表面活性剂用于废水处理研究的新进展

综述Review*E-mail:[e-mail];Tel.:[phone];Fax:[phone]ReceivedMay17,2019;publishedJuly10,2019.ProjectsupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.21633002).项目受国家自然科学基金(No.21633002)资助.ActaChim.Sinica2019,7x,xxxx—xxxx©2019ShanghaiInstituteofOrganicChemistry,ChineseAcademyofSciences表面活性剂用于废水处理研究的新进展赵微微王毅琳*(中国科学院化学研究所胶体界面与化学热力学实验室北京100190)(中国科学院大学北京100049)摘要随着工业化和农业现代化的迅速发展，水污染问题逐渐成为人们关注的焦点.大量工业废水的随意排放造成水体污染，导致可利用的淡水资源十分匮乏.因此，如何低成本、安全、高效地处理工业废水，提高水资源的重复利用效率已经成为亟待解决的重要问题.近年来，基于表面活性剂的分离技术在工业和分析领域取得了突破性进展，其绿色环保和低能耗的特点为废水处理提供了理想的选择.本综述介绍了基于表面活性剂的废水处理技术—胶束增强超滤、表面活性剂改性的固相吸附和基于表面活性剂液液相分离的提取技术的原理以及研究进展，旨在为研究人员提供参考，进一步推动污水处理技术的发展.关键词表面活性剂;废水处理;液液相分离;胶束增强超滤;吸附DevelopmentofSurfactantApplicationinWastewaterTreatmentWeiweiZhaoYilinWang*(KeyLaboratoryofColloid,InterfaceandChemicalThermodynamics,InstituteofChemistry,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190)(UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049)AbstractWateristhemostimportantandessentialcomponentfortheexistingactivitiesofhumanbeings,animalsandplants.Itisestimatedthatthetotalamountofwaterontheearthisabout1.3billiontons,but97%ofthatissaltyoceanwaterandnotsuitablefordrinking.Withtherapidgrowthofpopulation,industrializationandagriculturalmodernizationandothergeologicalandenvironmentalchanges,thewaterenvironmentisdeterioratingcontinuously.Waterpollutionandwatershortagearetwoofthemostimportantenvironmentalproblemsintheworld.Consequently,waterpollutionhasbecomeacriticalissueinrecentyears.Pollutantsinwastewaterincludeorganic,inorganic,biologicalcompounds.Asmanyofthemhaveserioustoxicityandevenshowcarcinogenic,thereleaseofconsiderableamountofwastewaterintoenvironmentcausesdamagestohumanbeingandaquaticconditions,andfurtherleadstotheshortageofwaterresources.Therefore,theneedforwastewatertreatmentinalow-cost,safeandefficientwayandimprovingthereuseefficiencyofwaterresourceshavebecomeamust.Inrecentyears,surfactant-basedseparationtechniqueshavemadeagreatprogressinindustrialandanalyticalareas.Itoffersmanyadvantagesincludinglow-energyconsumptionandenvironmentprotection,andhasbeenprovedefficientintheseparationofmanyinorganicandorganicpollutants.Toenhancetheapplicationofsurfactant-basedseparationtechniquesinwastewatertreatment,itisveryimportanttohaveabetterunderstandingofthemechanismsinvolvedinthisprocess.Thisreviewsummarizesthemechanismanddevelopmentofsurfactant-basedwastewatertreatmenttechniques,includingmicelle-enhancedultrafiltration(MEUF),surfactant-modifiedsolidphaseadsorptionandsurfactant-basedliquid-liquidphaseseparation.Theeffectsofthesurfactantcharacteristics,thechemistryofthepollutantsandthesolutionconditionsusedinexperimentsontheextractkineticsandefficienciesarediscussed.Thisreviewaimstoprovidereferenceandinspirationforresearchersandpromotethedevelopmentofwastewatertreatmenttechnologies.Keywordssurfactant,wastewatertreatment,coacervation,micelle-enhancedultrafiltration,adsorption1引言水是人类赖以生存的重要资源之一.随着人口的增长和工业化的快速发展，水资源质量不断下降，严重地影响了社会的发展，水污染问题逐渐成为全球范围关注的焦点[1-3].根据污染物来源的不同，污水中污染物主要包括重金属离子、有机污染物、生物制剂和辐射物质等.这些污染物质不仅会对水体环境造成破坏，影响水体生态系统，导致水质恶化，难降解的有机污染物还会经过代谢在人体中富集，对人类健康造成威胁.例如，砷(As)、镉(Cd)、钴(Co)、铬(Cr)、铜(Cu)、铅(Pb)、镍(Ni)和钒(V)等重金属离子会损害人体的神经系统、造血系统以及肾脏等多种器官，具有较强的致癌性[4]；多种染料分DOI:10.6023/xxxxxxxxx化学学报综述ActaChim.Sinica2019,7x,xxxx—xxxx©2019ShanghaiInstituteofOrganicChemistry,ChineseAcademyofSciences（如蒽、茚等有机物）[5]已被证实对动物和人体有致癌作用.因此，如何实现低成本、高效率地处理工业废水，提高水资源的重复利用效率已经成为亟待解决的重要问题.目前对于废水的处理方法大致分为四类：物理化学方法、生物学方法、核处理方法以及声学、电学、电磁学方法[6-19].具体方法包括过滤、超滤、透析、反向渗透、离子交换、溶剂萃取法、氧化法、吸附法、絮凝法、泡沫浮选法、光化学反应、活性污泥、有氧和厌氧处理法、细菌处理法、核辐射法、电渗析法、超声处理法和磁分离法等.许多方法在对废水分析和处理中发挥着至关重要的作用，但是处理成本、操作方法、处理效率等因素在一定程度限制了部分方法的应用.因此，寻找新型安全环保的废水处理方法，降低有机溶剂的消耗，实现对污染物的分离和回收，成为近年来研究的重要课题，具有广泛的应用前景.表面活性剂分子是一类具有亲水基团和疏水基团的有机化合物，其独特的结构使其活跃于表/界面，能够显著降低表/界面张力；在溶液中，表面活性剂高于一定浓度时能够形成有序的组装体[20-21].因此，表面活性剂具有润湿、乳化、起泡、增溶、防腐、分散、洗涤和抗静电等一系列物理化学性能，已被广泛地应用在日化、石油、食品、农业、卫生、环境、新型材料等领域，具有“工业味精”的美称[22-25].近年来，表面活性剂在污水处理中的应用受到人们广泛的关注，基于表面活性剂的分离技术在工业领域和分析领域取得了很多新进展.基于表面活性剂的分离方法具有低能耗、绿色环保等特点，其中胶束增强超滤(micelle-enhancedultrafiltration,MEUF)、表面活性剂改性固定相提取以及液液相分离提取方法具有代表性.本综述介绍了基于表面活性剂的废水处理技术—胶束增强超滤、表面活性剂改性的固相吸附和基于表面活性剂液液相分离的提取技术的原理以及研究进展，旨在为研究人员提供参考，进一步推动污水处理技术的发展.2胶束增强超滤2.1胶束增强超滤原理表面活性剂分子由亲水基团和疏水基团两部分组成，根据亲水基团性质的不同，可以分为非离子表面活性剂、阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂和两性离子表面活性剂.当表面活性剂在水溶液中浓度大于某一临界值时，表面活性剂分子可以自组装形成胶束，此临界值被称为临界胶束浓度(CriticalMicelleConcentration)[26].改变表面活性剂的分子结构，能够形成囊泡、蠕虫状胶束、球形胶束等多种聚集体[27-28].以离子表面活性剂为例，表面活性剂形成的胶束由疏水性内核和亲水性外层组成：内部由表面活性剂分子的疏水尾链相互交联形成疏水性微区，外层主要包括水合的亲水头基以及结合水.胶束的疏水内核与液态烃相似，但粘度更高，对于疏水性物质具有较好的增溶能力.根据亲-疏水性不同，胶束对于不同物质的增溶发生在四个部位：胶束-水界面、亲水头基之间、胶束的栅栏层和胶束的疏水内核.离子型污染物通过静电相互作用与带相反电荷的表面活性剂头基结合，增溶发生在胶束的表面；而有机物根据结构的不同，可以被增溶在胶束的栅栏层或疏水内核.图1胶束增强超滤提取离子型污染物和有机物的原理Figure1MechanismofremovalofionicsolutesandorganicsolutesbyMEUF基于胶束的增溶特性，胶束增强超滤MEUF技术将表面活性剂和滤膜结合，用于分离废水中低浓度的有机物(如磷酸二丁酯、磷酸三丁酯、三卤甲烷等)和金属离子(如镉、铅、锌等)，是一项非常有前景的废水处理技术.其原理是向废水中加入一定量的表面活性剂，形成的胶束增溶了被分离物，当废水通过超滤膜时，未被增溶的金属离子和有机物以及表面活性剂单体可以透过滤膜，进入下一步循环，而增溶了金属离子和有机物的胶束由于粒径大于滤膜孔径而被截留，形成表面活性剂和污染物的高浓度溶液，实现了废水净化、分离的目的(图1).胶束增强超滤技术的滤