多巴胺污水處理技術(shù)?中天恒遠(yuǎn)小編李德馨為您介紹，希望對您有所幫助。
我國水資源污染嚴(yán)重，隨著污染的惡化，人們環(huán)境意識(shí)的提高，國務(wù)院及環(huán)境保護(hù)部制定了一系列環(huán)境保護(hù)方面的意見與規(guī)劃，其中包括： “十二五”期間，到2015年，消除劣質(zhì)水體，改善城市水環(huán)境;投入相當(dāng)大的人力、物力、財(cái)力防治大氣污染和水污染;重新設(shè)定排污標(biāo)準(zhǔn)。隨著相應(yīng)制度和措施的落實(shí)，迫切需要環(huán)境治理技術(shù)的改進(jìn)，及新型有效處理材料的研究〔1〕。水污染主要包括有機(jī)物(如染料等)污染、無機(jī)物(如金屬離子等)污染和微生物污染。目前，膜處理和吸附技術(shù)因其獨(dú)特的特點(diǎn)已廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域的廢水處理中，但在其應(yīng)用中還存在一系列實(shí)際問題需要改進(jìn)。目前，一種應(yīng)用效果好、應(yīng)用前景廣闊的新星——多巴胺備受科研人員的關(guān)注。筆者就多巴胺這一物質(zhì)，對其特點(diǎn)、作用機(jī)理、在膜技術(shù)和吸附方面的應(yīng)用及前景進(jìn)行了介紹。
，多巴胺的自聚-附著行為及其機(jī)理
多巴胺(dopamine)，一種生物神經(jīng)遞質(zhì)。2007年，H. Lee等〔2〕從貽貝的黏附蛋白中獲得啟發(fā)，利用多巴胺研究了其在不同有機(jī)、無機(jī)材料表面的自聚涂覆功能，并成功形成了功能化的改性表面。自此，有關(guān)多巴胺在除神經(jīng)學(xué)外的應(yīng)用報(bào)道不斷引起人們的關(guān)注。基于多巴胺的黏附性、還原性以及生物相容性，多巴胺及其衍生的復(fù)合粒子逐漸被用于各個(gè)領(lǐng)域，如抗菌〔3〕、催化〔4〕、生物傳感器〔5〕、細(xì)胞成像〔6〕、膜技術(shù)、吸附等。盡管多巴胺具體的黏附機(jī)理還不是很清楚，但是科研人員普遍認(rèn)為，這種性能與多巴胺所含有的鄰苯二酚和氨基官能團(tuán)有關(guān)。其中被廣泛接受的解釋有2種，一種是在不同的pH下，多巴胺自聚后所帶電荷不同(見圖 1)〔7〕，從而使得其所附著的材料表現(xiàn)出不同的功能;另一種是在水溶液中，多巴胺的鄰苯二酚基團(tuán)容易被氧化，生成含有鄰苯二醌結(jié)構(gòu)的醌化合物，多巴胺和其醌化合物發(fā)生反歧化反應(yīng)，產(chǎn)生醌自由基，耦合形成交聯(lián)鍵，從而在基體材料表面形成緊密附著的交聯(lián)復(fù)合〔8〕。這與隨后發(fā)現(xiàn)的多巴胺表現(xiàn)出還原性能〔9〕具有一致性。從多巴胺和氧化石墨烯的反應(yīng)(見圖 2)可直接觀察到，混合了多巴胺的氧化石墨烯經(jīng)過濾后，顏色變黑，說明氧化石墨烯被還原〔9〕。隨著多巴胺在除神經(jīng)學(xué)領(lǐng)域外應(yīng)用的增多，需對其作用機(jī)理進(jìn)行深入研究，從而使其得到更廣泛的應(yīng)用。
圖 1 不同pH下多巴胺自聚后的帶電情況
圖 2 經(jīng)氧化石墨烯過濾后的膜(a)與經(jīng)聚多巴胺(PDA)修飾后的氧化石墨烯過濾后的膜(b)的比較
第二， 多巴胺用于膜技術(shù)
膜處理技術(shù)〔10〕因其分離效率高、設(shè)備簡單、操作方便、無相變、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于石油化工、醫(yī)藥衛(wèi)生、冶金、電子、能源、輕工、紡織、食品、環(huán)保、航天、海運(yùn)等的廢水處理中，其作用不可小覷。而膜材料又是膜技術(shù)的核心，因此，彌補(bǔ)現(xiàn)有膜材料使用中易污染、難清洗、壽命短、成本高等不足，提高膜材料的性能，是目前亟待解決的問題。