表面活性剂在水处理中的应用

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 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。
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型，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—水(或油—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。
3 表面活性剂在水处理中的应用
3.1 水处理药剂
水处理剂是精细化工产品中的一个重要门类，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，主要用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。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。
3.2 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。
3.3 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(MicellarEnhancedUltrafiltration，简称MEUF)。1979年，Leung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，疏水基向上伸入空气、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—胶束。开始形成胶束的浓度称为临界胶束浓度(CriticalMicelleConcentration，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[4-6]：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。
3.4 液膜分离技术
液膜分离是20世纪60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、石油化工等部门都有大量研究应用报道，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不相溶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。若待处理相是油相则需首先形成油/水(O/W)型乳液，然后将该水包油型乳液分散到待处理液油相中，形成油/水/油(O/W/O)型三相体系，其中水相便起液膜的作用。待处理液中需分离出的溶质，通过在液膜中发生的传质过程，不断地转移至内相中，并在内相中富集，然后通过静置实现被处理液和乳液的分离，再通过破乳实现内相和液膜的分离，从而实现该溶质和连续相的分离。液膜中的传质：液膜分离原理按传质机理的不同，可分为无流动载体和含流动载体传送两种。无载体的液膜分离：无载体输送的液膜是把表面活性剂加到有机溶剂或水中所形成的液膜。这种液膜利用溶质或溶剂在膜内溶解及扩散速度之差进行分离，它可以用来分离物理、化学性质相似的碳氢化合物，从水溶液中分离无机盐以及从废水中去除有机物等。
含酚废水处理主要是采用这种方法来处理。含载体的液膜分离：若在液膜中引入载体，由于载体与被分离溶质间的可逆化学反应与扩散过程耦合，促进了传质的进行，使分离过程具有很大的选择性与渗透速率。在传递过程中，载体不离开膜，只是在液膜的两个界面间来回穿梭地传递被分离溶质，这种载体称为移动载体，另有一种链式载体主要用于固体的促进传递膜中。含载体的液膜分离通过处理含锌废水为例可以说明其分离原理和分离效果。
破乳：液膜传质过程完成以后，通常经过静置即可实现连续相(被处理液)和乳液(O/W或W/O型)的分离，在通过破乳实现内相和液膜的分离。破乳的方式可以通过物理方法如离心法、加热法及电场作用等进行，也可通过化学方法如添加破乳剂实现。但若考虑液膜重复作用，通常不以添加破乳剂的方式进行破乳。从使用的效果来看，其中以静电法较好。
表面活性剂是液膜分离不可缺少的主要成分之一，它不仅对液膜稳定性起决定性作用，而且对被分离物透过液膜的扩散速率和乳液破乳难易都有较大的影响。一种较为理想的液膜用表面活性剂应具备以下特点：配制W/O乳液宜选用HLB值为3.5～6的油溶性表面活性剂，而配制O/W乳液则宜选用HLB值为8～18的水溶性表面活性剂；制成的液膜有尽可能高的稳定性，有一定的温度适应范围，耐酸，碱，且溶胀小；能与多种载体配合使用，不与膜相载体反应；若有反应，必须有助于液膜萃取，而不能催化分解载体(萃取剂)；容易破乳，油相可反复使用；价格低廉，无毒或低毒，且能长期稳定保存。