胶团强化超滤

胶团强化超滤（精选三篇）

胶团强化超滤 篇1

关键词：重金属离子,胶团强化超滤,原理,影响因素,应用

随着我国经济的迅速发展, 对水资源的需求量也越来越大, 但同时水资源的污染问题也日益严重, 重金属污染已成为一种常见的水污染[1]。水体重金属污染所指的重金属主要包括生物毒性显著的镉、汞、铅、铬以及类金属砷[2]。这些重金属一般都是构成地壳的物质, 在自然界中有着广泛的分布。如果重金属含量超过标准, 就会对水体、人体造成污染和危害[3,4]。重金属的危害, 首先是污染水体, 然后通过食物链而生物富集, 进而对人体健康带来威胁。

目前对于水中重金属的处理方法主要有吸附法、絮凝沉淀法、氧化还原法、膜分离技术、生物方法和电解法等[5,6]。但这些方法存在成本高、重金属回用率低等局限性, 尤其是对低浓度重金属离子废水, 这些方法的去除效果并不理想。因此, 开发和研究一种高效实用处理方法迫在眉睫。

采用膜分离工艺处理含有重金属离子废水是一种十分有效的技术, 但是由于重金属离子粒径一般都很小, 为了达到去除效果, 理论上应该采用反渗透, 但反渗透通量低, 操作压力高, 且膜成本较高, 考虑到经济成本, 很难在工业上实现规模化应用。1979年, Lueng等[7]首先使用了胶团强化超滤 (MEUF) 来去除废水中的金属离子, 从而降低了膜工艺的费用, 同时又具有膜工艺高去除率的特点。

目前国内还没有详细介绍MEUF处理重金属废水的综述, 国外也还处于初步试验研究阶段, 属于很有价值的研究领域。本文着重论述了当前国内外MEUF处理重金属废水的应用研究情况及其今后的发展方向。

1 技术原理及影响因素

MEUF去除重金属的原理就是, 将适量的表面活性剂加入废水中并形成胶团, 多价的金属阳离子吸附或键合在阴离子表面活性剂的负电荷胶团表面, 胶团体积会不断增大, 选用合适的超滤膜过滤这些废水溶液, 便能有效截留胶团络合物, 实现金属离子的分离, 甚至进一步实现金属离子的回收或回用[8,9]

表面活性剂是一类由极性的亲水基团和非极性的憎水基团共同构成的物质。表面活性剂的两性分子结构特征决定了它的两亲性, 因此这种分子具有一部分可溶于水, 而另一部分逃逸水的双重性。根据相似相容原理, 向水中加入一定量的表面活性剂, 当其浓度大于临界胶团浓度 (CMC) 且溶液温度高于表面活性剂的克拉夫点 (Krafft) 时, 就会形成亲水基向外, 疏水基向内的胶团[10]。胶团的形成使表面活性剂疏水基能最大限度地逃离水, 而亲水基保持与水的接触。

表面活性剂可以分为离子型表面活性剂和非离子型表面活性剂, 离子型表面活性剂根据其憎水基在水中水解后的带电性质, 可以分为阳离子型表面活性剂和阴离子型表面活性剂, 若在一个分子中同时存在阴离子和阳离子基团则称为两性表面活性剂[11]。根据电荷同性相斥、异性相吸的原理, 在重金属的去除中, 一般采用阴离子表面活性剂。

MEUF在重金属废水处理中, 常用的表面活性剂有:十二烷基硫酸钠 (SDS) 、十六烷基三甲基氯化铵 (CTAC) 、十六烷基氯化吡啶 (CPC) 、十六烷基三甲基溴化铵 (CTAB) 和十二烷基苯磺酸钠 (SDBS) 等。在MEUF工艺中, 具体选择哪种表面活性剂, 要根据目标物来确定, 主要考虑的因素有:表面活性剂的CMC、Krafft点及理化性质和金属离子的性质[12]。

目前研究认为, 影响胶团强化超滤的因素主要有, 表面活性剂的类型和浓度、超滤膜的荷电性与亲水性、金属离子的浓度和荷电性以及实验时所处的溶液环境 (温度、pH、电解质等) 都有关系[13]。具体各种因素会对目标物的去除产生多大的影响, 需要结合具体目标物进行分析。

2 MEUF去除重金属的应用研究

MEUF既能去除某一种重金属离子, 包括Cd2+、Zn2+、Pb2+、Mn2+、Ni2+、Cu2+等, 也能同时去除几种重金属离子, 如Ni2+和Zn2+, Cd2+和Cr3+, Cd2+和Pb2+等。

