截留物质的当量直径与切割分子量

Posted on 2017-10-30

1. 题记

本项目工作是2011年海洋公益性项目“中空纤维超滤膜检测技术平台研发”中的一部分工作。主要的内容是研究出来评价中空纤维超滤膜的切割分子量的方法。我在这项工作里付出了大量的精力。首先,我进行了关于截留物质分子量方面的研究;后来我采用不同种类的截留物质对不同种类的中空纤维超滤膜进行了截留测试,这项测试中包括了多种参数的设置和控制,最核心的一个问题是根据最新的文献设置了截留参数的一个锚定点——测试池的雷诺系数。

2.概述

切割分子量-截留分子量(MWCO)是评价超滤膜的截留性能的最核心的指标。

对于MWCO的测定结果,不同实验室的测定结果往往差别很大,会出现十几倍几百倍的差异。

差异主要是各实验室控制参数这不一致造成的。这些影响参数可以分为五大类:

  • 1.截留物质参数
    • 截留物质的种类
    • 相对分子质量以其分布
    • 测试液的浓度
    • 测试液的温度
  • 2.膜样品参数
    • 膜丝的根数、长度
    • 膜丝的有效直径(内径或外径)
    • 膜样品测试的前处理和后处理
  • 3.截留操作过程参数
    • 跨膜压差(TMP)
    • 膜组件自身的压力降
    • 膜面的错流速度
    • 综合的控制,使得浓差极化现象可以忽略或者可控。
  • 4.测试料液测量参数
    • 测量仪器的种类
    • 测量仪器的线性范围
    • 测定方法的检出限、定量限、准确度、精密度、回收率(方法的属性)
  • 5.数据处理参数
    • 测定结果的计算方法(筛分曲线的出处)。

如果不对五类参数不控制,结果不具有可比性。

本文通过对于截留物质参数、膜样品参数、截留操作过程参数、测试料液测量参数、数据处理参数等方面进行设置和控制,对超滤膜的MWCO检测方法的规范性方面进行了研究,拟建立一种适用性更广泛、更简便、重复性更好的中空纤维超滤膜MWCO检测方法。

2.概述

切割分子量-截留分子量(MWCO)是评价超滤膜的截留性能的最核心的指标。不同实验室测定NWCO的结果往往差异较大,不能互相印证或比较。这种差异主要是由于各实验室所选用的试验参数不一致所造成的,这些参数包括截留物质、膜样品、膜样品的处理方法、截留操作条件、评价液的仪器测定等。

  • 参数1:截留物质
    • 种类
    • 相对分子质量、分布
    • 浓度和温度
  • 参数2:膜样品
    • 膜组件中膜丝的根数和长度
    • 膜丝的有效直径(内径或外径)
    • 膜材料与截留物质的兼容性
  • 参数3:膜样品的处理方法
    • 样品的前处理和后处理
  • 参数4:截留操作条件
    • 截留时间
    • 跨膜压差(TMP)
    • 膜组件自身压力降
    • 膜面错流速度等
  • 参数5:评价液的仪器测定
    • 仪器的种类
    • 方法的线性范围、检出限、定量限
    • 方法的准确度、精密度、回收率
  • 通过对截留物质、膜样品性质、截留操作条件等进行控制;
  • 采用5种不同相对分子质量的PEG和聚环氧乙烷(PEO)制成相对分子质量范围为2000~230000的混合截留物质溶液(混标)。
  • 使用高效凝胶排阻色谱(HPSEC)对中空纤维超滤膜的MWCO检测方法进行了研。
  • 建立了一种适用性广泛、操作简便、重复性好的MWCO检测方法。

  • 测试MWCO的截留物质包括:4种PEG和1种PEO,其标称相对分子量分别为2K、6K、10K、20K和300K,均为分析纯,美国Alfa公司。
  • 相对分子质量标准品包括:PEG 1K、PEG 5K、PEG 10K、PEG 30K、PEOX 100K、PEOX 250K、PEOX 900K,美国聚合物标准品公司。
  • 色谱试剂和色谱柱:硝酸钠(NaNO3),色谱纯,美国Sigma公司;TSK G 3000PWXL、TSK G 4000PWXL、TSK GMPWXL型色谱柱,7.8mm×300mm,日本东曹株式会社。

  • 高效凝胶排阻色谱仪,1260型,美国Agilent公司;
  • 紫外-可见分光光度计,TU-1型,北京普析通用公司;
  • 中空纤维超滤膜截留和透过性能检测装置(以下简称检测装置),J-1型,国家海洋标准计量中心研制。

方法过程

  • 1.4进料液的配制 使用纯水配制PEG和PEO混标进料液,其中PEG 2K、PEG 6K、PEG 10K的浓度均为1.0g/L,PEG 20K的浓度为2.0g/L,PEO 300K的浓度为3.0g/L。将配制好的进料液注入恒温搅拌储液槽(搅拌转速400rpm)中,取出20mL进料液,待测。

