8-羟基喹啉基两亲分子在油水分离中的界面行为研究

8-羟基喹啉基两亲分子（8-HQ-based amphiphiles）是一类将8-羟基喹啉（8-HQ）的功能基团与亲疏水链段结合的新型界面活性分子，凭借其特有的金属配位能力、酸碱响应性及芳香环疏水结构，在油水分离体系中通过调控油-水界面的物理化学性质（如界面张力、界面电荷、界面膜结构），实现高效的油水分离与污染物选择性去除，其界面行为核心围绕“界面吸附-分子组装-响应调控”三个维度展开，具体如下：

一、界面吸附与分子排列行为

8-羟基喹啉基两亲分子的界面吸附是其发挥油水分离作用的基础，其分子结构中同时含有的亲水头基（8-HQ基团，含羟基、氮原子等极性位点）与疏水尾链（如烷基链、芳香族链段），驱动分子自发聚集于油-水界面，形成稳定的界面吸附层：

吸附动力学：这类分子在油-水界面的吸附速率受疏水尾链长度、亲水头基极性及体系温度影响。短链疏水尾链（如C8-C12烷基链）的分子扩散速率快，可在数秒内达到吸附平衡；长链尾链（如C16-C18烷基链）或刚性芳香族尾链的分子吸附速率较慢，但吸附后界面结合更牢固。8-羟基喹啉亲水头基中的羟基与氮原子可通过氢键、静电作用与水分子相互作用，进一步促进分子在界面的吸附，吸附量随体系pH值变化呈现规律性差异 —— 在pH5.0-7.0范围内，8-羟基喹啉基团的质子化程度适中，亲水性与界面亲和性平衡，吸附量达到峰值。

分子排列方式：吸附于油-水界面的分子呈定向排列，亲水头基（8-HQ基团）朝向水相，通过氢键、金属配位或静电作用与水分子结合；疏水尾链朝向油相，通过范德华力与油相分子相互作用。分子排列的紧密程度由疏水尾链的堆砌效应与亲水头基的排斥作用共同调控：短链尾链分子排列相对松散，界面膜孔隙较大；长链尾链或含支链的尾链可通过疏水相互作用紧密堆砌，形成致密的界面膜。此外，8-羟基喹啉基团中的芳香环可通过π-π堆积作用进一步增强分子间的相互作用力，提升界面膜的稳定性。

界面张力调控：分子在油-水界面的吸附可显著降低界面张力，其降幅与分子结构、浓度相关。当分子浓度达到临界胶束浓度（CMC）时，油-水界面张力降至低（通常可从纯油-水体系的30-50mN/m降至5-15mN/m），此时界面吸附层达到饱和，例如，含C12烷基链的8-羟基喹啉基两亲分子，在浓度为1.0×10⁻⁴mol/L时，可将甲苯-水界面张力从36.8mN/m降至8.3mN/m，显著削弱油滴与水相的相互作用，促进油滴的聚集或分散，为后续分离奠定基础。

二、界面组装与界面膜形成行为

8-羟基喹啉基两亲分子在油-水界面的吸附并非孤立存在，而是通过分子间的协同作用发生有序组装，形成具有特定结构与功能的界面膜，这是其实现高效油水分离的核心：

组装驱动力与膜结构：分子组装的核心驱动力包括疏水相互作用、氢键、π-π 堆积及金属配位作用。在无金属离子存在时，分子通过疏水尾链的堆砌与亲水头基间的氢键、π-π 堆积作用，组装形成单层或多层分子膜 —— 短链尾链分子易形成疏松的单层膜，长链尾链或多支链分子则倾向于形成致密的多层膜或交联结构。当体系中存在金属离子（如 Cu²⁺、Zn²⁺、Fe³⁺）时，8-HQ 基团可与金属离子发生配位反应，形成稳定的金属-8-HQ 配合物，驱动分子在界面发生交联组装，形成具有网状结构的配位聚合物界面膜。这种配位交联的界面膜力学强度显著提升，且具有 stimuli-responsive 特性，可通过调控金属离子浓度或种类调节膜的孔隙率与稳定性。

界面膜的分离功能：组装形成的界面膜通过两种方式实现油水分离：一是“筛分效应”，致密的界面膜可阻挡油滴或水滴通过，仅允许溶剂分子渗透，例如多层组装的分子膜可将油滴截留于界面一侧，实现油水分层；二是“选择性润湿调控”，通过调节分子组装方式改变界面膜的亲疏水性 —— 在水相一侧组装时，亲水头基暴露，界面膜呈亲水疏油性，可允许水相通过而排斥油相；在油相一侧组装时，疏水尾链暴露，界面膜呈疏水亲油性，实现油相的选择性渗透。此外，金属配位组装的界面膜还可通过调控金属离子的配位解离，实现界面膜亲疏水性的可逆切换，赋予油水分离体系“智能响应”能力。

