甲壳素加工废水纳滤传质机理/膜分离特性和污染机理研究

利用膜分离技术对食品加工废水进行资源化利用正快速成为一个交叉学科热点。通过纳滤处理甲壳素碱性生产废水可以回收蛋白质并循环利用废水，具有重大经济、环保意义。但碱性废水体系成分与物性复杂，纳滤膜在碱性废水体系中的分离特性和污染机理尚不清楚，缺乏废水物性与纳滤膜分离特性和污染机理间的定量关系和控制策略，阻碍了该技术的应用。本项目针对纳滤膜在处理碱性含蛋白甲壳素废水时膜的截留率变化及膜通量衰减现象，研究废水中的主要成份和废水物性，研究废水中蛋白质的结构状态及其与纳滤膜传质过程关系、分析膜污染形式和过程特征，建立基于蛋白质结构和废水物性的膜传质过程数学模型和膜污染过程机制数学模型，提出碱性废水体系中纳滤膜的分离特性、传质机理和污染机制，提出为纳滤过程进行废水前期预处理策略、中期膜污染控制策略和后期膜再生策略，为纳滤膜用于食品加工废水资源化综合利用提供理论依据。

利用膜分离技术对食品加工废水进行资源化利用正快速成为一个交叉学科热点。本项目以3家代表性甲壳素生产企业排放的甲壳素碱煮废水为研究对象，通过对甲壳素碱性废水的纳滤分离特性、污染特性以及传质机理三个方面的研究，为纳滤技术在食品生产碱性废水的回收和综合应用方面提供理论依据。废水主成分分析及SDS-PAGE研究结果表明，甲壳素碱煮废水中主要成分为蛋白质，废水中蛋白质及其水解物的分子量分布主要在3313KDa以下，为具有潜在功能特性的小肽类物质。对纳滤工艺中温度及TMP的两个主要因素研究发现，温度在40C时纳滤膜通量及总蛋白的截留率都较高，大于47C后，截留率下降；高跨膜压差（TMP）下膜通量和总蛋白截留率在8 h内的纳滤全循环中较高。过程阻力分析研究发现滤饼阻力是导致通量衰减的主要因素。通过TMS和SHP模型探究纳滤传质机理，TMS模型拟合发现电荷密度在膜污染后有升高；SHP模型拟合发现污染后膜孔径降低，这两点可能是导致碱煮废水纳滤浓缩过程中总蛋白截留率增加的主要因素。通过质谱对蛋白水解物进行分析，发现分子量≥490Da的肽能被纳滤膜截留，而分子量≤470Da的肽可以透过。等电点低且分子量小的肽(如DGL、VESC、ESL)的表面电荷密度比较大，在碱性条件下进行纳滤，其与荷负电膜的电荷排斥作用相对于等电点高且分子量大的肽与膜的电荷排斥作用强，所以前者可被纳滤膜截留。通过统计分析得到纳滤透过侧中含60%的疏水性肽，膜污染层中含70%等电点较低的亲水性肽，这表明肽与膜层可能发生了亲水性吸附且所吸附肽有可能使得膜表面电荷密度增大，增强了膜对电解质的截留作用。本项目较深入和完整地研究了含蛋白碱性废水的成份分析和膜分离特性，得到了系统的研究成果，为类似废水或过程物料的纳滤处理、解决或调控过程膜污染程度，提升清洗再生效率以及碱性蛋白食品加工废水中水解蛋白的回收利用提供了有效的科学依据和理论依据。通过本课题的研究，共发表学术论文6篇，其中SCI收录4篇，EI收录1篇；申请中国发明专利1项，成果获得省部级科技进步奖2项，培养研究生2名，本科生2名。