阴离子表面活性剂胶团强化超滤去除镉离子的应用研究

论文摘要

胶团强化超滤是一种表面活性剂和超滤相结合的技术,在处理低浓度金属离子废水方面有很好的前景。本论文系统研究了阴离子表面活性剂胶团强化超滤去除水溶液中镉离子的各项控制参数。首先利用动态光散射法测定十二烷基硫酸钠胶团的直径大小、zeta电势等信息,研究不同情况下的胶团性质。在此基础上,研究了阴离子表面活性剂胶团强化超滤法对重金属离子的去除效率和渗透通量,考察了溶液浓度、pH值、跨膜压力、非离子表面活性剂、超滤膜种类、电解质等的影响,并采用核磁共振法对胶团强化超滤技术的机理进行了初步研究。动态光散射法研究发现表面活性剂浓度未达到临界胶团浓度CMC时就已经发现了大直径预胶团的存在。胶团的形成可能是一个多步骤过程,胶团直径随SDS浓度的增加而减小,小胶团可能比大胶团更容易排列整齐,使烷基链不易接触到水分子。胶团zeta电势随着Cd2+浓度的增加而增大,更多的Cd2+进入胶团stern层。非离子表面活性剂的加入使混合胶团直径减小,胶团表面电荷密度降低。当SDS浓度未达到其CMC 8 mmol/L就得到了较高的Cd2+截留率,这是由于浓差极化作用以及Cd2+的存在导致了CMC的降低。Cd2+浓度不变时,进料液SDS浓度增加使Cd2+截留率先快速增加后逐渐稳定。SDS浓度不变时,进料液Cd2+浓度增加使Cd2+截留率先轻微增加然后快速下降。当溶液pH值小于3时,大量H+与Cd2+在胶团表面竞争吸附使Cd2+截留率下降。渗透通量随跨膜压力的增加先直线增加后保持不变。非离子表面活性剂浓度的增加使Cd2+截留率先增大后减小,因为非离子表面活性剂的加入既生成了更多的胶团,又降低了混合胶团的反离子结合度。5种超滤膜的渗透通量从高到低依次为:P30 > P10 > C30 > P8 > C10。纤维素膜的标准通量比聚醚砜膜的标准通量要高得多。单位压力渗透通量随着跨膜压力的增大而减小。当S/M为10不变时,P8膜的Cd2+截留率随着跨膜压力和进料液浓度的增加而增大;但P10和P30膜的Cd2+截留率随跨膜压力的增加先增大后降低,进料液浓度越大,降低幅度越大。这是因为跨膜压力和进料液浓度的增加使得浓差极化作用增强,但各超滤膜对胶团的截留率不同。纤维素膜的Cd2+截留率不受跨膜压力增大的影响,而且C10和C30膜的Cd2+截留率比P10和P30膜低得多。这是因为,相同截留分子量的纤维素膜的纯水通量要小得多,浓差极化作用很弱。影响金属离子截留率的主要因素是价态,金属离子种类是次要因素。相同价态的金属离子与SDS胶团之间的静电吸附能力非常相近,Cd2+、Cu2+、Ni2+三种金属离子的截留率没有明显的区别。当NaCl浓度较高时,Na+和Cd2+之间存在着与胶团表面吸附的竞争,导致Cd2+截留率显著降低。Cd2+与溶液中的阴离子越容易形成络合物,则能与胶团结合的Cd2+越少。Cl-与Cd2+形成的络合物最稳定,SO42-次之,NO3-和CO32-最弱。核磁共振实验结果中的23Na+化学位移观测值随着Cd2+浓度的增加而增大,意味着越来越多Na+的从胶团结合态转变为自由态,Cd2+在胶团上的吸附能力更强。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 含镉废水的来源与危害
• 1.1.1 镉和镉的分布
• 1.1.2 含镉废水的来源和污染状况
• 1.1.3 镉的危害
• 1.2 含镉废水处理技术概况
• 1.2.1 物理化学处理法
• 1.2.2 微生物法
• 1.3 超滤技术基本理论
• 1.3.1 膜分离过程及其分类
• 1.3.2 超滤过程参数
• 1.4 胶团强化超滤技术概况
• 1.4.1 MEUF 的基本原理
• 1.4.2 表面活性剂
