多巴胺在污水处理中的应用与展望

第35卷第2期工业水处理Vol.35 No.22015年2月Industrial W ater TreatmentFeb.,2015多巴胺在污水处理中的应用与展望王新鹏,郭周义(华南师范大学生物光子学研究院，激光生命科学重点实验室,广东广州510631)[摘要]主要探讨了多巴胺在污水处理中的优势、自聚_附着机理及其在膜技术和吸附方面的应用以及前景展望,并对目前的研究热点一多巴胺与石墨烯复合材料在水处理中的优觖点与应用现状进行了比较,指出多巴胺在污水处理方面具有良好的应用前景。[关键词]水处理;多巴胺;自聚附着;膜技术;吸附[中图分类号] X703[文献标识码] A [文章编号] 1005- 829X(2015)02 -0019-04Application of dopamine to sewage treatment and its forecastWang Xinpeng, Guo Zhouyi(College of Biophotonics & MOE Key Laboratory of Laser Life Science，Souh China Normal University，Guangzhou 510631 ,China)Abstract: The superiority of dopamine applied to wastewater treatment , as well as the self-polymerization and adhe-sion mechanism, application in the membrane technology and adhesion , and its prospects are mainly discussed.Moreover , the present hotspots ，the advantages ，and disadvantages of dopamine and graphite-selenium compositematerials and their application status to water treatment are compared. It is pointed out that dopamine applied towastewater treatment has pretty good prospects.Key words: water treatment ;dopamine ;self polymerization- adhension;membrane technology ;adsorption我国水资源污染严重,随着污染的恶化,人们料等)污染 、无机物(如金属离子等)污染和微生物环境意识的提高,国务院及环境保护部制定了一系污染。目前,膜处理和吸附技术因其独特的特点已列环境保护方面的意见与规划，其中包括:“十二广泛应用于众多领域的废水处理中,但在其应用五”期间,到2015年,消除劣质水体，改善城市水环中还存在一系列实际问题需要改进。目前,- -种应用境;投入相当大的人力物力、财力防治大气污染和效果好、应用前景广阔的新星一-多巴胺备受科研水污染;重新设定排污标准。随着相应制度和措施人员的关注。笔者就多巴胺这一物质,对其特点、作的落实,迫切需要环境治理技术的改进,及新型有用机理、在膜技术和吸附方面的应用及前景进行了效处理材料的研究(。水污染主要包括有机物(如染介绍。[22] Li Peng, Wei Xing,Zuo Jiane ,et al. Hydrogenotrophic denitrificae[25] Mateju V,Cizinska S,Krejci J,et al. Biological water denitification:tion for trtiary nitrogen removal from municipal wastewater usingA reriew[J]. Enzyme Microb. Technol, 1992, 14(3):170-183.membrane diffusion packed-bed bioreactor[J]. Bioresour. Technol,[26] van Ginkel S W ,Tang Youneng, Rittmann B E. Impact of precipita-2013, 144:452 -459.tion on the treatment of real ion-exchange brine using the H(2)-[23] Lu Caixia ,Gu Ping,Zhang Guanghui ,et al. Characteristic of hydro-based membrane biofilm reactor [J]. Water Sci. Technol ,2011 ,63genotrophie denitrification in a combined system of gas-permneable(7):1453-1458.membrane and a biofilm reactor [J]. J. Hazard. Mater. ,2009, 168(2/3):1581-1589.