2.1 MEUF去除单一重金属离子

目前研究表明, MEUF对常见重金属离子包括Cd2+、Zn2+、Pb2+等的去除率均达到95%以上, 不同的表面活性剂及操作压力对不同金属离子有不同的去除效果, 并且可以实现重金属的回收利用。

许柯[14]等采用聚矾中空纤维超滤膜和SDS进行MEUF处理含镉废水, 实验结果表明, 处理浓度为100mg/L的含镉废水时, 在SDS浓度为CMC (8 mmol/L) 、操作压力为0.07MPa时, 该工艺对镉的去除率可达99%以上。可见, 采用MEUF处理含镉废水是可行的, 但该工艺不适合处理强酸性废水, 而且从本实验的结果来看, 电解质的存在会降低重金属离子的截留率。

张振[15]等利用SDS对低浓度含Zn2+废水进行MEUF处理, 并且详细考察了进料液的静置时间、SDS浓度、浓差极化现象及Zn2+浓度对MEUF处理含锌废水工艺的影响, 研究结果表明, 当进料液的静置时间为3h时, Zn2+在SDS胶团上的吸附达到平衡状态, Zn2+去除率可以达到98%。当Zn2+的浓度一定时, 由于发生在膜表面的浓差极化现象的影响, Zn2+的截留率主要受膜表面SDS浓度的影响, 在进料液中投加浓度低于1倍CMC的SDS时 (1.8mg/L) , 不但在很大程度上降低了SDS的用量, 而且亦可获得较高的Zn2+截留率和溶液的渗透通量。

Gzara等[16]利用SDS和截留分子质量为10 ku的聚砜膜对低浓度含Pb2+废水进行MEUF处理, 实验结果表明, 当操作压力为 (1~3) ×105Pa时, MEUF对Pb2+的截留率达99%。许振良等[17]利用SDS和中空纤维超滤膜处理100mg/L的Pb2+或Cd2+的料液, 得出相同的处理结果, 截流率均达到99.0%以上。

将离子型表面活性剂和非离子型表面活性剂混合, 能降低离子型表面活性剂的CMC, 减少表面活性剂的用量, 同时降低渗透液中表面活性剂的浓度, 且提高重金属离子的截留率。

黄瑾辉等[18]将2种非离子表面活性剂十二烷基聚氧乙烯单醚 (brij35) 、辛基酚聚氧乙烯醚 (Tritonx-100) 分别与SDS进行复配, 考察了复配情况下表面活性剂胶团特性的变化规律以及对Cd2+的截留率。研究表明, brij35、Tritonx-100与SDS分别复配可显著降低SDS的CMC, 同时也发现2种复配胶团截留Cd2+的效果均可高达90%以上。曲云欢等[19]还研究了MEUF中SDS临界胶团浓度的变化规律以及SDS和3种非离子表面活性剂 (Brij35、Triton-100、APG) 的复配对溶液CMC值的影响, 研究表明, 3种非离子表面活性剂的添加的实验结果类似, 都能使SDS溶液的CMC值减小。由此可见, 复配可以为重金属离子的去除带来积极影响, 我们应该加强这一方面的研究。

2.2 MEUF同时去除多种重金属离子的研究

目前研究表明, 溶液中同时存在多种重金属离子时, 利用MEUF技术时, 可能会有两种情况, 一是带相同电荷量的离子相互之间没有影响, 都可以达到比较好的去除效果;二是这些离子之间存在协同吸附效应或是拮抗吸附效应, 这是因为不同的金属离子于胶团形成稳定络合物的趋势不一样。

方瑶瑶等[20]采用SDS研究MEUF对水溶液中3种重金属离子Cd2+, Cu2+和Ni2+的去除, 考察不同阴离子的钠盐对胶团强化超滤性能的影响, 当表面活性剂和金属离子浓度比为10时, 在单一和混合体系中, 同一条件下的Cd2+, Cu2+和Ni2+截留率都基本相同, 均高于98%, 证明胶团强化超滤去除金属离子的机理是金属离子通过静电引力吸附于SDS胶团上, 金属离子的截留率只与其价态有关。

黄瑾辉等[21]以SDS为表面活性剂, 对含单一镉、锌、铅溶质以及混合溶质体系进行了胶团强化超滤研究, 考察了胶团对Cd2+, Zn2+, Pb2+的竞争吸附性能。通过研究发现, 当溶液中多种二价重金属离子存在时, 各离子之间存在与SDS胶团的竞争吸附, 竞争能力为Pb2+>Zn2+>Cd2+;Cd-Zn有明显的协同吸附效应, 而Cd-Pb, Zn-Pb则表现为拮抗吸附。