  • 1.5截留试验操作

使用纯水将组件浸泡24h后,采用流动的纯水对其内外表面进行清洗,以清除膜丝内的药剂。将组件安装在检测装置中,控制进料液温度为(25±1)℃,TMP为(100±5)kPa;将测试系统的雷诺数(Re)控制到1600~1800[18],此时膜丝内表面的流体状态接近于层流状态的极限值;根据Re中各参数的定义,以25℃下纯水的粘度和密度代替测试液的粘度和密度,分别取0.88mPa∙s和1g/cm3,可计算出内径1.0mm和内径0.7mmm膜丝的膜面错流速度应分别控制为1.4 ~1.6m/s和2.0 ~2.3 m/s。为了使膜面错流速度可近似以进料液侧的线速度代替,应控制组件的回收率不大于5%。稳定运行20min,取20mL透过液,待测。组件经过上述截留实验操作后,需要在TMP为150kPa下进行约15min的反冲洗,使组件的纯水透过率恢复到其初始纯水透过率的70%以上,以保证样品状态的重复性。

  • 1.6 测定 分别取透过液和进料液样品进行检测,以测定超滤膜对混标中各组分的截留率。 截留率的计算按照公式(1)进行: R_i=(1-C_pi⁄C_bi )×100% (1) 式中,R_i为第i组分的截留率,%;C_pi为透过液第i组分的浓度,mg/L;C_bi为进料液第i组分的浓度,mg/L. 通过HPSEC对PEG和PEO进行定量时,由于在相同的保留时间位置,同一组分的浓度与峰高成良好的线性对应关系,所以计算混标中单种组分的截留率R_i时可以使用公式(2)进行替代。 将透过液和进料液样品使用孔径为0.2μm的针头滤膜过滤后上机测定。调取透过液和进料液样品的色谱图进行叠加,采用峰高法计算各组分的截留率,如图2所示。 按照公式(2)计算PEG/PEO各组分的截留率。 R_i=1-H_pi⁄H_bi (2) 式中,R_i为第i组分的截留率,%;H_pi为透过液中第i组分的峰高,nRIU;H_bi为进料液中第i组分的峰高,nRIU.

  • 1.7截留物质的相对分子质量的测定 分别称取分子量标准品PEG 1K、PEG 5K、PEG 10K、PEG 30K、PEO 100K、PEO 250K、PEO 900K,以色谱条件中的流动相溶解到10mL的样品管中配制成1.0g/L的溶液。待样品完全溶解后,使用孔径为0.2μm的针头滤膜过滤后上机测定。调取色谱图后分别输入上述分子量标准品的峰位分子量(Mp)、重均分子量(Mw)、数均分子量(Mn)等相关数据,制作PEG/PEO相对分子质量校准曲线(如图3)。 分别称取的PEG/PEO截留物质的各组分:PEG 2K、PEG 6K、PEG 10K、PEG 20K、PEO 300K,以色谱条件中的流动相溶解,配制成1.0g/L的溶液,使用孔径为0.2μm的针头滤膜过滤后上机测定。调取上述各组分的色谱图和分子量标准曲线,可计算得出各组分的Mw,以Mw作为其相对分子质量(Mr)。可测得PEG/PEO混标中各组分的Mw分别为2191、6897、12792、26784、229081,其分子量分布系数D依次为1.12、1.04、1.07、1.09、1.78。
  • 1.8切割分子量的计算和数据处理 绘制截留物质中各组分的R-Mr筛分曲线,并在曲线中查找截留率R为90%时对应的截留物质的相对分子质量Mr,即可得到该样品对于此种截留物质的MWCO

– 采用蛋白质、PEG、DXT三类物质。 等电点(PI),混标易凝聚,严重的污染,清洗恢复难。蛋白质混标Kill。 葡聚糖DXT,分子量分布较宽,难以有效分离和混标定量。 而PEG/PEO分布窄,可色谱分离,混标定量和单标定量误差可忽。 因此本方法中选用PEG和PEO作为截留物质进行MWCO测定。


  • 截留操作条件的优化设置应使得浓差极化得以消除或可以忽略。
    • 根据浓差极化模型可知,要降低浓差极化影响,即获得较低的J/K值,可从两方面入手:一方面降低渗透液通量密度J,一方面增大传质系数K
  • 在可取得透过液的前提下,尽量降低TMP——降低J
    • 为保持与行业标准的一致,本实验仍然采用了TMP为100kPa
  • 尽量增大错流速度、减小膜丝的长度——增大K
    • 采用接近液体层流状态(Re:1600~1800)的极限错流速度(1.4~2.3)m/s
    • 根数较多则Re为1600~1800时,组件自身的压力降会使得跨膜压差过大;根数过少则收集渗透液时间过长,本实验中采用的封装了(20~30)根膜丝
    • 综合考虑了测试时膜丝自身的压力降及封装操作难度将长度定为(170~180)mm

  • 本实验中选择后一种途径,采用接近液体层流状态的极限错流速度以使浓差极化更小,即将Re控制为1600~1800。膜丝长度方面则综合考虑了测试时膜丝自身的压力降及封装操作难度因素选择控制在170~180mm之间。
  • 对于组件内封装膜丝的根数,考虑若根数较多则会增加有效过流截面积,当Re为1600~1800时,组件自身的压力降会使得测试的跨膜压差超过设定的100kPa;而根数过少时,则收集足够测定用的渗透液的时间过长,取得样品的浓度不能代表特定时刻的渗透液浓度。本实验中采用的封装了20~30根膜丝的组件进行测试

