有效地治理废水和修复受污染的水体并使其成为可重复利用资源，在经济处于高速发展而人均淡水资源又十分紧缺的中国变得日益迫切和重要。
水处理剂指废水治理中所采用的各类化学试剂，是影响甚至决定治理效果的关键因素。在众多水处理剂中，以高分子材料为原料制得的水处理剂，凭借其结构稳定、含功能基团数量多、易改性等优势脱颖而出，在水处理中发挥着重要作用。目前，高分子材料制成的水处理剂已涵盖吸附剂、絮凝剂和分离膜等多个种类，发展出上百种产品，高分子水处理剂同时也是水处理行业和水体环境修复工程中的研究热点，有关各类水处理剂开发、改进的创新成果时有报道。
本文介绍常用的高分子水处理剂，包括它们的类型、作用机理、原材料、作用对象和应用范围等，叙述各类水处理剂的研究进展，并在此基础上提出发展展望。
1 高分子吸附材料
高分子吸附剂是一种常见的吸附分离材料，作用原理是通过某种作用力使被吸附物大量富集在吸附剂表面，再将其解吸并与水体脱离。高分子吸附剂具有脱色效果好、吸附选择性强、性能稳定、可重复使用和易改性等优点，被广泛用于清除污水中的重金属离子、无机污染物和有机污染物[4]。
根据原材料的来源，高分子吸附剂可分为天然高分子吸附剂与合成高分子吸附剂，其中天然高分子吸附剂又可分为天然无机高分子吸附剂和天然有机高分子吸附剂；合成高分子吸附剂主要有离子交换树脂、吸附树脂和螯合树脂3 种类型，详见表1 和表2。

表1 不同类型天然高分子吸附剂的特点对比

表2 不同类型合成高分子吸附剂的特点对比
作为一种极具发展潜力的吸附分离材料，高分子吸附剂一直以来都是业界的研究热点。而表1 和2 所展示的各类高分子吸附材料各自的缺陷，近年来也逐渐成为高分子材料改性研究主要聚焦的目标对象。目前，大量的改性研究主要呈现出复合化、两性化和功能化的趋势。
复合化改性。将高分子吸附剂与其他材料通过化学反应或物理共混，制成复合材料，克服了单一型吸附剂的缺陷，并能更好地发挥各组分的优势。如姜丽萍制备出珠状凹凸棒土- 聚合物纳米复合微粒凝胶，该复合材料经多次吸附- 解吸后，仍然具备稳定的吸附容量与解吸率，具有良好的可重复性；以壳聚糖、聚乙烯醇和膨润土为原料，制备出壳聚糖- 聚乙烯醇/ 膨润土纳米复合材料，对Hg2+ 具有良好的吸附性和吸附选择性。
两性化改性。在高分子链上同时引入阴、阳离子基团或亲、疏水基团，使其同时呈现阴- 阳离子两性或亲- 疏水两性，扩大高分子吸附剂的应用范围。如MENG 等用十二烷基二甲基胺乙酯两性改性剂对黄土进行改性，结果表明，改性过的黄土对Cd2+ 和苯酚的吸附量是天然黄土的1.7 和4.35 倍，扩大了黄土的吸附范围；采用棉纤维制备出甜菜碱型两性螯合棉纤维，在同一水体中对[Cr2O7]2- 与Cu2+ 都具有较好的吸附能力。
功能化改性。在吸附剂上引入功能基团，克服母体材料的缺陷，从而提升吸附能力。如宋淑辉等将3- 氨基吡啶功能机负载到酚醛树脂基体上，克服了酚醛树脂易被氧化、热稳定性差等缺点，实现了提高其吸附能力的目的。
目前，对新型高分子吸附剂的研究多数仍停留在实验室阶段，因此在今后的研究中，应将研究重点放在如何将其大规模应用于日常生产中，提高经济效益。
2 高分子絮凝剂
