南昌大学杨宏伟教授团队在Water Research发表成果：接枝功能化β-环糊精絮凝剂实现乳化油废水高效破乳除油

近日，南昌大学资源与环境学院、鄱阳湖环境与资源利用教育部重点实验室杨宏伟教授团队在水环境领域顶级期刊《Water Research》（中科院1 区TOP，IF=12.4）发表题为 “Efficient demulsification of emulsified oil wastewater by graft-functionalized β-cyclodextrin flocculants: The effect of charge density, hydrophobicity, and graft chain length” 的研究论文，报道了一类结构可精准调控的 β环糊精基絮凝剂，实现对乳化油废水的高效破乳与深度去除，并从实验探究、二次多项式模型拟合与DFT计算系统揭示其构效关系。论文第一作者为南昌大学副教授欧阳二明，通讯作者为赵瑞副教授，第一完成单位与通讯单位均为南昌大学。

研究背景

乳化油废水来源于于石油炼制、金属加工等行业，废水中油滴粒径微小，在表面活性剂包裹下表面均匀携带负电荷，依靠静电斥力形成稳定的水包油乳化体系，具有难生物降解、毒性强、自然沉降难度大等特点，未经有效处理直接排放会降低水体溶解氧、破坏水生生物群落，并沿食物链富集危害人体健康。絮凝法因工艺简单、成本低廉，且作为水处理工艺的一项基本单元，是一种有潜力的乳化油废水处理技术。然而现有的商用絮凝剂如聚合氯化铝（PAC）、聚丙烯酰胺（PAM）等主要用于常规悬浮物的脱稳，对高浓度、高稳定性的乳化油废水破乳除油效果有限，处理出水难以达到排放标准。同时现有的关于除油絮凝剂的研究多聚焦絮凝剂单一结构参数优化，缺乏多参数协同作用的分析，且对乳化油的絮凝机制多为宏观定性描述，限制了高效除油絮凝剂的合理设计与应用。

研究内容

β-环糊精是一种天然高分子材料，具有无毒、可生物降解、来源广泛、易改性等优点。团队以 β-环糊精为骨架，通过热引发自由基接枝共聚，引入季铵盐阳离子单元、疏水烷基链与丙烯酰胺单元，制备出兼具高电荷密度、可调疏水性与可控接枝链长的系列 β-CD-AAL絮凝剂，实现结构与性能的定向优化。经FTIR、XPS等表征证实功能单体成功接枝，且改性后材料热稳定性显著提升。

研究表明，所制备β-CD-AAL絮凝剂展现出优异破乳除油性能：最优样品β-CD-AAL-4在2.5 mg/L低投加量下对乳化油去除率高达95.9%，远高于传统絮凝剂聚合氯化铝（PAC，70.5%）、聚丙烯酰胺（PAM，72.3%）。该絮凝剂在乳化油废水pH= 2–12范围仍稳定高效，除油率始终保持 80% 以上，同时还表现出优异的高浊度适应性，可满足复杂工业废水处理需求。

团队结合二次多项式模型拟合与密度泛函理论（DFT）计算，从数学定量与分子层面揭示构效关系：电荷密度对絮凝性能影响最大，疏水性次之，接枝链长影响最弱。通过微观絮体动态生长分析，阐明破乳絮凝机理：前期絮凝剂通过电中和作用、疏水缔合作用以及吸附架桥作用协同实现对乳化油的快速破乳絮凝，其中电中和作用影响最大起主导作用，电中和饱和后转为疏水缔合+吸附架桥主导絮体生长与密实化，实现对乳化油的高效去除。

该成果为高效环保絮凝剂的定向设计提供了理论支撑，有望推动其在工业乳化油废水处理中的规模化应用。

本研究得到国家自然科学基金（No. 52460004）、江西省自然科学基金（No. 20232BAB214088）资助，南昌大学为唯一完成单位与通讯单位。

图1  β-CD-AAL絮凝剂的制备流程及表征

图2 β-CD-AAL絮凝剂的除油性能探究

图3 β-CD-AAL絮凝剂的性能机理示意图

编辑：赵瑞

一审：赵蒙蒙

二审：魏林生

三审：柏晓武