8-羥基喹啉基兩親分子在油水分離中的界面行為研究

8-羥基喹啉基兩親分子（8-HQ-based amphiphiles）是一類將8-羥基喹啉（8-HQ）的功能基團與親疏水鏈段結合的新型界面活性分子，憑借其特有的金屬配位能力、酸堿響應性及芳香環疏水結構，在油水分離體系中通過調控油-水界面的物理化學性質（如界面張力、界面電荷、界面膜結構），實現高效的油水分離與污染物選擇性去除，其界面行為核心圍繞“界面吸附-分子組裝-響應調控”三個維度展開，具體如下：

一、界面吸附與分子排列行為

8-羥基喹啉基兩親分子的界面吸附是其發揮油水分離作用的基礎，其分子結構中同時含有的親水頭基（8-HQ基團，含羥基、氮原子等極性位點）與疏水尾鏈（如烷基鏈、芳香族鏈段），驅動分子自發聚集于油-水界面，形成穩定的界面吸附層：

吸附動力學：這類分子在油-水界面的吸附速率受疏水尾鏈長度、親水頭基極性及體系溫度影響。短鏈疏水尾鏈（如C8-C12烷基鏈）的分子擴散速率快，可在數秒內達到吸附平衡；長鏈尾鏈（如C16-C18烷基鏈）或剛性芳香族尾鏈的分子吸附速率較慢，但吸附后界面結合更牢固。8-羥基喹啉親水頭基中的羥基與氮原子可通過氫鍵、靜電作用與水分子相互作用，進一步促進分子在界面的吸附，吸附量隨體系pH值變化呈現規律性差異 —— 在pH5.0-7.0范圍內，8-羥基喹啉基團的質子化程度適中，親水性與界面親和性平衡，吸附量達到峰值。

分子排列方式：吸附于油-水界面的分子呈定向排列，親水頭基（8-HQ基團）朝向水相，通過氫鍵、金屬配位或靜電作用與水分子結合；疏水尾鏈朝向油相，通過范德華力與油相分子相互作用。分子排列的緊密程度由疏水尾鏈的堆砌效應與親水頭基的排斥作用共同調控：短鏈尾鏈分子排列相對松散，界面膜孔隙較大；長鏈尾鏈或含支鏈的尾鏈可通過疏水相互作用緊密堆砌，形成致密的界面膜。此外，8-羥基喹啉基團中的芳香環可通過π-π堆積作用進一步增強分子間的相互作用力，提升界面膜的穩定性。

界面張力調控：分子在油-水界面的吸附可顯著降低界面張力，其降幅與分子結構、濃度相關。當分子濃度達到臨界膠束濃度（CMC）時，油-水界面張力降至低（通常可從純油-水體系的30-50mN/m降至5-15mN/m），此時界面吸附層達到飽和，例如，含C12烷基鏈的8-羥基喹啉基兩親分子，在濃度為1.0×10⁻⁴mol/L時，可將甲苯-水界面張力從36.8mN/m降至8.3mN/m，顯著削弱油滴與水相的相互作用，促進油滴的聚集或分散，為后續分離奠定基礎。

二、界面組裝與界面膜形成行為

8-羥基喹啉基兩親分子在油-水界面的吸附并非孤立存在，而是通過分子間的協同作用發生有序組裝，形成具有特定結構與功能的界面膜，這是其實現高效油水分離的核心：

組裝驅動力與膜結構：分子組裝的核心驅動力包括疏水相互作用、氫鍵、π-π 堆積及金屬配位作用。在無金屬離子存在時，分子通過疏水尾鏈的堆砌與親水頭基間的氫鍵、π-π 堆積作用，組裝形成單層或多層分子膜 —— 短鏈尾鏈分子易形成疏松的單層膜，長鏈尾鏈或多支鏈分子則傾向于形成致密的多層膜或交聯結構。當體系中存在金屬離子（如 Cu²⁺、Zn²⁺、Fe³⁺）時，8-HQ 基團可與金屬離子發生配位反應，形成穩定的金屬-8-HQ 配合物，驅動分子在界面發生交聯組裝，形成具有網狀結構的配位聚合物界面膜。這種配位交聯的界面膜力學強度顯著提升，且具有 stimuli-responsive 特性，可通過調控金屬離子濃度或種類調節膜的孔隙率與穩定性。

界面膜的分離功能：組裝形成的界面膜通過兩種方式實現油水分離：一是“篩分效應”，致密的界面膜可阻擋油滴或水滴通過，僅允許溶劑分子滲透，例如多層組裝的分子膜可將油滴截留于界面一側，實現油水分層；二是“選擇性潤濕調控”，通過調節分子組裝方式改變界面膜的親疏水性 —— 在水相一側組裝時，親水頭基暴露，界面膜呈親水疏油性，可允許水相通過而排斥油相；在油相一側組裝時，疏水尾鏈暴露，界面膜呈疏水親油性，實現油相的選擇性滲透。此外，金屬配位組裝的界面膜還可通過調控金屬離子的配位解離，實現界面膜親疏水性的可逆切換，賦予油水分離體系“智能響應”能力。