高分子絮凝剂从20 世纪70 年代开始出现，被大量应用于各种污水的絮凝沉降处理。其原理是利用高分子材料和污染物微粒的相互作用，包括压缩双电层作用、高分子架桥作用、沉淀物网捕作用、高分子链缠绕作用、分子间氢键作用和络合、螯合作用等，使水中的微粒集聚变大或形成絮团以加快粒子的聚沉，从而达到固液分离的目的。根据来源，高分子絮凝剂可分为无机合成高分子、有机合成高分子、天然高分子和微生物高分子4 种类型。见表3。

表3 不同类型高分子絮凝剂的特点对比

表4 常见种类的高分子分离膜的性能对比
由表3 可知，4 种类型的絮凝剂存在着各自的优缺点。大量研究表明，将2 种或多种絮凝剂通过物理混合或化学反应形成一种复合絮凝剂，可以最大化发挥每种组分的优点并克服各自的不足，提高絮凝效率的同时还扩大了应用范围。为了克服无机合成高分子絮凝剂效率低的缺点，WANG 等以聚氯化铁、聚二甲基二烯丙基氯化铵为原料，制备了聚氯化铁- 聚二甲基二烯丙基氯化铵复合絮凝剂，结果表明，复合絮凝剂比聚氯化铁和聚二甲基二烯丙基氯化铵的絮凝效果更优，实现了低量投入高效处理的效果；以α- 淀粉酶水解后的玉米淀粉与丙烯酰胺进行接枝共聚，并以此制得了改性淀粉- 聚丙烯酰胺絮凝剂，研究结果表明该絮凝剂在具备优良絮凝性能的同时还具有出色的溶解性，便于絮凝后处理；以粘性类芽孢杆菌产生的絮凝剂MBFG1 和聚氯化铝制备了无机- 微生物复合絮凝剂，该絮凝剂能同时发挥MBFG1 的架桥作用和聚氯化铝的电中和作用，还降低了成本，有望实现微生物高分子絮凝剂的商业化应用。
高分子絮凝剂的另一种改性方法是阴- 阳离子两性化。与单一离子型絮凝剂相比，两性离子型高分子絮凝剂（以下简称“两性型高分子”）的分子链上同时含有阴离子和阳离子基团，可处理更多对象、适应不同环境，因此应用范围更广。
两性型高分子可通过阴离子单体和阳离子单体共聚合成，如朱明等以二甲基二烯丙基氯化铵（阳离子单体）、富马酸（阴离子单体）为原料，通过水溶液聚合制得两性型高分子絮凝剂，可有效处理印染废水；也可以通过单一离子型高分子改性而得，如阳离子型聚丙烯酰胺可通过Mannich 反应、Hofman反应和水解反应生成阴离子基团，从而得到两性型聚丙烯酰胺，克服了纯聚丙烯酰胺对阳离子絮凝效果差的缺陷。阳离子型无机高分子絮凝剂也可以通过引入硅酸根、磷酸根和硫酸根等方式呈现阴-阳两性，提高絮凝效果。
3 高分子分离膜
高分子分离膜是一种具有选择性透过功能的薄层物质，可作为间隔层将流体分为2 个互不相通的部分。高分子分离膜使流体中各组分通透速率产生差异，并使不同组分分别富集在膜的两侧，以达到各组分分离的目的。高分子分离膜的分类方式较多且尚未有统一分类标准，目前主要有微滤膜、超滤膜、纳滤膜、反渗透膜、渗析膜和电渗析膜等6 种类型，见表4。
高分子分离膜种类丰富、处理对象多样、应用范围广泛，目前发展迅速。但在实际应用中仍面临诸多挑战，其中较突出的是膜污染问题：随着分离次数增多，流体中的组分（包括悬浮颗粒、胶体、大分子、细菌和蛋白质等）在分离膜的膜表面、膜孔内壁上富集，堵塞膜孔，最终导致渗透通量下降甚至完全丧失。早期的对应措施主要是在分离膜制备过程中添加无机粒子或高分子添加剂，以增大分离膜的孔径和亲水性，在一定程度上提高了分离膜的抗污染性，但同时也导致了结构缺陷等问题，影响分离膜的综合性能。亦有研究开发了专门用于洗涤分离膜的清洗剂（如复合次氯酸钠），但清洗剂本身的残留对膜造成了污染，所诱发的二次污染也不可忽视。