  • 上述组件的设计优化了截留操作条件,使得在参考截留操作条件下测定膜样A的MWCO的浓差极化状态情况如表2所示。
  • 从表中可以看到,对于A膜的J/K在1.210~1.559范围内,接近于0.87。由于国内行业标准[26] 中TMP规定采用100kPa,为了保持与标准的一致和方便控制,本实验仍然采用了TMP为100kPa。

  • 跨度在2K~230K的PEG/PEO混标,基本可以覆盖市场上的中空纤维超滤膜(见图6)。
  • 重复性基本满足要求:测得同一只组件MWCO的相对误差为5.1%~5.6%(表3,图7)。
  • 由于条件不同,各独立实验室测量MWCO结果往往与其差异很大。
  • 一些学者[18,20]进行了研究,他们测得的结果均小于制造商标称的MWCO值,与表3中的测定结论基本一致。

原因有:

  • 浓差极化状态不一致
  • 进料液的截留物质种类不一致
  • 截留物质的浓度不一致
  • 跨膜压差不一致等。

结论:

  • MWCO结果:PEG/PEO<蛋白质<DXT。

    方法的优点:

  • 适用范围:较宽,可以测定绝大部分中小孔径的超滤膜(大孔超滤可以参照微滤方法测定。)
  • 检测速度:快速。仅需一次截留试验就可以获得R-Mr筛分曲线,可快速测得MWCO,测定速度是传统方法的10倍。
    • 传统方法需要对同一组件使用不同分子量的截留物质进行至少5次测量。每次测量后均需清洗组件和管路系统,操作过程繁杂、重复性不佳。
  • 准确性:较高,接近膜的固有孔径。对于作条件进行了优化和限制,使得MWCO测量结果更接近与膜的固有性质。
  • 可供性:可以将不同超滤膜放到统一的标尺下进行比较,对于工业应用中筛选膜很意义。

  • 使用PEG20K溶液对一支PSF材质的中空纤维超滤膜盲样进行截留率测定。在相同的操作条件下,连续测定6次,分别采用HPSEC法和传统紫外可见分光光度计法(UV-VIS)进行测定。

  • 选定显著性水平α=0.05,对两种检测方法进行t检验,检验结果表明,两种检测方法的测量结果没有显著性差异。采用HPSEC法测定超滤膜对PEG的截留率方法准确可靠。


  • 采用HPSEC测定结合PEG/PEO五种组分的混标在参考截留操作条件下进行了中空纤维超滤膜MWCO检测方法的研究。
  • 该方法测量结果的重复性为5.1%~5.6%。选定显著性水平α=0.05,通过t检验可知采用PEG/PEO混标法与UV-VIS法没有显著性的结果差异。
  • 该方法可以用于实验室检测中空纤维超滤膜的MWCO,其相对分子质量覆盖范围为2K~230K,可以评价市场上大部分的中空纤维超滤膜的截留性能。
  • 该方法符合定义要求,可以比传统方法更加快速的测定出超滤膜的MWCO。

后记

  • 这篇早就该见诸文字的文章拖了很久才跟大家见面,但是由于种种的原因,总是拖着不肯写。一个清晨,它要蹦出来了。事出有因:我担任我单位膜检测业务的负责人期间,我参加了一个“海洋公益性科研项目——超滤膜检测技术平台研发”。虽然这里很多事情我感觉做的不够,但是毕竟是我付出很多心血,并且投入了大量时间和资源进行研究的东西。我在这项研究中付出了很多(装置组、分离性能组、平台组),但是多个子课题没有挂我的头衔,付出之后排名非常靠后,这些让我内心很受折磨,赌气不做,赌气不写。其实这些也都是傻傻的表现,这样是对不起自己的努力,也对不起这些成果。在这些项目成果束之高阁之后,经过了2年多的沉淀,我想把一些有用的东西整理出来,算是对自己的一个交代。

  • 前面我发表过一个论文名字叫做《PEG和PEO混标法测定中空纤维超滤膜切割分子量方法的研究 》,虽然论文里面用的是混标法,但是实际上我真正喜欢的是「PEG+TOC+单标法+流体力学直径」。

  • 我还有一个重要的发现就是,研究,你做了你上来就要准备发文章,而不是做完了事才发文章,你要注意的是,上来就要注意,你的作品是什么?发表出来才算你的成果,否则什么都不是,只是过程而已。在工作中,基于结果的过程才是有意义的。

  • 这个是你的目标和努力方向吗?如果是的话,那请投入时间和精力,否则会朝着你的方向越偏越远。因此,不准备在这上面投入过多的精力来进行研究了,写写科普文章还是可以的。

LOG

  • 20170320 将 word 文件转换为md文件。
  • 20171030 创建本文件。
  • 20180620转到公开目录中,先发表,将来再补充完善。
  • 20180625 转换到发表栏。
  • 20180709 将两篇 UF 和 MWCO 相关文件合并成一个。