多巴胺在污水處理中的應用與展望

第35卷第2期工業(yè)水處理Vol.35 No.22015年2月Industrial W ater TreatmentFeb.,2015多巴胺在污水處理中的應用與展望王新鵬,郭周義(華南師范大學(xué)生物光子學(xué)研究院，激光生命科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗室,廣東廣州510631)[摘要]主要探討了多巴胺在污水處理中的優(yōu)勢、自聚_附著(zhù)機理及其在膜技術(shù)和吸附方面的應用以及前景展望,并對目前的研究熱點(diǎn)一多巴胺與石墨烯復合材料在水處理中的優(yōu)觖點(diǎn)與應用現狀進(jìn)行了比較,指出多巴胺在污水處理方面具有良好的應用前景。[關(guān)鍵詞]水處理;多巴胺;自聚附著(zhù);膜技術(shù);吸附[中圖分類(lèi)號] X703[文獻標識碼] A [文章編號] 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我國水資源污染嚴重,隨著(zhù)污染的惡化,人們料等)污染 、無(wú)機物(如金屬離子等)污染和微生物環(huán)境意識的提高,國務(wù)院及環(huán)境保護部制定了一系污染。目前,膜處理和吸附技術(shù)因其獨特的特點(diǎn)已列環(huán)境保護方面的意見(jiàn)與規劃，其中包括:“十二廣泛應用于眾多領(lǐng)域的廢水處理中,但在其應用五”期間,到2015年,消除劣質(zhì)水體，改善城市水環(huán)中還存在一系列實(shí)際問(wèn)題需要改進(jìn)。目前,- -種應用境;投入相當大的人力物力、財力防治大氣污染和效果好、應用前景廣闊的新星一-多巴胺備受科研水污染;重新設定排污標準。隨著(zhù)相應制度和措施人員的關(guān)注。筆者就多巴胺這一物質(zhì),對其特點(diǎn)、作的落實(shí),迫切需要環(huán)境治理技術(shù)的改進(jìn),及新型有用機理、在膜技術(shù)和吸附方面的應用及前景進(jìn)行了效處理材料的研究(。水污染主要包括有機物(如染介紹。[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. 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Water Res,qq.com。2007.41(5):1074-1080.[收稿日期] 2014-11-11(修改稿)-19-工業(yè)水處理2015-02 ,35(2)專(zhuān)論與綜述1多巴胺的自聚- 附著(zhù)行為及其機理后,顏色變黑，說(shuō)明氧化石墨烯被還原19)。隨著(zhù)多巴多巴胺(dopamine),一種生物神經(jīng)遞質(zhì)。2007胺在除神經(jīng)學(xué)領(lǐng)域外應用的增多，需對其作用機理年,H.Lee等(2)從貽貝的黏附蛋白中獲得啟發(fā),利用進(jìn)行深入研究,從而使其得到更廣泛的應用。多巴胺研究了其在不同有機、無(wú)機材料表面的自聚2多巴胺用于膜技術(shù)涂覆功能,并成功形成了功能化的改性表面。自此，膜處理技術(shù)(因其分離效率高、設備簡(jiǎn)單、操作有關(guān)多巴胺在除神經(jīng)學(xué)外的應用報道不斷引起人方便、無(wú)相變、節能等優(yōu)點(diǎn),已被廣泛應用于石油化們的關(guān)注?；诙喟桶返酿じ叫?、還原性以及生物工醫藥衛生、冶金、電子、能源、輕工、紡織、食品、環(huán)相容性,多巴胺及其衍生的復合粒子逐漸被用于各個(gè)保航天、海運等的廢水處理中,其作用不可小覷。而領(lǐng)域,如抗菌0)、催化間、生物傳感器5.細胞成像回、膜材料又是膜技術(shù)的核心,因此,彌補現有膜材料使膜技術(shù)、吸附等。盡管多巴胺具體的黏附機理還不用中易污染、難清洗、壽命短、成本高等不足,提高膜是很清楚,但是科研人員普遍認為,這種性能與多材料的性能,是目前亟待解決的問(wèn)題。由于表面功能巴胺所含有的鄰苯二酚和氨基官能團有關(guān)。其中被化改性不改變膜本體結構，僅有效改變材料表面的廣泛接受的解釋有2種,一種是在不同的pH下,多性能,其受到研究者的廣泛關(guān)注?；诙喟桶返酿じ桨桶纷跃酆笏鶐щ姾刹煌?見(jiàn)圖1)7,從而使得其功能，其多被用于材料的表面功能改性。B. D. Mc-所附著(zhù)的材料表現出不同的功能;另- -種是在水溶Closkey等0在2010年用多巴胺對膜進(jìn)行改性,研液中,多巴胺的鄰苯二酚基團容易被氧化,生成含究了改性后的反滲透膜、超濾膜和微濾膜在水通量有鄰苯二醌結構的醌化合物,多巴胺和其醌化合物和抗污性方面的改變。研究表明,所有膜經(jīng)過(guò)多巴胺發(fā)生反歧化反應,產(chǎn)生醌自由基,耦合形成交聯(lián)鍵,改性后，,對蛋白質(zhì)和牛血清白蛋白的黏附減少,說(shuō)明從而在基體材料表面形成緊密附著(zhù)的交聯(lián)復其抗污性增強;然而，經(jīng)過(guò)改性后,雖然親水性增強，合8。這與隨后發(fā)現的多巴胺表現出還原性能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。從多巴胺和氧化石墨烯的反應(見(jiàn)圖2)減少。