[24] Rezania B,Olszkiewicz J A,Cicek N. Hydrogen-dependent denitri-[作者简介]邓玮玮(1988- ), 硕士。Email:1007813348@qq.com。通讯联系人:王晓昌,电话:13991976150,Email:917913921@fication of water in an anaerobic submerged membrane bioreactorcoupled with a novel hydrogen deliverysystem[J]. Water Res,qq.com。2007.41(5):1074-1080.[收稿日期] 2014-11-11(修改稿)-19-工业水处理2015-02 ,35(2)专论与综述1多巴胺的自聚- 附着行为及其机理后,颜色变黑，说明氧化石墨烯被还原19)。随着多巴多巴胺(dopamine),一种生物神经递质。2007胺在除神经学领域外应用的增多，需对其作用机理年,H.Lee等(2)从贻贝的黏附蛋白中获得启发,利用进行深入研究,从而使其得到更广泛的应用。多巴胺研究了其在不同有机、无机材料表面的自聚2多巴胺用于膜技术涂覆功能,并成功形成了功能化的改性表面。自此，膜处理技术(因其分离效率高、设备简单、操作有关多巴胺在除神经学外的应用报道不断引起人方便、无相变、节能等优点,已被广泛应用于石油化们的关注。基于多巴胺的黏附性、还原性以及生物工医药卫生、冶金、电子、能源、轻工、纺织、食品、环相容性,多巴胺及其衍生的复合粒子逐渐被用于各个保航天、海运等的废水处理中,其作用不可小觑。而领域,如抗菌0)、催化间、生物传感器5.细胞成像回、膜材料又是膜技术的核心,因此,弥补现有膜材料使膜技术、吸附等。尽管多巴胺具体的黏附机理还不用中易污染、难清洗、寿命短、成本高等不足,提高膜是很清楚,但是科研人员普遍认为,这种性能与多材料的性能,是目前亟待解决的问题。由于表面功能巴胺所含有的邻苯二酚和氨基官能团有关。其中被化改性不改变膜本体结构，仅有效改变材料表面的广泛接受的解释有2种,一种是在不同的pH下,多性能,其受到研究者的广泛关注。基于多巴胺的黏附巴胺自聚后所带电荷不同(见图1)7,从而使得其功能，其多被用于材料的表面功能改性。B. D. Mc-所附着的材料表现出不同的功能;另- -种是在水溶Closkey等0在2010年用多巴胺对膜进行改性,研液中,多巴胺的邻苯二酚基团容易被氧化,生成含究了改性后的反渗透膜、超滤膜和微滤膜在水通量有邻苯二醌结构的醌化合物,多巴胺和其醌化合物和抗污性方面的改变。研究表明,所有膜经过多巴胺发生反歧化反应,产生醌自由基,耦合形成交联键,改性后，,对蛋白质和牛血清白蛋白的黏附减少,说明从而在基体材料表面形成紧密附着的交联复其抗污性增强;然而，经过改性后,虽然亲水性增强，合8。这与随后发现的多巴胺表现出还原性能9具但是由于膜孔被部分堵塞,其水通量有不同程度的有一致性。从多巴胺和氧化石墨烯的反应(见图2)减少。由于经多巴胺修饰后的膜的部分效果可得到可直接观察到,混合了多巴胺的氧化石墨烯经过滤增强,研究者对此进行了广泛研究。J.T. Arena等(2)HQ OHQ OHQ。用多巴胺对反渗透膜进行表面修饰,研究发现,改性后的膜比未改性膜的水通量可高出8~15倍。从多H2NHN、,巴胺改性前后膜的电镜图(见图3)可以看出,改性后的膜孔被适量的多巴胺填充。经多巴胺改性后,膜HNyOH材料的亲水性增强,从而使得膜的水通量增大,这对OHpH=3pH=7pH=1I其在工程中的应用有很大价值。Gang Han等13)的研究表明,聚多巴胺(PDA)镀膜过程对实验结果有很ii重要的影响。