胶团强化超滤技术处理金属离子废水

Posted 2023-01-13 浓度

篇首语：不戚戚于贫贱，不汲汲于富贵。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了胶团强化超滤技术处理金属离子废水相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

1979年I_eung等首先使用了胶团强化超滤(MEUF)来去除废水中的金属离子，通过投加表面活性剂使得超滤膜也能去除金属离子，从而降低了该工艺的费用，同时又具有设备简单、操作方便、去除率高的特点。

1技术原理

胶团强化超滤技术即将表面活性剂(SAA)投加到水中，当浓度低于临界胶团浓度(cmc)时，SAA以单体形式分布在溶液中，近似于理想溶液。如果溶液中SAA的浓度超过了cmc，那么SAA分子就会聚集在一起，形成球形胶团。这种胶团通常由5O～150个SAA分子组成，分子质量相当大，其粒径为0.005～0.Olm。如果投加的是离子型SAA则形成的胶团表面带高电荷，能通过静电作用吸附水中的金属离子，例如阳离子型SAA能吸附水中的阴离子(如CrO一)，阴离子型SAA能吸附水中的阳离子(如重金属离子)。选用合适孔径的超滤膜即可截留胶团，而达到去除绝大部分离子的效果。透过液可直接排放或者回用，浓缩液含高浓度SAA和金属离子，可进一步处理、回收。

1.1表面活性剂

表面活性剂溶液开始大量形成胶团的浓度就是临界胶团浓度，cmc越小则表面活性剂的使用效率越高。离子表面活性剂的溶解度随温度的变化存在明显的转折点，即在较低的一段温度范围内随温度上升非常缓慢，当温度上升到某一定值时其溶解度随温度上升而迅速增大，这个温度即为克拉夫点(Krafftpoint)。

选择表面活性剂要考虑以下几个原则：

①低cmc，能减少表面活性剂的用量以及透过液中表面活性剂的含量；

②分子质量高，能形成大的胶团，便于采用大孔径超滤膜，同时具有较好的生物降解性；

③低Krafftpoint，有利于在低温下操作。通常选择阴离子型表面活性剂去除阳离子。选择阳离子型表面活性剂去除阴离子，常用的有十二烷基磺酸钠(SDS)、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、十六烷基氯化吡啶(CPC)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)等。但也有文献报道采用非离子型SAA去除离子，如ShigendoAkitaa等采用壬基苯基聚乙氧基醚(PONPEs)去除Au(HI)(AuC14)。

将离子型表面活性剂和少量非离子型表面活性剂混合后，对金属离子仍有较高的去除率，同时混合型表面活性剂的cmc低于纯离子型表面活性剂，从而能够减少表面活性剂的用量，降低透过液中表面活性剂的浓度。MohamedAoudia等用SDS／NPE混合型表面活性剂去除Cr¨，当NPE物质的量分数>0.2时，Cr3+去除率>99.5％。

1.2金属离子

MEUF主要用于去除重金属离子以及其他离子[如AuC14、Fe(CN)一等]。MEUF既能去除某一种金属离子，也能同时去除几种金属离子，或者选择性去除某一种金属离子，且都有很高的去除效率。

用CTAB去除CrO：一，当CrO：一的浓度为0.1—1mmol、压力为(1—1.5)×10Pa时，不同浓度CTAB(8、20、60mmolfL)对CrO；一的去除率都在99％以上。Gzara等用SDS去除Pb，选用截留分子质量为10ku的聚砜膜，当操作压力为(1—3)×10Pa时对Pbn的截留率达99％以上。

用SDS去除单一的二价金属离子溶液及它们的混合溶液，截留率均在96％以上。用SDS去除溶液中的 (浓度>200mg／L)时，选用不同的超滤膜(MWCO为1000—8000U、膜材料为聚酰胺和聚砜)，除cs外，其他金属离子都几乎可以完全去除。

用MEUF处理含Pd(I1)、Pt(IV)、Zn(I1)、Cu(1I)、Fe(HI)和Au(HI)的混合废水时，发现非离子表面活性剂壬基苯基聚乙氧基醚(PONPEs)能够选择性去除Au(1II)(AuC14)，而对其他金属离子的去除率相当低。

MEUF也能处理金属离子和有机物的混合物。Chung—ChingTung分别采用10mmolfL的纯SDS和SDS／TritonX一100混合型表面活性剂(SDS为70％)同时去除Cu“(2mmol／L)和苯酚(1.1mmolfL)，发现前者对Cu。的去除率达90％，而后者是88％。苯酚的存在对Cu2+的去除没有影响，这是因为离子和有机物的去除机理不同。在1mmolfL的苯酚存在时cu的去除率还有轻微提高，这可能是因为有机物降低了SDS的cmc。

2影响去除效果的因素

2.1表面活性剂浓度

当溶液中的表面活性剂浓度低于cmc时，在一定的浓度范围内渗透通量会迅速减少。这是由于浓差极化会在膜表面形成预胶团，其尺寸比胶团小，会堵寒膜孔，从而造成通量减少。随着浓差极化加强，在膜表面处表面活性剂的浓度超过了cmc，预胶团开始形成胶团，而胶团是亲水性的，因此膜表面的胶团会进入水中，从而不再影响通量，而这时截留液中不存在胶团j。当溶液中表面活性剂浓度低于cmc时，在膜表面附近表面活性剂浓度会高于cmc，形成胶团，从而对金属离子有一定的截留率，甚至能够达到80％以上。