鉴于早期的抗污染措施的不足，现阶段高分子分离膜抗污染研究主要集中在分离膜改性上，主要以亲水改性和抗菌改性2 方面为主。亲水性改性的目的是减少疏水性组分在膜孔表面的富集，同时提高分离膜的水通量及截留性能，具体方法包括亲水性高分子物理共混、化学接枝，理想的亲水性高分子有聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、聚乙烯醇等；涂覆亲水性涂层，如表面活性剂、两亲型高分子、两性离子高分子等，和分离膜本体改性，如磺化反应和酚化反应；抗菌改性则旨在解决生物性污染问题，以接枝抗菌剂（如金属离子、聚阳离子和卤素）的方式清除膜表面的蛋白质和微生物。此外，也有将其用于提高分离膜抑制细菌生长繁殖的报道。
经亲水改性或抗菌改性后的膜材料抗污染能力有所提升，但单一的改性方法并不能全面改善膜的抗污染能力，无法彻底解决水处理过程中的膜污染问题，而对膜材料同时进行亲水改性和抗菌改性的双重改性方法可以突破这一局限。如在PRINCE等的实验中，先合成了含有羧基的两亲性高分子，与聚醚砜共混，形成的膜再在硝酸银溶液中原位生成银离子，这种分离膜既含有杀菌基团又有亲水基团，能抵抗各种形式的污染；ELIMELECH 等将含有季铵盐结构的两性离子高分子接枝至反渗透膜表面，所得的分离膜不仅能直接杀死接触到的细菌，还使粘附于膜表面的大肠杆菌量降低为原始膜的28%；对单一和双重改性方法的对比实验结果表明，对于同一种分离膜，亲水、抗菌双功能改性能够更有效地抑制膜污染。
上述研究表明，双重改性法使分离膜材料的抗污染能力得到更全面的提升，综合了2 种单一改性方法的优势。因此，双重改性法具有更好的发展前景。目前制约双重改性法大规模应用的瓶颈包括抗菌基团存在时效性、细菌的抗药性多变、工业化成本预算高。因此，下一阶段的研究应侧重于抗菌剂或抗菌基团的可再生性和非特异性研究，从而优化改性方法并降低成本。
4 其它高分子水处理材料
除了上述3 大类重要的水处理用高分子材料外，实际上还有一些可用在水体净化和保证水质安全的高分子材料，包括高分子抗菌剂、高分子阻垢剂、高分子缓蚀剂、高分子螯合剂和高分子水处理辅助剂等。
高分子抗菌剂。专门针对水中的微生物（细菌、真菌和病毒等），主要依靠分子链上的功能基团（如季铵盐、卤代胺、卤素和银离子）实现杀菌或抑菌效果。和传统的抗菌剂相比，高分子抗菌剂存在着固载抗菌数量有限、与微生物直接接触面积小等缺陷，限制了其应用范围，但也具有可重复利用、不会造成二次污染等优点；且研究表明，以水溶性高分子为基材的抗菌剂可以克服上述缺陷，尤其是自然界广泛存在的壳聚糖和木质素等。制备了O-富马酰基壳聚糖，改性后的壳聚糖不仅水溶性好，且对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的杀菌能力均强于纯壳聚糖。人工合成型水溶性高分子也可用来制备抗菌剂，如聚二甲基二烯丙基氯化铵、聚丙烯酰胺和聚乙烯亚胺，经过季铵盐化改性后水溶性得以改善，且对大肠杆菌灭菌效果良好。
高分子阻垢剂。用来分散水中的难溶性无机盐，阻止其团聚结垢。近年来人们尝试基于环境友好型高分子（如聚天冬氨酸、聚环氧琥珀酸和γ- 聚谷氨酸等）制备新型阻垢剂。如赵彦生等以马来酸酐为原料制备了含有羧基、磺酸基和羟基的聚琥珀酰亚胺共聚物中间体，经水解后得到改性聚天冬氨酸共聚物，对硫酸钙实现100%完全阻垢；研究表明，聚环氧琥珀酸对Ca2+、Mg2+、Ba2+ 等金属离子有很好的络合能力，能有效地防止这些离子与CO32-、SO42-、PO43- 等阴离子结合生成水垢。