基于前面的研究,S. Kasemset等14对多巴胺改性中多巴胺浓度.pH、沉积时间等因素对膜水通量、截盐率、油水分离的影响进行了研究,实验H2↑表明,膜的纯水通量随着多巴胺浓度的增大、沉积时低pH商p图1不同pH下多巴胺自聚后的带电情况a图3原始膜孔结构(a)与聚 多巴胺(PDA)图2经氧化石墨烯过滤后的膜(a)与经聚多巴胺(PDA)镀膜后的膜孔结构(b)的比较修饰后的氧化石墨烯过滤后的膜(b)的比较-20-工业水处理2015-02 ,35(2)王新鹏,等:多巴胺在污水处理中的应用与展望间的增长而减少;在任意浓度、沉积时间及碱性条件做细的同时,有研究者以逆向思维考虑把2D的复下,其抗油污性都显著增强。综上,多巴胺是很好的合粒子转变为3D的复合材料,克服了2D复合粒子膜表面改性材料。由于对于多巴胺改性的机理、最佳难回收的难题(7。Hongcai Gao等(18)将多巴胺与氧化工艺条件，以及如何综合提升各种效果还没有切实石墨烯进行结合(见图5)形成3D水凝胶,并用于水的研究,因此,距离实际生产应用还有距离。的净化。由于两者独特的性能,凝胶形成过程简单。3多巴胺用于吸附吸附实验证明，多巴胺与氧化石墨烯复合凝胶对重吸附因其易操作、成本低，成为化学工业、石化金属、合成染料以及芳香族污染物都表现出了很高的吸附能力,更重要的是,污染物被吸附后这种独立工业、制药工业的--种重要分离手段。吸附剂的吸附的3D结构很容易被回收,而且通过简单的pH调节容量、吸附效率以及可循环利用能力是其得以广泛和乙醇冲洗还可以使3D复合凝胶循环再利用。这应用的重要考量。基于多巴胺的亲水性以及自身的不但简便了操作,也大大降低了回收成本,对于实际黏附性,N.Farnad等([5)将其制成单独的聚多巴胺纳的工业操作有很大的应用价值。米粒子作为新型吸附剂移除水溶液中的Cu(I)。在碱性溶液中,可通过多巴胺自聚形成聚多巴胺粒子,其平均直径为75nm。吸附试验表明,聚多巴胺粒子移除Cu2*的能力能达到34.4 mg/g。可见,多巴胺是很M"污染物吸附有前景的吸附材料。基于此,不少研究者将多巴胺与其他吸附类材料结合在- -起,从而增强了吸附效果。聚多巴胺功能，众所周知,活性炭是一种优良的吸附剂,其具有独特化的石墨烯凝胶污染水净化水的孔隙结构和表面活性官能团，并具有稳定的化学图5聚多巴胺功能化的石墨烯凝胶性能,耐强酸、强碱、高压等优点。石墨烯作为活性炭用于污水净化的简易图示的一一种同素异形体，因其独特的平面及超大的比表多种吸附剂制备的复合材料,因其效率高,值得面积，受到研究者的广泛关注。石墨烯以及基于石墨研究者不断挖掘。而这其中,多巴胺又是不得不关注烯的衍生物已用于重金属离子以及有机染料的去的交联剂。除(16),研究证明,其具有良好的除污效果。综合多巴4结语与展望胺与石墨烯的特性,两者的复合材料已被制备,并用于抗菌(3)、催化(4等。图4显示了Ag- -PDA-石墨烯形膜技术和吸附技术作为效率高、无污染的绿色成的复合粒子对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的抗处理技术,其工艺和实际应用水平在不断提高,必将菌效果。定性实验表明,形成的复合粒子有很强的抗更广泛地应用于工业废水和生活污水的处理。多巴菌性能,为污水中微生物的去除提供了思路。胺作为一种绿色物质,结合其自身自聚、黏附、还原等特性,在污水处理中有着独特的作用。针对多巴胺在吸附和膜技术方面的应用研究，以下几方面的工作值得进一步开展:(1)对于多巴胺自聚-复合的机理研究还需进一步深化,这有利于扩展多巴胺的应用范围。(2)多巴胺用于膜技术的表面功能改性,能改变24h膜的亲水性,提高抗油污能力,从而延长膜的使用寿命。然而在改性过程中其均- -性和厚度很难把握,而这对于膜的水通量以及除污效果有很大影响。因此,国4 Ag-PDA石墨烯复合粒子对E.coil寻找更方便可行的可大规模生产的均一、厚度可控(a, b)和B.subilis (c, d)的抗菌效果的方法来对膜进行改性具有重要意义。为了方便工业大规模应用,效率高、成本低、易(3)目前,将多巴胺用于膜表面功能改性的研究回收的吸附材料- - 直是研究的重点。在普遍想做精不少，然而直接用于制备复合膜的研究相对来说还- -21-专论与综述工业水处理2015-02 ,35(2)比较少,应加强此方面的研究,以利于开发新产品，4244 4258.控制生产。[8]徐又- ,蒋金泓,朱利平,等.多巴胺的自聚-附着行为与膜表面功能化[J].膜科学与技术,2011,31(3):32-38.(4)对水污染中的3大类主要污染物:重金属离[9] Kang S M ,Park S,Kim D, et al Simultaneous reduction and surface子、有机染料微生物,前两者都已有多巴胺的应用functionalization of graphene oxide by musel-inspired chemistry[J].