张振等[22]利用中空纤维膜和低浓度的阴离子表面活性剂SDS对含锌、镉、铅重金属废水进行MEUF处理, 研究发现在混合进料液中, 当SDS浓度≤2.25g·L-1时, Zn2+的截留率是略大于Cd2+的截留率, 当SDS浓度>2.25g·L-1时, Zn2+的截留率略小于Cd2+的截留率, 在SDS浓度的整个变化范围内, (SDS浓度=1.125g·L-1除外) Pb2+的截留率都小于Zn2+、Cd2+的截留率。结果表明, MEUF对Pb2+的去除效果与对Zn2+、Cd2+的去除效果间存在明显的差异, 可见Pb2+与胶团间的作用机理与Zn2+、Cd2+与胶团间的作用机理是不完全相同的。

由于重金属离子之间的相互关系, 我们可以根据实际需要选用不同的超滤膜和表面活性剂, 同时去除几种金属离子, 或者选择性去除某一种金属离子。因此进一步研究MEUF中各种重金属离子之间的相互关系有着现实意义。

3 结论与展望

MEUF作为一种新型的重金属离子废水处理技术, 有适合处理低浓度金属离子废水、去除效果好、经济效益高等优势, 具有很好的发展前景。综合国内外对MEUF的研究现状, 我认为今后的研究可以围绕以下几个方面展开。

(1) 进一步开发绿色无毒、低CMC的表面活性剂, 减少表面活性剂的用量以及透过液中表面活性剂的含量, 从而确保MEUF处理后水的安全性;

(2) 通过表面活性剂的复配提高去除率, 同时降低表面活性剂的用量, 从而降低成本, 同时降低了二次污染;

(3) 寻找简单高效的方法和工艺实现表面活性剂的回收并回用, 进一步降低成本;

(4) 选择适合于所采用的表面活性剂的超滤膜并研制新型的抗污染型膜, 延长膜的运行周期和使用寿命。

胶团强化超滤 篇2

处理含有机污染物废水的新万法--胶团强化超滤

胶团强化超滤是一种处理含有机污染物废水的新技术.该技术利用表面活性剂胶团对有机物的增溶作用,结合超滤工艺,进而达到去除有机污染物的目的`.文章详细介绍了胶团强化超滤处理含有机污染物废水的原理、影响因素,分析了该技术目前存在的问题以及今后的发展方向.

作 者：武娇一 曾光明 黄瑾辉 许柯 Wu Jiaoyi ZENG Guangming Huang Jinhui Xu Ke  作者单位：湖南大学环境科学与工程系,湖南,长沙,410082 刊 名：工业水处理  ISTIC PKU英文刊名：INDUSTRIAL WATER TREATMENT 年，卷(期)：2005 25(5) 分类号：X703.1 关键词：胶团强化超滤   表面活性剂   有机污染物  

胶团强化超滤 篇3

表面活性剂 (SAA) 是由极性的亲水基和非极性的亲油基两部分组成, 投加到水中后, 如浓度极低, 则SAA分子均匀地分散在水溶液中, 近似于理想溶液。此时如增大SAA的投加量, 部分SAA分子将聚集在溶液的表面, 形成疏水基向上、亲水基向下伸向水中的定向吸附状态;当浓度增大时, SAA分子将覆盖在溶液表面形成单分子层;SAA浓度继续增大, 超过临界胶束浓度时, 剩余的SAA分子将在溶液内聚集, 形成疏水基向内、亲水基向外的聚集体, 即胶团, 这是一种“覆盖着极性层的油滴”。这种胶团通常由几十到几百个SAA分子组成, 其“分子量”相当大, 粒径在0.005～0.01μm。表面活性剂胶团有一个非常重要的性质, 即对有机物的增溶作用。

如向某有机废水中投加一定量的表面活性剂, 当其浓度大于CMC时, 就会形成胶团, 如有机物的化学结构和性质与SAA分子的疏水基相似, 根据相似相溶原理, 这种有机物将溶解于胶团中, 或有机物与SAA分子的亲水基能形成氢键, 有机物也会从水相转移到胶团中, 这个过程就称为SAA胶团的增溶作用, 近似于SAA胶团“萃取”了废水中的有机物。

