表面活性剂在水处理中的应用进展

JIU JIANG UNIVERSITY毕业论文题目表面活性剂在水处理中的应用进展英文题目The progress in the application of surfactant inwater treatment院系化学与环境工程学院专业精细化学品生产技术姓名齐伟庭年级 2012级指导教师付小兰二零一五年六月摘要摘要：随着水源短缺的加剧和环保法规的强化，水处理在国民经济中的作用和地位越来越重要了。

水处理剂和表面活性剂同属新领域精细化学品，两者关系十分密切。

许多表面活性剂在水处理中直接作为主剂，如用作缓蚀剂、阻垢剂和杀生剂；作为水处理助剂，表面活性剂更是不可缺少的成分，如用于配制复合配方和清洗剂、消泡剂等；某些水溶性聚合物在水处理剂中属重要品种，其分子结构和功能表现与表面活性剂许多相同或类似之处，如分子为双亲结构，其分散、凝聚、螯合、吸附等功能是水处理剂发挥最终功效(如缓蚀、阻垢、杀菌等)的关键所在。

此论文介绍了表面活性剂在水处理中的应用，着重阐述絮凝、石油污染消除、胶束强化超滤和液膜分离。

关键词：表面活性剂；水处理；液膜目录摘要 (2)1.表面活性剂的分类、性质及其结构特点 (4)1.1表面活性剂的分类及性质 (4)1.2表面活性剂的化学结构特点 (4)2．表面活性剂在水处理中的应用 (5)2.1 水处理药剂 (5)2.2在石油污染消除中的应用 (6)2.3胶束强化超滤 (6)2.4液膜分离技术 (7)3.表面活性剂在水处理中的应用进展 (10)3.1 聚天冬氨酸型 (10)3.2聚环氧琥珀酸(PESA)型 (10)3.3烷基环氧羧酸盐(AEC) (11)4.表面活性剂在水处理应用中的发展趋势 (12)参考文献 (13)1.表面活性剂的分类、性质及其结构特点表面活性剂是精细化工领域的重要产品，其不仅具有很高的活性，而且还具有独特的渗透、湿润和反湿润、乳化和破乳、发泡和消泡、洗涤、分散与絮凝、抗静电、防腐蚀、杀菌、润滑和加溶等应用性能，在改进生产工艺，提高产品质量，节约能量，降低成本等方面发挥了巨大作用，素有“工业味精”之美称。

表面活性剂之所以具有这些独特的性质，都是由于表面活性剂使体系的界面性质和状态发生改变而产生的，因此从广义上讲可将表面活性剂称为在加入少量时就能明显改变体系的界面性质和状态的物质[1]。

1.1表面活性剂的分类及性质表面活性剂一般以亲水基团的结构为依据来分类。

通常分为离子性和非离子性两大类。

离子性表面活性剂在水中分离，形成带阳电荷或带阴电荷的憎水基。

前者称为阳离子表面活性剂，后者称为阴离子表面活性剂，在一个分子中同时存在阳离子基团和阴离子基团者称为两性表面活性剂。

非离子表面活性剂在水中不电离，呈电中性。

此外，还有一些特殊类型的表面活性剂。

1.2表面活性剂的化学结构特点不论表面活性剂属于何种类蛩，都是由性质不同的两部分组成。

一部分是由疏水亲油的碳氢链组成的非极性基团，另一部分为亲水疏油的极性基。

这两部分分别处于表面活性剂分子的两端，为不对称的分子结构，由于表面活性剂的两性分子结构特征，决定了它的两亲性，因此这种分子具有一部分可溶于水，而另一部分易自水中逃逸的双重性，结果造成表面活性剂分子在其水溶液中很容易被吸附于气一水(或油一水)界面上形成独特的定向排列的单分子膜。

正是由于表面活性剂在溶液表面(或油水界面)的定向吸附的这一特征，使得表面活性剂具有很多特有的表面活性。

2．表面活性剂在水处理中的应用2.1 水处理药剂水处理剂是精细化工产品中的一个重要门类，和其它精细化工产品一样，具有很强的专用性。

例如，城市给水是以除去水中的悬浮物为主要对象，使用的药剂主要是絮凝剂；锅炉给水主要解决结垢腐蚀问题，使用药剂为阻垢剂、缓蚀剂、除氧剂；冷却水处理主要解决腐蚀和菌类滋生，采用的药剂为阻垢剂、缓蚀剂和杀菌灭藻剂；污水处理主要是除去有害物质，尤其是重金属离子，除去水中的悬浮体和脱除颜色，所使用的药剂主要为絮凝剂，螯合剂。