研究,但对微生物方面的研究很少有涉及,而此类污Advanced Functional Materials ,2011, 21(1):108-112.染物对水体质量也有很大的影响力。可以运用多巴[10] McCloskey B D,Park H B,Ju H,et al. A bioinspired fuingresis胺的特性进行该方面的研究,从而对污水中的微生tant surface modifcation for water purification membranes [J].Joumal of Membrane Science ,2012,413/414:82-90.物进行处理。[11] McCloskey B D,Park H B,Ju H,.et al. Infuence of polydopanine(5)研究具有效率高、易生化降解、原料来源丰deposition conditions on pure water flux and foulant adhension富、制备成本低、广谱应用易于循环利用、不造成二resistance of reverse osmosis ,ultrafiltration , and microfiltration次污染等优点的用于吸附的多巴胺复合材料仍是研membranes[J]. Polymer ,2010,51(5):3472- -3485.究者的一大挑战。[12] Arena J T,McCloskey B,Freeman B D,et al. Surface modifcation我国对多巴胺在水处理方面的研究和应用已取of thin film composite menbrane support layers with polydopamnine;Enabling use of reverse osmosis membranes in pressure retarded得了一定的进步，但对其产品的性能及应用的深入osmosis[J]. Joumnal of Membrane Science ,2011 ,375(1/2):55-62.研究与国外相比还有一-定的差距。因此，今后- -方13] Han Cang, Zhang Sui ,Li Xue ,et al. Thin film compoeite forward面，应加强对多巴胺作用机理以及实际应用性能的o8mosis membranes based on polydopanine modified polysulfone研究,稳定产品质量,促进产品的工业化;另一方面,substrates with enhancements in both water flux and salt rejec-应寻找改性产品的最佳适用条件并对其各种应用性tion[J]. Chemical Engineering Science ,2012 ,80:219 -231.能进行研究,从而使开发的新产品具有多种功能,设[14] Kasenset S,Lee A,Miller DJ,et al. Eftect of polydopanine deposi-tion conditions on fouling resistance ,physical properties ,and计更合理,应用面更广。permeation properties of reverse o8mosis membranes in oi/water参考文献separation[J]. Joumnal of Membrane Science ,2013 ,425/426: 208-216.[1]中国环境保护产业协会水污染治理委员会.我国水污染治理行[15] Farmad N,Farnad K,Voelcker N H. Polydopamine nanoparticles a业2012年发展综述[J].中国环保产业,2013(8):5-12.a new and highly selective biosorbent for the removal of copper[2] Lee H,Dellatore S M Miller W M,et al. Mussel-inepired surface( I ) ions from aqucous solutions[J]. Water Air and Soil Pollution,chemistry for mulifunctional coatings[J]. 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