对油滴/水滴行为的调控：界面膜的形成可显著改变油-水界面的粘附性与电荷性质，进而调控油滴或水滴的聚集与稳定性，例如，亲水疏油型界面膜可降低水相在油滴表面的接触角，促进油滴的破乳与聚集；疏水亲油型界面膜则可增强油滴的稳定性，防止其团聚，适用于分散相油的分离。同时，8-HQ 基团的质子化/去质子化特性可改变界面膜的电荷性质：在酸性条件下，8-HQ 基团质子化带正电，通过静电排斥作用阻止油滴聚集；在碱性条件下，去质子化带负电，通过静电吸引促进油滴凝聚，实现对分离过程的动态调控。

三、响应性界面行为与分离效率调控

8-羟基喹啉基两亲分子的界面行为具有显著的响应特性，可通过外界刺激（如 pH 值、金属离子、温度）调控其界面吸附、组装与界面膜结构，进而优化油水分离效率，这是其区别于传统两亲分子的核心优势：

pH 响应型界面行为：pH 值通过改变 8-HQ 基团的质子化状态调控分子的亲疏水性与界面活性。在酸性条件（pH <5.0）下，8-HQ 基团的氮原子质子化（-NH⁺），亲水性增强，分子在界面的吸附量增加，界面膜呈亲水倾向；在碱性条件（pH> 8.0）下，质子化程度降低，亲水性减弱，疏水相互作用增强，分子组装形成更致密的疏水界面膜。例如，含 C14 烷基链的 8-HQ 基两亲分子在 pH 4.0 时，油-水界面张力降至 6.2 mN/m，界面膜亲水疏油，水相渗透率达 85 L・m⁻²・h⁻¹；在 pH 9.0 时，界面张力升至 12.5 mN/m，界面膜疏水亲油，油相渗透率达 92 L・m⁻²・h⁻¹，实现了 pH 调控下的油水选择性分离。

金属离子响应型界面行为：8-HQ 基团与金属离子的配位作用可显著改变分子的界面组装行为。无金属离子时，分子形成松散的单层界面膜，分离效率较低；加入特定金属离子（如 Cu²⁺）后，分子通过配位交联形成致密的网状界面膜，油滴截留率从 65% 提升至 98% 以上。此外，不同金属离子的配位能力差异可调控界面膜的结构：Cu²⁺与 8-HQ 的配位常数较高，形成的界面膜更致密；Zn²⁺配位常数较低，界面膜孔隙较大，可实现对不同粒径油滴的选择性分离。通过加入配位抑制剂（如EDTA），可破坏金属-8-HQ 配位键，使界面膜解组装，恢复体系的初始状态，实现分离过程的可逆调控。

温度辅助调控界面行为：温度通过影响分子的热运动与疏水相互作用，调控界面吸附与组装效率。低温（<25℃）时，分子热运动较弱，界面吸附与组装速率较慢，界面膜形成不完全；升高温度（25-50℃），分子热运动增强，吸附与组装速率加快，界面膜更致密，分离效率提升；温度过高（> 60℃）时，分子热运动剧烈，界面吸附层易脱落，界面膜稳定性下降，例如，在40时，含C16烷基链的8-羟基喹啉基两亲分子形成的界面膜对原油的截留率达99.2%，较25℃时提升8.5个百分点，且分离通量保持在100L・m⁻²・h⁻¹以上。

四、界面行为与分离性能的关联及应用优势

8-羟基喹啉基两亲分子的界面行为直接决定其油水分离性能，具体关联及应用优势如下：

界面吸附量与界面张力的降低程度正相关，界面张力越低，油滴与水相的相互作用越弱，分离通量越高；

界面膜的致密程度与油滴截留率正相关，配位交联形成的致密界面膜可实现对微小油滴（粒径 < 10 μm）的高效截留，分离精度显著优于传统两亲分子；

响应性界面行为可实现分离过程的智能化调控，例如在含金属离子的含油废水处理中，通过加入 8-羟基喹啉基两亲分子，可同时实现金属离子配位捕获与油水分离，一步完成“废水净化+资源回收”；

8-羟基喹啉基团的芳香环结构与金属配位能力赋予分子对含芳香族污染物（如苯、甲苯）及重金属离子的选择性吸附能力，在油水分离的同时可去除水中的有毒有害物质，提升出水水质。

8-羟基喹啉基两亲分子在油水分离中的界面行为呈现“吸附-组装-响应”的协同特性：通过分子在油-水界面的定向吸附降低界面张力，借助疏水相互作用、氢键、金属配位等驱动力形成有序组装的界面膜，再通过pH、金属离子、温度等外界刺激调控界面膜结构与性能，最终实现高效、精准、智能的油水分离，其独特的界面行为不仅解决了传统油水分离技术中分离效率低、选择性差、难以回收的问题，还拓展了油水分离在复杂废水处理（如含重金属含油废水、工业乳化油废水）中的应用场景。未来，通过优化分子结构（如调控亲疏水链段比例、引入多重响应基团）、深化界面行为机制研究，有望进一步提升其分离性能与环境适应性，为油水分离技术的升级提供新的分子设计思路与技术支撑。