植物单宁在水处理中的应用

植物单宁在水处理中的应用

中文名称：单宁酸

中文别名：鞣酸，丹宁酸

英文名称：Tannicacid

英文别名：TannicAcid(Tech);TannicAcid(Dyestuff);Tannin

分子式：C76H52O46

分子量：1701.22

单宁是多酚中高度聚合的化合物，它们能与蛋白质和消化酶形成难溶于水的复合物，影响食物的吸收消化。可分为水解单宁（hydrolytictannin，HT）和缩合单宁（condensedtannin，CT），两者常共存。后者也称原花青素（proanthocyanidins）全谷、豆类中的单宁含量较多。植物单宁是复杂的较高等植物的次生代谢物，广泛分布在植物体内。单宁分子由多环芳核和多种活性基团构成，具有亲水性、表面活性、阳离子交换能力、络合能力及吸附分散能力等，可作为絮凝剂、阻垢剂、缓蚀剂、离子交换剂用于水处理中。本文论述了植物单宁的基本特性及其作为絮凝剂、阻垢剂、缓蚀剂、离子交换树脂在水处理中应用现状，并展望了其发展趋势。

植物单宁也叫植物多酚，是复杂的较高等植物的次生代谢物，广泛分布在植物体内，含单宁较多的常见植物超过800种，已知的单宁也有5 0o0多种，在某些针叶树皮中单宁质量分数达20％～40％，在我国已发现300余种单宁含量高的植物，是一类分布广、品种多、数量大的重要的天然产物。根据化学结构特征，植物单宁分为水解单宁和缩合单宁两类，其构成单元骨架不同，性质和应用范围也有显著的差异。由于它们的分子结构上酚羟基数目众多，相对分子质量大、分布较宽，赋予了单宁独特的生理活性和化学特性，如能与蛋白质、生物碱、多糖结合，使其物理化学行为发生变化；能与多种金属离子发生络合和静电作用：具有还原性和捕捉自由基的活性；具有两亲结构和诸多衍生化反应活性等单宁分子的每个结构单元都是由多环芳核和活性官能团组成，其活性官能团包括：酚羟基、羟基、羧基等。由于分子中具有多种活性官能团，植物单宁具有亲水性、表面活性、离子交换能力、络合能力及吸附分散能力等，因此它可作为絮凝剂、阻垢分散剂、缓蚀剂、离子交换树脂在水处理中得到应用。作为一类可再生绿色资源，国内外从多个领域、多种角度开展了植物单宁在水处理中的应用研究。笔者根据近十几年相关文献资料统计分析，着重阐述了植物单宁作为絮凝剂、阻垢剂、缓蚀剂、离子交换树脂在水处理中的应用现状。

一、植物单宁作为絮凝剂在水处理中的应用

单宁能与蛋白质、多糖、非离子表面活性剂、金属离子(特别是重金属盐)结合产生沉淀；另外，单宁水溶液有半胶体溶液的性质，脱粒带负电，具有动电电位，而且单宁本身是天然大分子物质，体积大．这样容易从水中絮凝沉淀下来．因此广泛用于饮用水、废水和工业废水处理。但天然植物单宁电荷密度较小，性质多活泼，很易发生缩合或者降解失去活性，絮凝效果不理想。为了提高单宁的絮凝效果．人们将一些带电荷的基团如含氮基团、磺酸基等引入单宁中，大大提高了单宁絮凝剂的性能和使用价值。经过改性的单宁絮凝剂性质比较稳定．能够生物降解．不会对环境造成二次污染，从而可减轻污水后续处理的压力。目前单宁改性主要有三方面：阳离子化、阴离子化、两性化。

1、阳离子化

胶体和悬浮物颗粒通常都是带负电荷的，因此在实际应用中多将植物单宁改性为阳离子

絮凝剂。常通过以下两种方式改性得到：一是与带正电荷的离子型单体接枝共聚产生；二是通过酚羟基醚化的方法将N原子引入单宁分子，获得季铵盐型絮凝剂。改性后的阳离子单宁通过与水中带负电荷微粒中和和吸附架桥作用，使体系中的微粒脱稳、絮凝，同时还有脱色功能．因此比较适于处理有机物质含量较高的废水。

2、阴离子化

单宁含有酚羟基、羧基等活性基团，水溶液有半胶体溶液的性质，脱粒带负电，能与带正电荷粒子如金属离子悬浮颗粒络合形成稳定螯合物产生沉淀，因此可用来去除废水中的有毒重金属离子。

3、两性化

利用缩合单宁A环的亲核反应活性，采用仲胺、甲醛与单宁进行曼尼希反应，将胺甲基引入A环，制成胺化单宁，所得的改性产物是一种两性化合物。两性单宁既带有阴离子基团叉带有阳离子基团．其阳离子可以捕捉水中的有机悬浮杂质．阴离子可以促进无机悬浮物的沉降．在处理许多其他絮凝剂难以处理的水质时有很好的应用效果。絮凝丹即是这类产品．絮凝丹用于城市饮用水的净化和其他给水、污水处理，可以提高絮凝物的沉降过滤速率，且有价廉无毒的优点：用落叶松栲胶制的絮凝丹对长江水、黄河水的絮凝效果是硫酸铝的10～30倍。

二、植物单宁作为阻垢剂在水处理中的应用

单宁用作阻垢剂有如下特点：低毒、易生物降解、无二次污染，是绿色阻垢剂；原料来源广、容易制取、价格低廉、使用简便、处理温和；应用范围广、可用于中小型蒸汽锅炉、工业循环冷却水系统等防垢、除垢。单宁能防垢、除垢的作用是多方面的：

1、单宁含有许多酚羟基聚合度不同的物质(包括一些单体的混合物)，相对分子质量一般2 000以上，能与Ca2~、Mg2+等形成溶解度较大的螯合物，抑制了垢的沉积：

2、单宁具有分散性，能使污垢粒子较长时间地保持分散的悬浮状态，减少沉积的产生；

3、单宁破坏晶体使晶格畸变，单宁在水中可令形成水垢盐的晶体由原来的立方晶形转变成正交晶形，后者很容易脱落。达到阻垢目的；单宁与晶体表面进行螯合形成的螯合物占据晶格位置使晶格不能正常生长，若晶体继续生长，螯合物嵌入晶体中，使晶体易于破裂，阻碍了垢的生长。人们很早就知道将单宁用做阻垢剂，20世纪30年代，美国、英国、日本、前苏联就广泛使用过。现在已不仅仅局限于传统上的用于锅炉防垢、除垢。还可用于冷却水系统的预清洗、汽车水箱的防垢及内燃机水箱的抗冻防垢。

三、植物单宁作为缓蚀剂在水处理中的应用

植物单宁作为一类来源方便、价格低廉、绿色环保的天然有机高分子缓蚀剂受到国内外学者的广泛关注。近2O年来，各种介质条件下单宁对钢的抑制腐蚀效果都有人研究，有研究表明在酸性介质中单宁能抑制裸钢腐蚀．在中性介质中单宁对已经生锈的钢铁起保护作用。但在中性介质中单宁会加速裸钢的腐蚀。