目前所用的水处理剂主要有絮凝剂、缓蚀剂、阻垢分散剂、杀菌灭藻剂、除垢剂、除油剂、除氧剂、浮选剂、软化剂等。

在水处理剂中用得最多的是高分子表面活性剂，主要作循环水的絮凝剂和阻垢分散剂。

其中絮凝剂约占水处理剂总量的3/4，PAM 又占了絮凝剂的一半[2]。

絮凝作用是非常复杂的物理化学过程。

现在已有多种理论、机理和模型，在这些理论和模型中，多数人认为絮凝作用机理是凝聚和絮凝两种作用过程。

凝聚过程是固体质点在絮凝剂压缩双电层或吸附电中和的作用下脱稳并形成细小的凝聚体的过程；而絮凝过程是所形成的细小絮凝体在絮凝剂的吸附架桥作用下生成大体积的絮凝物的过程。

根据化学成分，絮凝剂可分为无机絮凝剂、有机絮凝剂和微生物絮凝剂三大类。

有机高分子絮凝剂在水处理中具有投加量少，絮凝速度快，受共存盐类、介质及环境温度的影响小，生成污泥量少等优点，受到了人们的广泛关注。

目前应用于水处理中的高分子絮凝剂大多数是水溶性的有机高分子聚合物和共聚物，分子中含有许多能与胶体和细微悬浮物表面上某些点位发生作用的活性基团，相对分子质量在数十万至数百万。

常见的有聚二乙基二甲基氯化氨、聚氨、聚丙烯酸钠和丙烯酰胺。

它们大多数是一些高分子表面活性剂。

高分子表面活性剂通常也由亲水和亲油两部分组成。

从分子结构来看，其有无规则、嵌段型和接枝型等几种分子结构形式。

若从带电性来看，则可分为阴离子型、阳离子型、两性离子型和非离子型四大类。

由于天然水体含有的粘土、硅酸盐、蛋白质和有机胶体等杂质带负电荷，因此阳离子型絮凝剂在水处理中得到了广泛的应用。

目前国内广泛采用的高分子絮凝剂，主要是聚丙烯酰胺系列的产品，其用量约占80。

聚丙烯酰胺(PAM)是一种线性的水溶性共聚物，无色或微黄色胶体，无臭，中性，不溶于乙醇、丙酮。

改性后可制得的阳离子聚丙烯酰胺为固体粉末，易溶于水，有很强的吸湿和絮凝作用，属线性高分子表面活性剂，带有正电荷，使悬浮的有机胶体和有机化合物可有效的絮凝，并能强化固液分离过程，广泛应用于污水处理厂污泥脱水以及造纸、洗煤、印染废水的处理。

2.2在石油污染消除中的应用随着石油工业迅速发展，海洋溢油事故常常发生。

石油在海上漂浮扩散广，污染水质，必须及时地加以清除处理。

石油处理剂处理是常采用的方法之一。

石油处理剂由溶剂和表面活性剂组成。

表面活性剂能使石油分散形成水包油型乳状液，形成微粒子而分散于海水中，消除污染，溶剂能降低石油的粘度，使其易于乳化。

石油处理剂的效果与所使用的表面活性剂密切相关，因此配制石油处理剂必须选择适当的表面活性剂。

为使石油处理剂符合实用要求，所选用的表面活性剂应具有以下条件对流出油的乳化分散力强；对水产资源无不良影响；生物降解性良好；使用方便和价格便宜。

海洋上漂浮的石油经石油处理剂处理后形成的乳状液，由于这种乳状液是水包油型的，不易粘附在油轮和岩石上，而且乳化油表面积非常大，沉降深度一般不超过3m，所以油粒很快被水中溶解氧、细菌及微生物分解，最后成为无害于水体的物质。

