换 温度至 35进入程序 D， PNIPAAm 接枝链重新回到程序 B 时的收缩状态， 但发现流量明显高 于程序 B 时的值， 且随着清洗时间的延续， 流量也逐步恢复到 35下污染前接枝膜的水平 （恢 复比 97.6%，图 2-b） 。 a b 图 2 水为清洗介质变温清洗时的流量变化 a, 流量-时间关系；b，流量稳定值。阴影柱形图为污染前数据，清洗程序 B、
13、C、D 参考图 1 a b 图 3 水为清洗介质变温清洗时的流动电位变化 a, 流动电位-时间关系；b，流动电位稳定值。阴影柱形图为污染前数据，清洗程序 B、C、D 参考图 1 在上述清洗过程中，程序 C 是关键的一步。在程序 C 中，处于亲水性状态的 PNIPAAm 接枝链可促进吸附的蛋白质脱附，或降低其紧密吸附程度。经过程序 C 和随后的程序 D 的进 一步冲洗，接枝膜表面吸附的蛋白质逐渐脱附，使接枝膜的流量基本恢复到了污染前的水平。 以上结果表明，利用 PNIPAAm 的亲/疏水性转变的性质，通过以上简单的变温清洗，可以得 到较好的清洗效果。 2.2 变温清洗过程中的流动电位测试变温清洗
14、过程中的流动电位测试 为了进一步研究变温清洗工艺对接枝膜表面的清洗效果，在上述流量测试的同时，同步 测试了流动电位变化。流动电位值可以反映膜表面的带电状况，而膜表面的带电状况与膜表 面的蛋白质吸附状况直接相关8。图 3 为流动电位测试的结果。可以看出，在各清洗程序中， 随清洗时间的延续，流动电位值（绝对值，下同）均有上升的趋势，但在程序 C 清洗时，流 动电位的上升趋势最为明显，最终流动电位值恢复到了 25下污染前接枝膜的流动电位水平 （恢复比 99.4%，图 3-b） 。说明亲水状态的 PNIPAAm 接枝链最有利于接枝膜表面蛋白质的脱 附，这与上述流量的测试结果相同。但值得注意的是，经 3
15、5下的程序 B 和 D 清洗后，流动 电位值的恢复比（与 35下污染前接枝膜的流动电位值比较）各为 88.0%和 80.3%，说明接枝 膜的表面仍有吸附蛋白质存在，而且经过 B-C-D 的变温清洗程序后，程序 D 的流动电位结果 比程序 B 的数值还小（图 3-a，图 3-b） ，这似乎与图 2 的流量测试结果不符。 由于接枝链在膜表面的覆盖率很难达到 100%，在 35静态污染时，蛋白质可同时吸附在 疏水的接枝链表面和裸露的载体膜表面上（图 4，TLCST 时） 。在程序 C 变温清洗时，接枝 链变得亲水，吸附于接枝链表面的蛋白质易于脱附而被清洗掉；但同时由于接枝链伸展，裸 露的载体膜面积扩
16、大， 部分脱附的蛋白质可能会转而吸附在了载体膜的表面上 （图 4 TLCST 时） ，引起载体膜表面的蛋白质吸附增加。接枝膜的流动电位信号是接枝链信号和（聚乙烯） 载体膜信号叠加的结果，以上载体膜表面蛋白质的增量吸附可能是上述程序 D 的流动电位值 偏低的原因。 图 4 接枝膜表面蛋白质吸附-脱附示意图 图 5 稀碱溶液清洗后 35下的流动电位数据 阴影柱形图为接枝膜污染前的流动电位数据， 清洗程序 D、E、F 参考图 1 2.3 接枝膜的变温化学清洗接枝膜的变温化学清洗 吸附于接枝链表面的蛋白质可以利用接枝链的亲水/疏水转变的性质，通过变温清洗工艺 清洗，但吸附于聚乙烯载体膜表面的蛋白质则不易用这种方法清洗。基于这种想法，希望碱 性清洗介质 （0.1%KOH 水溶液） 能够帮助清洗载体膜表面吸附的蛋白质。 BSA 的等电点在 pH 值 5 附近，在碱性条件下 BSA 荷负电，而聚乙烯载体膜也荷负电7，所以碱性条件应当有利 于 BSA 的脱附。经碱性条件下的变温清洗（程序 E 和 F，图 1）
