CN105883978A - 一种生物表面活性剂及使用其强化超滤处理的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种生物表面活性剂由鼠李糖脂和槐糖脂组成，生物表面活性剂总浓度为0.3‑1.5 mmol/L，槐糖脂的浓度固定为生物表面活性剂总浓度的0.05‑0.9。还公开了一种生物表面活性剂强化超滤处理方法，包括以下步骤：秤取一定量的鼠李糖脂和槐糖脂，加入到放置待处理的含镉‑苯胺废水的进料槽中，调整进料槽溶液的pH为4‑10；进料槽的溶液经过磁力加热搅拌器均匀搅拌，静置20 min之后通过输料泵作用进入膜装置；溶液通过膜装置的隔膜泵进入到膜装置的膜组件，在膜组件的作用下，浓缩液回流至进料槽继续进行超滤，渗透液用专门的容器收集，运行20 min。本发明是一种具有很好的经济和环境效益，且应用前景良好的高效污水处理技术。

Description

一种生物表面活性剂及使用其强化超滤处理的方法
技术领域
本发明涉及水处理的技术领域，特指一种使用生物表面活性剂强化超滤处理的方法。
背景技术
随着我国经济的飞速发展，工业化水平的不断提高，镉在许多工业中被作为原料广泛使用，如采矿业、金属加工业、电池制造业、电镀工业、油漆制造业等。由于镉在自然环境中无法被降解，会长期滞留在水体中，如果这些含有镉的工业废水没有进行有效的处理而排放到环境中，便会对天然的水体造成严重的镉污染。镉还会通过食物链不断的积累，最终进入到人体内，致使人体内的某些器官发生病变，进而患上各种疾病(如贫血、肾炎和分泌失调等)，甚至致癌、致畸、致突变。大量工业废水的排放，自然水体中的镉浓度已经大大超出了正常范围，镉污染问题日益严重。其中，油漆制造业、染料工业等产生的废水中含有大量的镉和苯胺。目前，金属离子和有机污染物的处理方法都有或多或少的弊端。
因此，本发明人对此做进一步研究，研发出一种生物表面活性剂，通过此生物表面活性剂能够强化超滤处理处理含有隔-苯胺废水，本案由此产生。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种生物表面活性剂，不但能减小单一生物表面活性剂的CMC值，使得废水中生物表面活性剂的投加量减少，而且能同时去除水中的金属离子与有机物，具有处理效率高，操作简便，耗能低等优点。
本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种生物表面活性剂强化超滤处理方法，是一种具有很好的经济和环境效益，且应用前景良好的高效污水处理技术。
为解决上述技术问题，本发明的技术解决方案是：
一种生物表面活性剂，由鼠李糖脂和槐糖脂组成，生物表面活性剂总浓度为0.3-1.5mmol/L，槐糖脂的浓度固定为生物表面活性剂总浓度的0.05-0.9。
进一步，生物表面活性剂总浓度为1mmol/L，槐糖脂的浓度固定为生物表面活性剂总浓度的0.05。
一种生物表面活性剂强化超滤处理方法，包括以下步骤：
步骤一：秤取一定量的生物表面活性剂鼠李糖脂和槐糖脂，生物表面活性剂总浓度为0.3-1.5mmol/L，槐糖脂的浓度固定为生物表面活性剂总浓度的0.05-0.9，加入到放置待处理的含镉-苯胺废水的进料槽中，调整进料槽溶液的pH为4-10；
步骤二：进料槽的溶液经过磁力加热搅拌器均匀搅拌，静置20min之后通过输料泵作用进入膜装置；
步骤三：溶液通过膜装置的隔膜泵进入到膜装置的膜组件，在膜组件的作用下，产生的浓缩液回流至进料槽继续进行超滤，产生的渗透液用专门的容器收集，在0.2-0.4MPa的压力下，运行20min。
进一步，在步骤一中，生物表面活性剂总浓度为1mmol/L，槐糖脂的浓度固定为生物表面活性剂总浓度的0.05。
进一步，在步骤一中，进料槽溶液的pH为7.21。