2.3胶束强化超滤一般来说，用传统的超滤膜不能除去分子量300以下的有机化合物。

利用表面活性剂的超滤分离，通常称之为增溶胶束超滤法(Micellar—Enhanced U1tra —filtration，简称MEUF)。

1979年，Ieung等首先提出用胶团增溶超滤可以除去废水中被溶解的少量或微量有机物和金属离子。

它是直接利用了表面活性剂分子的胶团作用和胶团的增溶作用等性质，并通过超滤膜来实现分离的。

表面活性剂分子是由疏水基和亲水基组成。

在浓度极稀的情况下，表面活性剂分子将聚集在溶液的表面，疏水基向上伸人空气、亲水基则留在水中。

但当浓度进一步增加，溶液表面毫无间隙地形成表面活性剂单分子层后，再加入的表面活性分子将在溶液内部几十至几百个聚集在一起，形成疏水基向内、亲水基向外的缔合体一胶束。

开始形成胶束的浓度称为临界胶束浓度(Critical Micelle Concentration，简称CMC)。

胶束的形成使疏水基最大限度地逃离水，亲水基保持与水的接触。

研究表明胶束的形成可将原来不溶或难溶于水的物质带到胶束的内核或表面，从而使该物质溶解于水中，此即胶束的增溶作用。

胶束的内核有液态烃的性质，离子型表面活性剂胶束的表面为扩散的双电层，因此非极性有机物质将被增溶在胶束的内核，而极性的有机物质将被增溶在胶束的外层或是表面。

形成胶束后疏水基团包围在胶束内，亲水基团朝外，与水没有相互作用，使胶束成为热力学稳定状态存在水中，因而膜分离过程应当是稳定的。

MEUF法具有工艺简单，易实现工业化的特点：它适用于单独或同时从废水中除去低分子量、低浓度和难溶于水的有机污染物和多价重金属离子，具有很好的环境效益。

表面活性剂从其工作原理可以看出，MEUF使用的表面活性剂应根据待去除物质的性质来确定当要去除金属离子时，离子的电荷种类决定了是用阴离子还是阳离子表面活性剂，在此基础上再来选择最佳的表面活性剂。

当要去除的是有机污染物时，从理论上来说，阴离子、阳离子和非离子表面活性剂都适用。

但总的来说，表面活性剂的选择有以下原则[3]：应有较大的增溶力；能形成较大的胶束体积，从而可以选用大孔径的超滤膜，增加通量；CMC小，减少表面活性剂的用量和透过液中表面活性剂的浓度；有较低的Krafft点(对离子型表面活性剂)或较高的浊点(对非离子型表面活性剂)，以适用于低温操作；无毒。

易生物降解；低发泡性。

2.4液膜分离技术液膜分离是2O世纪6O年代中期诞生的一种新型的膜分离技术，废水处理、湿法冶金、百油化工等部门都有大量研究应用报道[4]，有的已在实际生产中取得了相当成效。

例如用液膜技术可以从废水中脱除有毒的阳离子铜、汞、铬、隔、镍、铅等，以及阴离子磷酸根、硝酸根、氰根、硫酸根、氯根等，可使废水净化并回收有用组分。

利用表面活性剂的液膜分离，具有穿透膜的流量大，选择性好等显著特点。

液膜从形态上可分为液滴型、隔膜型和乳化型。

乳化液膜是液滴直径小到呈乳化状的液膜，这是研究和使用最多的一种液膜。

乳化液膜体系由表面活性剂(乳化剂)、膜溶剂、载体和添加剂等所构成，其分离过程包括液膜的形成、被分离物通过液膜的传质及后续的破乳。

液膜的形成：利用表面活性剂的液膜分离，总的说来是将不互溶的两相通过表面活性剂的作用，使其形成乳液，再将该乳液分散到和乳液外相小相浴而和内相互溶的第三相中，这样便形成三相体系。

第三相成为连续相。

互溶的连续相和内相之间便有和两者均不相溶的液膜形成，表面活性剂的存在，使得液膜得以稳定。

通常连续相为待处理相，其中溶解有需要分离出的物质，若待处理液是水相，则首先要在表面活性剂的作用下，制得油包水(w/o)型乳液，再将此乳液分散到待处理水相中，形成水/油/水(w/o/w)型三相体系，油相则起液膜作用。