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gemini表面活性剂与胞外聚合物吸附形成复合物的分子动力学模拟 1 污泥预处理的生物活性成分 剩余生产性废水的处理是废水生化过程中产生的。由于含有抗生素、病原体、重金属、放射性元素、大量苯、酚、镉、苯和镉等难以分解的有毒有害物质，1-3直接排放污染周围的土壤和水体，也对人类构成严重破坏。剩余生产性废水的处理已成为一个必须尽快解决的环境问题之一。4.5由于污泥成分复杂，脱水性能较差，应采取一定的处理措施，提高污泥的脱水性能。例如，可以通过物理、6-8生物多样性9、10或化学第11-12方法对污泥进行预处理，改变污泥颗粒的性质和化学组成，破坏污泥的胶体结构，减少与水的亲和力，提高污泥的脱水性能。物理方法需要通过外部能量或应力来改变污泥的性质。生物规律主要依靠好氧消化或厌氧消化，来减少和破坏污泥的高间隙结构。第一种方法是投资和运营成本有限，难以推广和应用。后者对环境敏感，工业开发存在技术障碍。化学法是通过添加化学品来改变污泥的特性，是当前污泥预处理的主要方法。 胞外聚合物 (EPS) 是污泥的重要组成部分, 主要是污泥中微生物细胞新陈代谢所产生的可以聚集细菌形成污泥絮体的物质, 主要可以分为三类: 多糖、蛋白质和核酸.13, 14有研究认为, EPS对剩余活性污泥的沉降性能和脱水性能有重要的影响,15-17污泥难以脱水的一个原因就是由于EPS的存在, 它像胶囊壁一样包围在细菌的周围且不断向溶液中分泌粘性聚合物. 化学法的原理是所加药剂与EPS相互作用, 使EPS从污泥表面脱落, 改变污泥絮体的形态, 改善污泥的脱水性能. 表面活性剂的分子结构兼具亲油基和亲水基两个部分, 能吸附在两相界面上, 呈单分子排列, 使溶液的表面张力降低.18有研究发现, 某些种类的表面活性剂对污泥脱水具有显著的促进作用. Kaiser和Hey19发现特定种类的表面活性剂用于煤炭污泥系统中能够提高固液分离的效率; Puttock和Wainwright20的研究结果显示, 将表面活性剂应用于不同种类的矿物污泥脱水中, 均能使过滤后污泥泥饼含水率显著下降, 他们认为, 表面活性剂的加入能使污泥颗粒表面的聚电解质释放出来, 从而改变污泥脱水和沉降性能. 蒋波21发现季铵盐Gemini型阳离子表面活性剂能够有效改善城市剩余活性污泥的脱水性能, 大幅度降低过滤后滤饼的含水率. 本文采用粗粒化的分子动力学 (MD) 模拟, 将污泥表面的EPS简化为聚电解质链, 研究Gemini表面活性剂和聚电解质链的相互作用, 考察聚电解质链的亲疏水性和Gemini表面活性剂联结基团长度对聚电解质链与Gemini表面活性剂的相互作用及其形成的复合物结构的影响, 希望能够从Gemini表面活性剂和EPS之间相互作用和复合物结构的微观尺度理解表面活性剂在污泥处理过程中应用的分子机理, 为开发更有效的污泥预处理药剂提供指导. 2 聚电解质链的演化 本文的模拟系统包含一条聚电解质链和不同数目的Gemini表面活性剂分子, 溶剂是介电常数为ξ的连续介质. 聚电解质和Gemini表面活性剂用“弹簧-珠子”模型近似描述, 聚电解质链由N=100 个带有一定负电荷的球形链节组成, 模型结构见图1Gemini表面活性剂分子由两个结构相同的单链表面活性剂分子经联结基团通过化学键联结而成, 其中单链表面活性剂分子由一个带有单位正电荷的头基链节和与之相连的若干个不带电的疏水尾链链节构成, 可表示为h-s-h, 图2为3-2-3型Gemini表面活性剂的模型结构. 为了保持系统的电中性, 模拟盒子中引入与聚电解质和Gemini表面活性剂所带电荷数量相等的带有单位电荷的反离子. 为简单计, 系统中所有的链节和反离子均假定为具有相同的质量m和直径σ. 带电量分别为zi和zj的粒子i与j之间的长程静电相互作用由库仑势能描述: 上式中e为单位电量; ξ=ξ0ξr, ξ0和ξr分别为真空和溶剂的介电常数. Bjerrum长度定义为λB=e2/ (4πξkBT) . 相距为r的粒子i与j之间的短程相互作用为标准12:6型Lennard-Jones (LJ) 势: 上式中ε和σ分别表示原子相互作用势阱和半径, 本模拟中原子相互作用半径与原子直径相等. rc表示截断距离. 对于亲水性聚电解质链节, 溶液中的反离子以及Gemini表面活性剂头基之间的相互作用, LJ势能的截断距离取为rc=21/6σ, 此时粒子间的作用能始终为非负, 表现为纯排斥作用; Gemini表面活性剂尾链链节之间相互作用的截断距离取为rc=2.5σ, 此时该势能同时包括排斥和吸引两部分, 后者相当于疏水尾链链节之间的疏水吸引作用. 对于疏水性聚电解质, 聚电解质链节之间、聚电解质链节与Gemini表面活性剂尾链链节之间相互作用的截断距离也取rc=2.