当这种废水通过超滤膜时, 如膜孔径小于胶团粒径, 则携带有机物的胶团因不能透过膜而被截留, 水和少量表面活性剂单体及未被增溶的有机物能自由透过膜, 从而实现绝大部分有机物和水的有效分离, 即废水被净化了。透过液可直接排放或循环使用。浓缩液是含高浓度表面活性剂和有机物的废水, 其体积相对于原水来说大大减少, 所以进一步处理比较方便, 处理能耗也较低。这就是胶团强化超滤法 (MEUF) 的工作原理。

2胶团强化超滤的去污性能

有机污染物的去除效果取决于自身的化学结构和性质, 随着烷基链的增大, 酚、间甲酚和4-叔丁基酚 (TBP) 的去除率越来越高, 正己醇、正庚醇和正辛醇的去除率也越来越高, 说明它们在CPCl胶团中的溶解度越来越大。有机物在胶团中的溶解度与其水中的溶解度无关。

用MEUF处理的金属离子主要有Fe3+、UO22+、Al3+、CO2+、Ni2+、Zn2+、Cu2+、Pb2+、Cd2+和CrO42-。这种方法不仅可以去除废水中的某一种金属离子, 而且可同时去除多种金属离子, 且相互之间几乎没有影响。在用SDS去除废水中Zn2+时, 当截留液中Zn2+浓度在0.12～10.0mM, Zn2+/SDS比值0.0024～0.105, 其去除率均达到99%以上。

从胶团去除金属离子的机理可以看出, 离子价态越高, 静电吸附作用越大, 其去除率越高。对同价态、不同金属离子来说, 其去除率也有微弱的区别。这是因为不同的金属离子与水中的其他离子形成稳定络合物的趋势不一样, 越容易络合, 被胶团静电吸附的几率越小。如Cd2+比Ca2+更容易与水中的Cl-形成络合物, 结果它们的去除率各为99.5%和98.8%。金属离子的去除率与膜操作压力无关, 而由S/M (表面活性剂与金属离子浓度比) 决定, 存在一个最佳值。

3胶团强化超滤的影响因素

3.1 表面活性剂浓度

浓缩液中表面活性剂浓度升高能增大有机物的增溶量和对金属离子的吸附量, 从而提高污染物质的去除率。如用SDS去除Cu2+时, 浓缩液中SDS浓度越大, 铜离子去除率越高。但浓缩液中表面活性剂浓度过高则会导致胶团粒径减小, 而更容易透过膜, 从而降低污染物去除率, 同时也会增大透过液中表面活性剂浓度, 降低膜的透水率, 所以存在最佳的表面活性剂投加浓度。

3.2 污染物浓度

在MEUF去除金属离子时, 金属离子 (即反离子) 浓度越高, 阴离子SAA胶团的聚集数越大, 胶团粒径越大, 透过液中SAA单体越少, 但金属离子浓度越高。

3.3 无机盐

向体系中投加无机盐会增大胶团的聚集数, 降低表面活性剂的CMC。由于CMC的降低, 溶液中胶团数量将增多。另一方面由于无机盐会使胶团中SAA分子之间的斥力减小, 分子排列更紧密, 从而减小了极性化合物可被增溶的位置, 其增溶量自然会减少。如NaBr会急剧降低废水中苯酚的增溶量。

3.4 聚电解质

文献报道, 由于带不同电荷的高分子混合后能生成稳定的络合物, 所以当向SDBS溶液中投加阳离子聚电解质聚二甲基二羟基氯化铵 (PDMDAAC) 时, SDBS的CMC会减小, 其单体在水溶液中的浓度也会降低。

3.5 温度

酚被聚氧乙烯类非离子表面活性剂增溶的原因是它与氧乙烯基形成了氢键, 高温下它们之间的氢键会遭到破坏, 所以升高温度会降低这类表面活性剂在水中的溶解度, 进而使得酚的增溶量减少, 去除率降低。

4应用前景

胶团强化超滤法具有工艺简单, 易实现工业化的特点, 适用于单独或同时从废水中去除低分子量、低浓度有机污染物和多价金属离子, 具有很好的环境效益。同时, 与吸附、蒸馏和萃取法相比胶团强化超滤法能耗低, 无相变, 且处理水可直接回用, 通过某些措施还可从浓缩液中回收有价值的有机物或重金属, 所以这种方法具有很好的经济效益, 从而具有可观的应用前景。

摘要：胶团强化超滤 (MEUF) 是一种表面活性剂和超滤结合的废水处理新技术, 能够高效去除废水中低分子量和低浓度的难生物降解有机污染物, 克服传统方法去除效率低、能耗高的局限性。