由于表面功能化改性不改變膜本體結(jié)構(gòu)，僅有效改變材料表面的性能，其受到研究者的廣泛關(guān)注。基于多巴胺的黏附功能，其多被用于材料的表面功能改性。B. D. McCloskey等〔11〕在2010年用多巴胺對膜進(jìn)行改性，研究了改性后的反滲透膜、超濾膜和微濾膜在水通量和抗污性方面的改變。研究表明，所有膜經(jīng)過多巴胺改性后，對蛋白質(zhì)和牛血清白蛋白的黏附減少，說明其抗污性增強(qiáng);然而，經(jīng)過改性后，雖然親水性增強(qiáng)，但是由于膜孔被部分堵塞，其水通量有不同程度的減少。由于經(jīng)多巴胺修飾后的膜的部分效果可得到增強(qiáng)，研究者對此進(jìn)行了廣泛研究。J. T. Arena等〔12〕用多巴胺對反滲透膜進(jìn)行表面修飾，研究發(fā)現(xiàn)，改性后的膜比未改性膜的水通量可高出8~15倍。從多巴胺改性前后膜的電鏡圖(見圖 3)可以看出，改性后的膜孔被適量的多巴胺填充。經(jīng)多巴胺改性后，膜材料的親水性增強(qiáng)，從而使得膜的水通量增大，這對其在工程中的應(yīng)用有很大價(jià)值。Gang Han等〔13〕的研究表明，聚多巴胺(PDA)鍍膜過程對實(shí)驗(yàn)結(jié)果有很重要的影響。基于前面的研究，S. Kasemset等〔14〕對多巴胺改性中多巴胺濃度、pH、沉積時(shí)間等因素對膜水通量、截鹽率、油水分離的影響進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)表明，膜的純水通量隨著多巴胺濃度的增大、沉積時(shí)間的增長而減少;在任意濃度、沉積時(shí)間及堿性條件下，其抗油污性都顯著增強(qiáng)。綜上，多巴胺是很好的膜表面改性材料。由于對于多巴胺改性的機(jī)理、比較佳工藝條件，以及如何綜合提升各種效果還沒有切實(shí)的研究，因此，距離實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用還有距離。
圖 3 原始膜孔結(jié)構(gòu)(a)與聚多巴胺(PDA)鍍膜后的膜孔結(jié)構(gòu)(b)的比較
第三，多巴胺用于吸附
吸附因其易操作、成本低，成為化學(xué)工業(yè)、石化工業(yè)、制藥工業(yè)的一種重要分離手段。吸附劑的吸附容量、吸附效率以及可循環(huán)利用能力是其得以廣泛應(yīng)用的重要考量。基于多巴胺的親水性以及自身的黏附性，N. Farnad等〔15〕將其制成單獨(dú)的聚多巴胺納米粒子作為新型吸附劑移除水溶液中的Cu(Ⅱ)。在堿性溶液中，可通過多巴胺自聚形成聚多巴胺粒子，其平均直徑為75 nm。吸附試驗(yàn)表明，聚多巴胺粒子移除Cu2+的能力能達(dá)到34.4 mg/g。可見，多巴胺是很有前景的吸附材料。基于此，不少研究者將多巴胺與其他吸附類材料結(jié)合在一起，從而增強(qiáng)了吸附效果。眾所周知，活性炭是一種優(yōu)良的吸附劑，其具有獨(dú)特的孔隙結(jié)構(gòu)和表面活性官能團(tuán)，并具有穩(wěn)定的化學(xué)性能，耐強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、高壓等優(yōu)點(diǎn)。石墨烯作為活性炭的一種同素異形體，因其獨(dú)特的平面及超大的比表面積，受到研究者的廣泛關(guān)注。石墨烯以及基于石墨烯的衍生物已用于重金屬離子以及有機(jī)染料的去除〔16〕，研究證明，其具有良好的除污效果。綜合多巴胺與石墨烯的特性，兩者的復(fù)合材料已被制備，并用于抗菌〔3〕、催化〔4〕等。圖 4顯示了Ag-PDA-石墨烯形成的復(fù)合粒子對革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌的抗菌效果。定性實(shí)驗(yàn)表明，形成的復(fù)合粒子有很強(qiáng)的抗菌性能，為污水中微生物的去除提供了思路。
圖 4 Ag-PDA-石墨烯復(fù)合粒子對E.coil (a，b)和B.subtilis (c，d)的抗菌效果