• 1.4.3 超滤膜
• 1.4.4 污染物
• 1.4.5 过程控制参数
• 1.4.6 浓缩液和渗透液的处理
• 1.5 本课题的研究意义和思路
• 第2章 表面活性剂胶团的动态光散射分析
• 2.1 前言
• 2.2 动态光散射基本原理
• 2.3 材料和方法
• 2.3.1 试剂和仪器
• 2.3.2 分析方法
• 2.4 结果与讨论
• 2.4.1 SDS 浓度的影响
• 2+浓度的影响'>2.4.2 Cd²⁺浓度的影响
• 2.4.3 加入非离子表面活性剂的影响
• 2.4.4 不同二价金属离子的影响
• 2.4.5 NaCl 浓度的影响
• 2.5 小结
• 2+'>第3章 十二烷基硫酸钠胶团强化超滤去除水溶液中的CD²⁺
• 3.1 前言
• 3.2 材料和方法
• 3.2.1 试剂
• 3.2.2 超滤装置
• 3.2.3 实验流程
• 3.2.4 超滤膜的清洗
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 进料液中SDS 浓度的影响
• 2+浓度的影响'>3.3.2 进料液中Cd²⁺浓度的影响
• 3.3.3 溶液pH 值的影响
• 3.3.4 跨膜压力的影响
• 3.4 小结
• 第4章 阴/非离子表面活性剂复配胶团强化超滤
• 4.1 前言
• 4.2 材料和方法
• 4.2.1 试剂和膜装置
• 4.2.2 实验流程
• 4.2.3 非离子表面活性剂浓度的检测方法
• 4.3 结果与讨论
• 2+截留率的影响'>4.3.1 非离子表面活性剂的加入对Cd²⁺截留率的影响
• 4.3.2 非离子表面活性剂的加入对表面活性剂截留率的影响
• 4.3.3 非离子表面活性剂的加入对渗透通量的影响
• 4.3.4 阴/非离子表面活性剂复配体系和单一SDS 体系的比较
• 4.4 小结
• 第5章 超滤膜的性能比较
• 5.1 前言
• 5.2 材料与方法
• 5.2.1 试剂
• 5.2.2 膜装置
• 5.2.3 实验流程
• 2+和SDS 浓度测定方法'>5.2.4 Cd²⁺和SDS 浓度测定方法
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 渗透性能的比较
• 5.3.2 聚醚砜膜截留性能
• 5.3.3 纤维素膜截留性能
• 5.3.4 浓缩液成分的变化
• 5.4 小结
• 第6章 同时去除多种重金属离子及电解质对MEUF 的影响
• 6.1 前言
• 6.2 材料与方法
• 6.2.1 试剂
• 6.2.2 膜装置
• 6.2.3 实验流程
• 6.2.4 三种金属离子和SDS 的测定方法
• 6.3 结果与讨论
• 2+、Cd²⁺、Ni²⁺'>6.3.1 单一体系中分别去除Cu²⁺、Cd²⁺、Ni²⁺
• 2+、Cd²⁺、Ni²⁺'>6.3.2 混合体系中同时去除Cu²⁺、Cd²⁺、Ni²⁺
• 6.3.3 NaCl 浓度的影响
• 6.3.4 不同电解质的影响
• 6.4 小结
• 第7章 表面活性剂胶团反离子的核磁共振初步研究
• 7.1 前言
• 7.2 核磁共振在表面活性剂研究中的应用
• 7.2.1 核磁共振参数介绍
• 23Na⁺的核磁共振研究'>7.2.2 表面活性剂溶液中²³Na⁺的核磁共振研究
• 7.3 材料与方法
• 7.3.1 试剂与仪器
• 7.3.2 实验方法
• 7.4 结果与讨论
• 7.5 小结
• 结论和展望
• 结论
• 认识与展望
• 参考文献
• 附录A 攻读学位期间论文发表情况
• 附录B 攻读学位期间申请的国家发明专利
• 附录C 攻读学位期间参与的研究课题
• 附录D 阴离子表面活性剂SDS 的测定
• 附录E 原子吸收分光光度法测定镉
• 致谢