高分子缓蚀剂。作用是抑制水体对金属设施的腐蚀。铬酸盐、亚硝酸盐类传统缓蚀剂因其毒害性大、可降解性差、易造成环境污染等缺陷，正逐步被环境友好型高分子缓蚀剂取代。环境友好型高分子缓蚀剂主要以植物提取物或天然高分子衍生物为原材料制成。其中，植物提取物中含有大量活性成分，吸附在金属表面后形成保护膜从而起到缓蚀作用；天然高分子衍生物则因其结构单元特殊，在一定pH 下对某些金属有螯合作用，形成一层致密的钝化膜，阻止金属腐蚀。虽然环境友好型高分子缓蚀剂还存在成本较高、工业化产能低等缺陷，但具有无毒无害、可降解等优势，未来发展潜力较大。
高分子螯合剂。主要针对污染水体中的重金属离子设计的。高分子螯合剂分子链上含有亲水的螯合形成基，可以与水体中不同种类、价态、几何构型的重金属离子选择性地反应，形成不溶于水的金属络合物从而分离。目前大部分高分子螯合剂都易受投放量、搅拌速度、搅拌时间和溶液pH 影响，很大程度上限制了实际应用。采用不同种类的多胺或乙烯亚胺与二硫化碳合成出一种螯合剂，结果显示，该螯合剂不仅对Cr3+、Cu2+、Ni2+、Hg2+、Pb2+、Zn2+ 和Cd2+ 等离子螯合效果好，而且捕集效果不受pH、共存金属离子变化的影响，为高分子螯合剂发展提供了一种新思路。
高分子水处理辅助剂。高分子水处理辅助剂是一系列材料和药剂的统称，包括清洗剂、消泡剂、除氧剂、含油浮选剂和预膜剂等。这些辅助剂大多是复配产品，与吸附剂、絮凝剂等水处理剂共同使用时有显著的协同作用；也可能在不同环节为水质净化和受污染水体的修复提供强化或者辅助作用。
5 发展展望
经过近半个世纪的发展，高分子吸附剂、高分子絮凝剂、高分子分离膜等各种类型的高分子材料来源的水处理剂已发展得较为成熟，大量产品已经实现商品化并投入使用。但另一方面，高分子水处理剂仍有较大发展潜力，还需深入挖掘和改进的地方包括：1）理论研究：部分类型的水处理剂的作用机理目前还处在假说阶段，尚未有统一、明确的结论，且对动力学、热力学研究尚不彻底；2）性能优化：如何平衡水处理剂的结构稳定性和毒性、可降解性之间的矛盾是制约水处理剂发展的瓶颈，为了实现对环境友好，近年来业界较倾向于使用天然高分子作为原料，然而天然高分子组分复杂、性能不稳定、不易调节等缺陷还有待解决；3）新型水处理剂的实际应用：进入21 世纪以来，有关新型水处理剂的研发、改进的报道层出不穷，但这些报道大多还停留在实验室研究阶段，能真正应用在实际污水处理的较少。此外，高分子水处理剂尤其是天然高分子水处理剂的制备工艺、生产成本等问题也需要进一步优化。
水资源保护和水污染治理是全人类共同的挑战，未来一段时间内对高分子水处理剂的需求还将持续增加，高分子水处理剂的研发与应用也将迎来新一轮的发展高峰。今后的研究可从以下方面入手：1）注重水处理剂制备方法、结构与性能之间相互关系的研究，完善基础研究方能实现技术上的创新和突破；2）充分发挥高分子材料易于调节、改性的优势，使高分子水处理剂高效化、多功能化；3）结合环境友好需求与当前行业的水平，以市场规律和产品性价比来推动绿色化高分子水处理剂的推广应用。