PEI改性膜吸附废水中的铜和钴及其电场再生

摘要

铜和钴是人类生产生活中必不可少的金属材料，被广泛应用于各个行业。然而随着工业进程的飞速发展，大量铜钴废水的有效处理给人们带来了巨大困扰。铜钴废水的排放不但会对生态环境造成严重的破坏，而且还会损失其中大量的重金属资源。由于铜和钴的化学性质相近且常常在矿床中共生、伴生，传统处理手段很难在去除废水中铜钴离子的同时实现它们的有效分离。随着我国铜钴资源的日益枯竭，如何高效分离并回收废水中铜钴资源成为人们新的挑战。本文以PEI改性多孔膜为吸附材料，对其处理单组份含铜和含钴废水的性能和分离双组分废水中铜钴离子的性能做了一系列研究，并考察了电场再生过程对膜材料吸附性能的恢复和铜钴资源回收情况，为膜吸附法实际应用于铜钴废水的处理提供了有利的支持。 通过聚左旋多巴胺（PDOPA）对基膜的修饰将PEI固载到PA-6微滤膜上制备了PEI改性膜吸附材料，考察了PDOPA预涂覆条件，PEI接枝条件以及戊二醛交联条件对PEI固载量的影响，确定PEI的最大接枝量可达220mg/g。采用该膜吸附材料动态去除单组份重金属废水中的铜离子和钴离子，考察操作压力、溶液pH值以及掺杂无机盐对膜处理单组份铜钴废水能力的影响，验证PEI改性膜吸附材料对单组份铜钴废水处理能力的差异。当模拟废水的pH为5，操作压力为0.02MPa时，改性膜对铜离子废水和钴离子废水的处理能力分别为180L/m2和45L/m2. 针对PEI改性膜对单组份铜钴废水处理能力的差异，进一步考察了PEI改性膜处理铜钴混合废水时对铜钴离子的吸附选择性。考察处理水通量、溶液pH值以及铜钴初始浓度比对铜钴离子竞争吸附行为的影响。当混合废水中铜钴离子浓度均为3mg/L，处理水通量为3m3?m-2?h-1时，每张改性膜能够有效处理1160mL模拟废水，废水中的铜钴的选择性分离比可达到147左右。 最后，采用原位电场再生方法恢复改性膜的吸附性能。通过电场力作用破坏重金属离子与吸附材料间的络合作用，实现二者的有效分离，并通过电沉积过程将解络后富集的重金属离子还原回收。以对吸附钴离子饱和的改性膜再生为例，考察电解液pH值、极板间距、极板电压、以及电场强度对膜再生效率的影响。在优化条件下进行吸附-再生循环测试，经10次再生循环后，膜的再生效率仍能维持在70%以上。且电解液中钴离子浓度最终稳定在2.8mg/L左右，不随循环次数增加而增长，说明解吸的钴离子被逐渐析出回收。进一步表明采用膜吸附联合原位电场再生的方式，能够有效处理废水中的铜钴离子并分别回收其中的铜钴资源。

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