由于經(jīng)多巴胺修飾后的膜的部分效果可得到可直接觀(guān)察到,混合了多巴胺的氧化石墨烯經(jīng)過(guò)濾增強,研究者對此進(jìn)行了廣泛研究。J.T. Arena等(2)HQ OHQ OHQ。用多巴胺對反滲透膜進(jìn)行表面修飾,研究發(fā)現,改性后的膜比未改性膜的水通量可高出8~15倍。從多H2NHN、,巴胺改性前后膜的電鏡圖(見(jiàn)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HNyOH材料的親水性增強,從而使得膜的水通量增大,這對OHpH=3pH=7pH=1I其在工程中的應用有很大價(jià)值。Gang Han等13)的研究表明,聚多巴胺(PDA)鍍膜過(guò)程對實(shí)驗結果有很ii重要的影響?；谇懊娴难芯?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H2↑表明,膜的純水通量隨著(zhù)多巴胺濃度的增大、沉積時(shí)低pH商p圖1不同pH下多巴胺自聚后的帶電情況a圖3原始膜孔結構(a)與聚 多巴胺(PDA)圖2經(jīng)氧化石墨烯過(guò)濾后的膜(a)與經(jīng)聚多巴胺(PDA)鍍膜后的膜孔結構(b)的比較修飾后的氧化石墨烯過(guò)濾后的膜(b)的比較-20-工業(yè)水處理2015-02 ,35(2)王新鵬,等:多巴胺在污水處理中的應用與展望間的增長(cháng)而減少;在任意濃度、沉積時(shí)間及堿性條件做細的同時(shí),有研究者以逆向思維考慮把2D的復下,其抗油污性都顯著(zhù)增強。綜上,多巴胺是很好的合粒子轉變?yōu)?D的復合材料,克服了2D復合粒子膜表面改性材料。由于對于多巴胺改性的機理、最佳難回收的難題(7。Hongcai Gao等(18)將多巴胺與氧化工藝條件，以及如何綜合提升各種效果還沒(méi)有切實(shí)石墨烯進(jìn)行結合(見(jiàn)圖5)形成3D水凝膠,并用于水的研究,因此,距離實(shí)際生產(chǎn)應用還有距離。的凈化。由于兩者獨特的性能,凝膠形成過(guò)程簡(jiǎn)單。3多巴胺用于吸附吸附實(shí)驗證明，多巴胺與氧化石墨烯復合凝膠對重吸附因其易操作、成本低，成為化學(xué)工業(yè)、石化金屬、合成染料以及芳香族污染物都表現出了很高的吸附能力,更重要的是,污染物被吸附后這種獨立工業(yè)、制藥工業(yè)的--種重要分離手段。吸附劑的吸附的3D結構很容易被回收,而且通過(guò)簡(jiǎn)單的pH調節容量、吸附效率以及可循環(huán)利用能力是其得以廣泛和乙醇沖洗還可以使3D復合凝膠循環(huán)再利用。這應用的重要考量?；诙喟桶返挠H水性以及自身的不但簡(jiǎn)便了操作,也大大降低了回收成本,對于實(shí)際黏附性,N.Farnad等([5)將其制成單獨的聚多巴胺納的工業(yè)操作有很大的應用價(jià)值。米粒子作為新型吸附劑移除水溶液中的Cu(I)。在堿性溶液中,可通過(guò)多巴胺自聚形成聚多巴胺粒子,其平均直徑為75nm。吸附試驗表明,聚多巴胺粒子移除Cu2*的能力能達到34.4 mg/g?？梢?jiàn),多巴胺是很M"污染物吸附有前景的吸附材料?；诖?不少研究者將多巴胺與其他吸附類(lèi)材料結合在- -起,從而增強了吸附效果。聚多巴胺功能，眾所周知,活性炭是一種優(yōu)良的吸附劑,其具有獨特化的石墨烯凝膠污染水凈化水的孔隙結構和表面活性官能團，并具有穩定的化學(xué)圖5聚多巴胺功能化的石墨烯凝膠性能,耐強酸、強堿、高壓等優(yōu)點(diǎn)。石墨烯作為活性炭用于污水凈化的簡(jiǎn)易圖示的一一種同素異形體，因其獨特的平面及超大的比表多種吸附劑制備的復合材料,因其效率高,值得面積，受到研究者的廣泛關(guān)注。石墨烯以及基于石墨研究者不斷挖掘。而這其中,多巴胺又是不得不關(guān)注烯的衍生物已用于重金屬離子以及有機染料的去的交聯(lián)劑。除(16),研究證明,其具有良好的除污效果。綜合多巴4結語(yǔ)與展望胺與石墨烯的特性,兩者的復合材料已被制備,并用于抗菌(3)、催化(4等。圖4顯示了Ag- -PDA-石墨烯形膜技術(shù)和吸附技術(shù)作為效率高、無(wú)污染的綠色成的復合粒子對革蘭氏陽(yáng)性菌和革蘭氏陰性菌的抗處理技術(shù),其工藝和實(shí)際應用水平在不斷提高,必將菌效果。定性實(shí)驗表明,形成的復合粒子有很強的抗更廣泛地應用于工業(yè)廢水和生活污水的處理。多巴菌性能,為污水中微生物的去除提供了思路。胺作為一種綠色物質(zhì),結合其自身自聚、黏附、還原等特性,在污水處理中有著(zhù)獨特的作用。針對多巴胺在吸附和膜技術(shù)方面的應用研究，以下幾方面的工作值得進(jìn)一步開(kāi)展:(1)對于多巴胺自聚-復合的機理研究還需進(jìn)一步深化,這有利于擴展多巴胺的應用范圍。(2)多巴胺用于膜技術(shù)的表面功能改性,能改變24h膜的親水性,提高抗油污能力,從而延長(cháng)膜的使用壽命。然而在改性過(guò)程中其均- -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,國4 Ag-PDA石墨烯復合粒子對E.coil尋找更方便可行的可大規模生產(chǎn)的均一、厚度可控(a, b)和B.subilis (c, d)的抗菌效果的方法來(lái)對膜進(jìn)行改性具有重要意義。為了方便工業(yè)大規模應用,效率高、成本低、易(3)目前,將多巴胺用于膜表面功能改性的研究回收的吸附材料- - 直是研究的重點(diǎn)。