当表面活性剂浓度超过cmc时，表面活性剂浓度越高(即表面活性剂与金属离子物质的量的比越高)则MEUF对金属离子的截留率越高。采用乙酸十八烷酸(ODA)去除Fe(CN)一和CrO一时，当ODA与二者物质的量比分别为1、2、3时，对铁氰化物的去除率分别为73％、92％、98％，对铬酸盐的去除率分别为64％、97％、99.9％。在铁氰化物／铬酸～／ODA溶液中，当三者的物质的量的比分别为(1：1：1)、(1：1：2)、(1：1：4)时，对铁氰化物的去除率分别为62％、72％、93％，对铬酸盐的去除率分别为20％、38％、68％，当物质的量的比为1：1：6时，铁氰化物去除率为98％，铬酸盐去除率>99.9％。当表面活性剂浓度过高时，胶团会由球形变成杆状，因而容易透过膜，从而降低了金属离子的去除率。这一临界浓度称为次one(secondcmc)，如SDS的one为8mmolfL，当浓度超过75mmolfL(次one)时，胶团形状就发生了改变。

不管进水表面活性剂浓度怎么变化，渗透液中表面活性剂浓度基本上不变，这个浓度值大约等于one，因为这部分表面活性剂以单体分子形式存在，膜无法对其进行截留。

2.2金属离子浓度

对于传统的处理工艺，金属离子浓度越高则处理效率越高，当金属离子浓度很低时效率就会下降，而MEUF则相反，废水中金属离子浓度越低则去除效率越高。用SDS／NPE混合型表面活性剂处理Cr2+时，如Cr2+为0.30—3.10mg／L则相应的去除率为99.70％一96.65％¨。金属离子的存在还会降低表面活性剂的cmc。

2.3电解质

向表面活性剂溶液中添加溶解性电解质(如NaC1)可以降低表面活性剂的cmc，减少渗透液中表面活性剂的浓度。但投加电解质也会减少金属离子的截留率，这是因为电解质的阳离子也会吸附在胶团上，与金属离子形成竞争，同时电解质的阴离子会和金属离子形成络合物j，因此电解质有一个合适的投加值。如用CPC去除CrO：一时，如NaC1浓度从1mmol／L增加到500mmol／L则渗透液中的CPC浓度从1mmol／L减少到0.15mmol／L；NaC1浓度在1—100mmol／L时，CrO一截留率>90％，超过100mmolfL后，截留率就会下降，到500mmolfL时，截留率只有46％。

2.4pH

当溶液的pH值很低(<3)时，H会大量吸附在胶团表面，从而与金属离子形成竞争，降低金属离子的截留率。Ruey—ShinJuang等用SDS分别去除重金属离子，当离子浓度为7.5mmol／L、SDS浓度为75mmol／L、操作压力为414kPa、膜为聚酰胺、MWCO为5000u、pH<3时，除了sr和cr¨外，其他离子的截留率都下降了3％6％。

2.5温度
温度一表面活性剂自由离子浓度曲线随温度变化较快，而温度一cmc曲线变化较慢，因此这两条曲线会交叉，交叉点的温度即Krafft点。同时，渗透通量和流体粘性成反比，因此提高温度能够提高渗透通量。温度对不同的表面活性剂cmc也有不同的影响，当温度升高时CTAB的cmc会随之增加，而SDS则保持恒定。

2.6膜

在MEUF中膜的截留分子质量(MWCO)直接影响到胶团的截留。选用MWCO大的膜则通量大，但同时截留率会减少，渗透液中金属离子和表面活性剂的浓度会较高；而MWCO小的膜则通量小，且易污染，经济上不合理。因此，要根据使用的表面活性剂和待去除的金属离子来选择合适的MwcO。

膜材料在对表面活性剂的截留中起到重要的作用。亲水性的胶团容易吸附于亲水性膜材料(如聚酰胺膜)，而疏水性的胶团容易吸附于疏水性膜材料(如聚砜膜)。。

2.7配位基(1igand)

为了提高表面活性剂对金属离子的选择性，发展了LM—MEUF技术，即向污染液体中加入两性分子的配位基和表面活性剂，配位基必须能在胶团中有高的溶解性，并能够选择性地与目标离子形成复合体，再由超滤膜截留胶团。该工艺多应用于选择性回收废水中的铜离子，具有99％以上的回收率。

3结语

胶团强化超滤是一种新型的处理含金属离子废水的技术，其设备简单、操作方便、适合处理低浓度金属离子废水且分离效率高，可以单独、同时去除金属离子以及选择性去除某种金属离子，并且能够通过进一步处理回收浓缩液中的金属，具有很好的经济效益。

胶团强化超滤的应用也存在一定问题：一是费用较高；二是必须对这些表面活性剂进行有效的回收以避免对环境的二次污染；三是膜的使用寿命不理想。