為了方便工業(yè)大規(guī)模應(yīng)用，效率高、成本低、易回收的吸附材料一直是研究的重點(diǎn)。在普遍想做精做細(xì)的同時(shí)，有研究者以逆向思維考慮，把2D的復(fù)合粒子轉(zhuǎn)變?yōu)?D的復(fù)合材料，克服了2D復(fù)合粒子難回收的難題〔17〕。Hongcai Gao等〔18〕將多巴胺與氧化石墨烯進(jìn)行結(jié)合(見圖 5)形成3D水凝膠，并用于水的凈化。由于兩者獨(dú)特的性能，凝膠形成過程簡單。吸附實(shí)驗(yàn)證明，多巴胺與氧化石墨烯復(fù)合凝膠對重金屬、合成染料以及芳香族污染物都表現(xiàn)出了很高的吸附能力，更重要的是，污染物被吸附后這種獨(dú)立的3D結(jié)構(gòu)很容易被回收，而且通過簡單的pH調(diào)節(jié)和乙醇沖洗還可以使3D復(fù)合凝膠循環(huán)再利用。這不但簡便了操作，也大大降低了回收成本，對于實(shí)際的工業(yè)操作有很大的應(yīng)用價(jià)值。
圖 5 聚多巴胺功能化的石墨烯凝膠用于污水凈化的簡易圖示
多種吸附劑制備的復(fù)合材料，因其效率高，值得研究者不斷挖掘。而這其中，多巴胺又是不得不關(guān)注的交聯(lián)劑。具體參見http://www.dowater.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
第四， 結(jié)語與展望
膜技術(shù)和吸附技術(shù)作為效率高、無污染的綠色處理技術(shù)，其工藝和實(shí)際應(yīng)用水平在不斷提高，必將更廣泛地應(yīng)用于工業(yè)廢水和生活污水的處理。多巴胺作為一種綠色物質(zhì)，結(jié)合其自身自聚、黏附、還原等特性，在污水處理中有著獨(dú)特的作用。針對多巴胺在吸附和膜技術(shù)方面的應(yīng)用研究，以下幾方面的工作值得進(jìn)一步開展：
(1)對于多巴胺自聚-復(fù)合的機(jī)理研究還需進(jìn)一步深化，這有利于擴(kuò)展多巴胺的應(yīng)用范圍。
(2)多巴胺用于膜技術(shù)的表面功能改性，能改變膜的親水性，提高抗油污能力，從而延長膜的使用壽命。然而在改性過程中其均一性和厚度很難把握，而這對于膜的水通量以及除污效果有很大影響。因此，尋找更方便可行的可大規(guī)模生產(chǎn)的均一、厚度可控的方法來對膜進(jìn)行改性具有重要意義。
(3)目前，將多巴胺用于膜表面功能改性的研究不少，然而直接用于制備復(fù)合膜的研究相對來說還比較少，應(yīng)加強(qiáng)此方面的研究，以利于開發(fā)新產(chǎn)品，控制生產(chǎn) 。
(4)對水污染中的3大類主要污染物：重金屬離子、有機(jī)染料、微生物，前兩者都已有多巴胺的應(yīng)用研究，但對微生物方面的研究很少有涉及，而此類污染物對水體質(zhì)量也有很大的影響力。可以運(yùn)用多巴胺的特性進(jìn)行該方面的研究，從而對污水中的微生物進(jìn)行處理。
(5)研究具有效率高、易生化降解、原料來源豐富、制備成本低、廣譜應(yīng)用、易于循環(huán)利用、不造成二次污染等優(yōu)點(diǎn)的用于吸附的多巴胺復(fù)合材料仍是研究者的一大挑戰(zhàn)。
我國對多巴胺在水處理方面的研究和應(yīng)用已取得了一定的進(jìn)步，但對其產(chǎn)品的性能及應(yīng)用的深入研究與國外相比還有一定的差距。因此，今后一方面，應(yīng)加強(qiáng)對多巴胺作用機(jī)理以及實(shí)際應(yīng)用性能的研究，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，促進(jìn)產(chǎn)品的工業(yè)化;另一方面，應(yīng)尋找改性產(chǎn)品的比較佳適用條件并對其各種應(yīng)用性能進(jìn)行研究，從而使開發(fā)的新產(chǎn)品具有多種功能，設(shè)計(jì)更合理，應(yīng)用面更廣。
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