基于表面活性剂的超滤技术分离水溶液中Cu2+的动态分析及条件优化

摘要

铜是生物不可缺少的微量营养素，但浓度较高时，对人、植物和动物都能产生极大危害。化工、印染、电镀、有色冶炼、有色金属矿山开采、电子材料漂洗废水、染料生产等过程中常产生含有大量铜离子的废水。胶团强化超滤(Micellar-enhanced Ultrafiltration，简称MEUF)是基于表面活性剂独特的双亲分子结构特征，使表面活性剂和超滤技术相结合用以处理低浓度的金属离子的新方法。与传统的超滤相比，胶团强化超滤有许多的优点。如技术的成本降低了很多，而且更能有效地去除水中的铜金属离子。同时，与吸附、蒸馏和萃取法相比，胶团强化超滤法能耗低，无相交，且处理后的水可直接回用。但是通过不同类型的表面活性剂超滤重金属离子，通过综合考察对截留率和膜性能的影响，比较得出更适合处理重金属离子的表面活性剂的报道鲜有。
　　 本研究采用中空纤维(聚醚砜)超滤膜，选取两种价廉易得的阴离子表面活性剂--十二烷基硫酸钠(sodium dodecyl sulfate，SDS)和十二烷基苯磺酸钠(sodium dodecyl benzene sulfate，SDBS)对Cu2+进行超滤。考察表面活性剂胶团特性的变化规律，对渗透通量、表面活性剂和Cu2+残留量、去除率和富集率方面进行比较，从而得到更适合处理重金属离子的表面活性剂以及剂量；并进一步就筛选出的表面活性剂，探索进水表面活性剂浓度、Cu2+浓度、pH值对Cu2+去除率和渗透通量等重要参数的影响。
　　 本研究用阴离子表面活性剂SDS和SDBS胶团强化超滤分离Cu2+。结果表明：添加SDS的渗透通量始终高于SDBS(其中SDS平均渗透通量为29.92 L·m-2·h-1，而SDBS只有16.55 L·m-2·h-1)，渗透浓度始终低于SDBS，当渗透液Cu2+浓度接近为零时，SDBS、SDS所需浓度分别为2 mM和6 mM。SDS的Cu2+去除率和平均富集率高于SDBS(SDS平均去除率为85.06％，平均富集率为4.18；SDBS对应值分别为69.05％，4.05)。此外，SDS自身的平均富集率也高于SDBS(SDS为3.89，SDBS为3.13)。由此可见，SDS比SDBS更适合去除Cu2+。
　　 本研究还进一步通过添加SDS进行去除Cu2+的多因子超滤实验。研究表明：(1)当Cu2+为0.6 mM时，SDS为6 mM时，效果最佳，这时SDS/Cu2+=10。(2)渗透通量随着SDS浓度的升高，有略微上扬的趋势，这说明SDS胶团很难在膜面沉积而堵塞膜孔，浓差极化作用和膜污染被显著削弱，没有引起通量的下降。此时渗透液Cu2+浓度减小，SDS浓度增加，Cu2+和SDS去除率均增加。当SDS从2 mM增加到6 mM时，Cu2+去除率从77.10％上升到99.03％；当进水SDS从2 mM增加到16 mM，SDS去除率从83.98％上升为89.99％。(3)渗透通量随着Cu2+浓度的增加有轻微的的减小，这可能是因为Cu2+的大量存在起到了电解质的作用。此时渗透液Cu2+浓度升高，Cu2+去除率有所下降，这是由于SDS胶团对Cu2+的吸附已非常饱和，不能截留的Cu2+随渗透液排出了。同时SDS浓度有所降低，SDS去除率增大了，说明Cu2+浓度升高有加强SDS截留的效果。(4)pH对渗透通量影响并不大。渗透液Cu2+浓度减小，Cu2+去除率随进水pH值的增大而增大，进水pH值从2增大4时，Cu2+的去除率从90.73％增加到98.13％。SDS浓度有轻微的上升，SDS去除率有轻微的下降，这是由于pH值对SDS胶团的生成和胶团对Cu2+的吸附两种不同影响综合作用的结果。
　　 所以这种方法具有很好的经济效益，从而具有可观的应用价值。以上研究为实现胶团强化超滤在重金属废水处理中的应用和推广奠定基础。