在普遍想做精不少，然而直接用于制備復合膜的研究相對來(lái)說(shuō)還- -21-專(zhuān)論與綜述工業(yè)水處理2015-02 ,35(2)比較少,應加強此方面的研究,以利于開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品，4244 4258.控制生產(chǎn)。[8]徐又- ,蔣金泓,朱利平,等.多巴胺的自聚-附著(zhù)行為與膜表面功能化[J].膜科學(xué)與技術(shù),2011,31(3):32-38.(4)對水污染中的3大類(lèi)主要污染物:重金屬離[9] Kang S M ,Park S,Kim D, et al Simultaneous reduction and surface子、有機染料微生物,前兩者都已有多巴胺的應用functionalization of graphene oxide by musel-inspired chemistry[J].研究,但對微生物方面的研究很少有涉及,而此類(lèi)污Advanced Functional Materials ,2011, 21(1):108-112.染物對水體質(zhì)量也有很大的影響力?？梢赃\用多巴[10] McCloskey B D,Park H B,Ju H,et al. A bioinspired fuingresis胺的特性進(jìn)行該方面的研究,從而對污水中的微生tant surface modifcation for water purification membranes [J].Joumal of Membrane Science ,2012,413/414:82-90.物進(jìn)行處理。[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、原料來(lái)源豐deposition conditions on pure water flux and foulant adhension富、制備成本低、廣譜應用易于循環(huán)利用、不造成二resistance of reverse osmosis ,ultrafiltration , and microfiltration次污染等優(yōu)點(diǎn)的用于吸附的多巴胺復合材料仍是研membranes[J]. Polymer ,2010,51(5):3472- -3485.究者的一大挑戰。[12] Arena J T,McCloskey B,Freeman B D,et al. Surface modifcation我國對多巴胺在水處理方面的研究和應用已取of thin film composite menbrane support layers with polydopamnine;Enabling use of reverse osmosis membranes in pressure retarded得了一定的進(jìn)步，但對其產(chǎn)品的性能及應用的深入osmosis[J]. Joumnal of Membrane Science ,2011 ,375(1/2):55-62.研究與國外相比還有一-定的差距。因此，今后- -方13] Han Cang, Zhang Sui ,Li Xue ,et al. Thin film compoeite forward面，應加強對多巴胺作用機理以及實(shí)際應用性能的o8mosis membranes based on polydopanine modified polysulfone研究,穩定產(chǎn)品質(zhì)量,促進(jìn)產(chǎn)品的工業(yè)化;另一方面,substrates with enhancements in both water flux and salt rejec-應尋找改性產(chǎn)品的最佳適用條件并對其各種應用性tion[J]. Chemical Engineering Science ,2012 ,80:219 -231.能進(jìn)行研究,從而使開(kāi)發(fā)的新產(chǎn)品具有多種功能,設[14] Kasenset S,Lee A,Miller DJ,et al. Eftect of polydopanine deposi-tion conditions on fouling resistance ,physical properties ,and計更合理,應用面更廣。permeation properties of reverse o8mosis membranes in oi/water參考文獻separation[J]. Joumnal of Membrane Science ,2013 ,425/426: 208-216.[1]中國環(huán)境保護產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì )水污染治理委員會(huì ).我國水污染治理行[15] Farmad N,Farnad K,Voelcker N H. Polydopamine nanoparticles a業(yè)2012年發(fā)展綜述[J].中國環(huán)保產(chǎn)業(yè),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]. 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