對油滴/水滴行為的調控：界面膜的形成可顯著改變油-水界面的粘附性與電荷性質，進而調控油滴或水滴的聚集與穩定性，例如，親水疏油型界面膜可降低水相在油滴表面的接觸角，促進油滴的破乳與聚集；疏水親油型界面膜則可增強油滴的穩定性，防止其團聚，適用于分散相油的分離。同時，8-HQ 基團的質子化/去質子化特性可改變界面膜的電荷性質：在酸性條件下，8-HQ 基團質子化帶正電，通過靜電排斥作用阻止油滴聚集；在堿性條件下，去質子化帶負電，通過靜電吸引促進油滴凝聚，實現對分離過程的動態調控。

三、響應性界面行為與分離效率調控

8-羥基喹啉基兩親分子的界面行為具有顯著的響應特性，可通過外界刺激（如 pH 值、金屬離子、溫度）調控其界面吸附、組裝與界面膜結構，進而優化油水分離效率，這是其區別于傳統兩親分子的核心優勢：

pH 響應型界面行為：pH 值通過改變 8-HQ 基團的質子化狀態調控分子的親疏水性與界面活性。在酸性條件（pH <5.0）下，8-HQ 基團的氮原子質子化（-NH⁺），親水性增強，分子在界面的吸附量增加，界面膜呈親水傾向；在堿性條件（pH> 8.0）下，質子化程度降低，親水性減弱，疏水相互作用增強，分子組裝形成更致密的疏水界面膜。例如，含 C14 烷基鏈的 8-HQ 基兩親分子在 pH 4.0 時，油-水界面張力降至 6.2 mN/m，界面膜親水疏油，水相滲透率達 85 L・m⁻²・h⁻¹；在 pH 9.0 時，界面張力升至 12.5 mN/m，界面膜疏水親油，油相滲透率達 92 L・m⁻²・h⁻¹，實現了 pH 調控下的油水選擇性分離。

金屬離子響應型界面行為：8-HQ 基團與金屬離子的配位作用可顯著改變分子的界面組裝行為。無金屬離子時，分子形成松散的單層界面膜，分離效率較低；加入特定金屬離子（如 Cu²⁺）后，分子通過配位交聯形成致密的網狀界面膜，油滴截留率從 65% 提升至 98% 以上。此外，不同金屬離子的配位能力差異可調控界面膜的結構：Cu²⁺與 8-HQ 的配位常數較高，形成的界面膜更致密；Zn²⁺配位常數較低，界面膜孔隙較大，可實現對不同粒徑油滴的選擇性分離。通過加入配位抑制劑（如EDTA），可破壞金屬-8-HQ 配位鍵，使界面膜解組裝，恢復體系的初始狀態，實現分離過程的可逆調控。

溫度輔助調控界面行為：溫度通過影響分子的熱運動與疏水相互作用，調控界面吸附與組裝效率。低溫（<25℃）時，分子熱運動較弱，界面吸附與組裝速率較慢，界面膜形成不完全；升高溫度（25-50℃），分子熱運動增強，吸附與組裝速率加快，界面膜更致密，分離效率提升；溫度過高（> 60℃）時，分子熱運動劇烈，界面吸附層易脫落，界面膜穩定性下降，例如，在40時，含C16烷基鏈的8-羥基喹啉基兩親分子形成的界面膜對原油的截留率達99.2%，較25℃時提升8.5個百分點，且分離通量保持在100L・m⁻²・h⁻¹以上。

四、界面行為與分離性能的關聯及應用優勢

8-羥基喹啉基兩親分子的界面行為直接決定其油水分離性能，具體關聯及應用優勢如下：

界面吸附量與界面張力的降低程度正相關，界面張力越低，油滴與水相的相互作用越弱，分離通量越高；

界面膜的致密程度與油滴截留率正相關，配位交聯形成的致密界面膜可實現對微小油滴（粒徑 < 10 μm）的高效截留，分離精度顯著優于傳統兩親分子；

響應性界面行為可實現分離過程的智能化調控，例如在含金屬離子的含油廢水處理中，通過加入 8-羥基喹啉基兩親分子，可同時實現金屬離子配位捕獲與油水分離，一步完成“廢水凈化+資源回收”；

8-羥基喹啉基團的芳香環結構與金屬配位能力賦予分子對含芳香族污染物（如苯、甲苯）及重金屬離子的選擇性吸附能力，在油水分離的同時可去除水中的有毒有害物質，提升出水水質。

8-羥基喹啉基兩親分子在油水分離中的界面行為呈現“吸附-組裝-響應”的協同特性：通過分子在油-水界面的定向吸附降低界面張力，借助疏水相互作用、氫鍵、金屬配位等驅動力形成有序組裝的界面膜，再通過pH、金屬離子、溫度等外界刺激調控界面膜結構與性能，最終實現高效、精準、智能的油水分離，其獨特的界面行為不僅解決了傳統油水分離技術中分離效率低、選擇性差、難以回收的問題，還拓展了油水分離在復雜廢水處理（如含重金屬含油廢水、工業乳化油廢水）中的應用場景。未來，通過優化分子結構（如調控親疏水鏈段比例、引入多重響應基團）、深化界面行為機制研究，有望進一步提升其分離性能與環境適應性，為油水分離技術的升級提供新的分子設計思路與技術支撐。