壳聚糖络合-超滤耦合工艺对溶液中重金属去除的研究

摘要

重金属污染物来源广、易蓄积、残毒时间长、且不能生物降解,对水生生物和人体健康有较大的负面影响。重金属废水的传统处理方法主要有化学法、离子交换和吸附等,它们只是简单转移重金属,不能彻底解决污染问题,更不能回收和循环利用。许多领域所产生的废水中含有低浓度重金属,而且排放量又相当大,传统处理方法很难从这些大量低浓度废水中经济地回收重金属。在当今水资源日益紧张和排放标准日趋严格的形势下,以废水回用和重金属回收为目的的水溶性大分子聚合物络合-超滤耦合技术可长期、经济和有效地处理重金属废水,对缓解资源紧张和减轻环境污染有着积极的意义。本文研究水溶性聚合物络合-超滤耦合技术去除溶液中重金属离子。采用壳聚糖为聚合物络合重金属离子,通过聚醚砜超滤膜实现分离。在揭示壳聚糖溶液络合-超滤去除重金属离子原理的基础上,围绕壳聚糖-重金属离子络合物截留特性、络合物解离、膜污染及膜清洗等方面,系统探讨络合-超滤耦合过程的参数优化、超滤过程中的膜阻力构成,考察多种因素对壳聚糖络合-超滤去除重金属离子的影响,以及多种膜清洗方法对膜污染的清洗效果,并采用酸解-超滤过程回收壳聚糖,考察回用壳聚糖对重金属离子的去除效果。首先,选用聚醚砜超滤膜,以壳聚糖为络合剂络合-超滤去除溶液中重金属离子Pb2+和Ni2+。考察了溶液pH值、重金属离子/壳聚糖装载量比、离子强度和Ca2+各因素对重金属离子截留率的影响,同时研究了重金属离子截留率及膜通量随超滤浓缩时间的变化情况。结果表明,溶液pH是决定络合-超滤耦合过程能否进行的关键因素。在适合的pH值、重金属离子/壳聚糖装载量比条件下,络合-超滤耦合工艺对重金属离子的截留率可以达到很高的水平。在pH为6.0,Pb2+/壳聚糖装载量比为0.25时,络合-超滤耦合过程对溶液中Pb2+的截留率达99％以上;在pH为8.0,Ni2+/壳聚糖装载量比为0.25时,络合-超滤耦合过程对溶液中Ni2+的截留率接近60%。溶液离子强度和Ca2+的增加均不利于络合-超滤耦合过程对重金属离子的去除,都会导致重金属离子去除率的降低。结果表明,在超滤过程中,膜污染主要由壳聚糖-重金属离子络合物覆盖沉积引起。采用几种清洗剂对膜污染进行清洗,发现pH=2.0的HNO3溶液对膜污染的清洗效果最好。清洗之后,受污染膜的膜通量提高到接近新鲜膜的水平,达到重复使用的要求,可望为工程应用节省耗材成本。最后,对络合物浓缩液中的壳聚糖进行回用。对浓缩的壳聚糖-重金属离子络合物进行酸化解络之后,进一步采用全过滤过程回收壳聚糖。回收的壳聚糖分别用于络合-超滤耦合过程去除溶液中Pb2+和Ni2+。在所选择的参数条件下,回用的壳聚糖对Pb2+和Ni2+的去除率分别为96.2%和51.07%,与新鲜壳聚糖的处理效果没有明显差别。研究结果显示采用壳聚糖络合-超滤耦合技术能有效去除溶液中重金属离子,回用水资源,同时实现壳聚糖的有效回收。

目录

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 水体中重金属的来源与危害

1.1.1 重金属废水来源

1.1.2 重金属废水危害

1.2 对水体中重金属去除的研究

1.2.1 化学法

1.2.2 吸附法

1.2.3 电解法

1.2.4 离子树脂交换法

1.2.5 膜分离技术

1.3 络合-超滤耦合工艺对溶液中重金属去除的研究

1.3.1 络合-超滤的原理

1.3.2 络合-超滤对溶液中重金属去除的研究进展

1.4 膜污染及膜清洗

1.4.1 膜污染

1.4.2 膜清洗

1.5 本课题研究工作

1.5.1 研究背景

1.5.2 研究意义

1.5.3 研究内容

第二章 实验材料与方法

2.1 实验材料与实验装置

2.1.1 实验材料

2.1.2 实验装置

2.2 实验方法

2.2.1 壳聚糖溶液的预处理和浓度测定

2.2.2 重金属废水水样的配制与溶液中重金属离子浓度的测定

2.2.3 超滤实验方法

2.2.4 膜污染表征方法及膜污染阻力计算方法

2.2.5 膜的清洗

第三章 壳聚糖络合-超滤耦合工艺对溶液中铅离子去除的研究

3.1 pH 值对Pb~(2+)截留率的影响

3.2 Pb~(2+)/壳聚糖装载量比对Pb~(2+)截留率的影响

3.3 离子强度对Pb~(2+)截留率的影响

3.4 Ca~(2+)对Pb~(2+)截留率的影响

3.5 超滤浓缩时间对膜通量及Pb~(2+)截留率的影响

3.6 超滤浓缩过程中的膜污染及其清洗

3.6.1 新鲜膜的膜性能表征

3.6.2 受壳聚糖-Pb~(2+)络合物污染的膜的性能表征

3.6.3 受污染膜的清洗及清洗后膜的性能表征

第四章 壳聚糖络合-超滤耦合工艺对溶液中镍离子去除的研究

4.1 pH 值对Ni~(2+)截留率的影响

4.2 Ni~(2+)/壳聚糖装载量比对Ni~(2+)截留率的影响

4.3 离子强度对Ni~(2+)截留率的影响

4.4 Ca~(2+)对Ni~(2+)截留率的影响

4.5 超滤浓缩时间对膜通量及Ni~(2+)截留率的影响

4.6 超滤浓缩过程中的膜污染及超滤膜的清洗

4.6.1 受壳聚糖-Ni~(2+)络合物污染的膜的性能表征

4.6.2 受污染膜的清洗及清洗后膜的性能表征

第五章 酸解-超滤耦合过程回收壳聚糖

5.1 全过滤倍数对壳聚糖回收率及重金属离子截留率的影响

5.2 全过滤倍数对膜通量的影响

5.3 水溶性聚合物壳聚糖回用效果评价

第六章 结论与建议

6.1 结论

6.1.1 研究结论

6.1.2 展望

6.2 建议

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表论文情况

上海交通大学硕士学位论文答辩决议书