本发明采用的是胶团强化超滤技术(MEUF)，其通过向废水中投加生物表面活性剂，当生物表面活性剂的浓度较低时，是以单分子状态存在；当其浓度达到临界胶束浓度(CMC)时，就会形成亲油基向内，亲水基向外的规则胶团。此时，废水中与生物表面活性剂胶团带相反电荷的重金属离子就会被吸附在胶团表面，而废水中的有机物则由于相似相溶的原理，在范德华力的作用下，与胶团发生增溶作用。增溶了有机物的胶团和吸附了金属离子的胶团由于粒径大于超滤膜的孔径，因此能被超滤膜截留。少量的生物表面活性剂由于没有形成胶团而透过超滤膜随水流出。本发明创新性地将环境友好型生物表面活性剂鼠李糖脂与槐糖脂复配，具有处理效率高，操作简便，耗能低等优点，它不仅可以单独处理金属离子与有机物，且能同时去除水中的金属离子与有机物。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2中(a)是本发明的Cd2+截留率与生物表面活性剂总浓度、α关系的曲面图；
图2中(b)是本发明的Cd2+截留率与生物表面活性剂总浓度、α关系的等值线图；
图3中(a)是本发明的Cd2+截留率与生物表面活性剂总浓度、pH关系的曲面图；
图3中(b)是本发明的Cd2+截留率与生物表面活性剂总浓度、pH关系的等值线图；
图4中(a)是本发明的Cd2+截留率与α、pH关系的曲面图；
图4中(b)是本发明的Cd2+截留率与α、pH关系的等值线图；
图5中(a)是本发明的苯胺截留率与生物表面活性剂总浓度、α关系的曲面图；
图5中(b)是本发明的苯胺截留率与生物表面活性剂总浓度、α关系的等值线图；
图6中(a)是本发明的苯胺截留率与生物表面活性剂总浓度、pH关系的曲面图；
图6中(b)是本发明的苯胺截留率与生物表面活性剂总浓度、pH关系的等值线图；
图7中(a)是本发明的苯胺截留率与α、pH关系的曲面图；
图7中(b)是本发明的苯胺截留率与α、pH关系的等值线图；
图8中(a)是本发明的渗透通量与生物表面活性剂总浓度、α关系的曲面图；
图8中(b)是本发明的渗透通量与生物表面活性剂总浓度、α关系的等值线图；
图9中(a)是本发明的渗透通量与生物表面活性剂总浓度、pH关系的曲面图；
图9中(b)是本发明的渗透通量与生物表面活性剂总浓度、pH关系的等值线图；
图10中(a)是本发明的渗透通量与α、pH关系的曲面图；
图10中(b)是本发明的渗透通量与α、pH关系的等值线图；
图11是本发明生物表面活性剂浓度对截留率和渗透通量的影响的曲线图；
图12是本发明进料液Cd2+浓度对苯胺截留率和渗透通量的影响的曲线图；
图13是本发明进料液苯胺浓度对Cd2+截留率和渗透通量的影响的曲线图；
图14是本发明生物表面活性剂复配比对截留率和渗透通量的影响的曲线图；
图15是本发明pH对截留率和渗透通量的影响的曲线图；
图16是本发明操作压力对截留率和渗透通量的影响的曲线图。
标号说明
进料槽1 输料泵2 膜装置3 容器4
具体实施方式
生物表面活性剂(biosurfactant)是由微生物(如细菌，真菌和酵母等)产生的具有表面活性的生物分子。鼠李糖脂(rhamnolipid，RL)是由铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)生成的一种阴离子型生物表面活性剂。鼠李糖脂(rhamnolipid)在水中显酸性，能较好的溶于碱性溶液中，可溶解于有机溶剂，无毒且可被生物降解。槐糖脂(sophorolipid，SL)是由假丝酵母菌(Candidabombicola)生成的一种非离子型生物表面活性剂。因其具有产量高，毒性低，生物降解性好等优势，被广泛应用于石油工业、食品行业和化妆品等行业。
一般情况下，随着水中生物表面活性剂的浓度增大，污染物的去除效果会提高。Abbasi-Garravand等经过研究发现，当水中鼠李糖脂的浓度从265mg/L提高到1060mg/L时，Cr(Ⅲ)的去除率从50％上升到99.4％。也有研究表明，当生物表面活性剂浓度超过“第二临界浓度”时，胶团就会由原先的球状变为杆状，不易被超滤膜截留，导致污染物的截留率减小。
生物表面活性剂复配是指将同类型或不同类型的生物表面活性剂按适当的摩尔比混合在一起，形成一个混合体系。这样不但能减小单一生物表面活性剂的CMC值，使得废水中生物表面活性剂的投加量减少，而且，混合生物表面活性剂性能一般优于单一生物表面活性剂的性能。
本发明采用的生物表面活性剂，由鼠李糖脂和槐糖脂组成，生物表面活性剂总浓度为0.3-1.5mmol/L，槐糖脂的浓度固定为生物表面活性剂总浓度的0.05-0.9。通过此生物表面活性剂的复配，通过静电作用去除废水中的重金属离子，而对难降解有机物的去除则是通过相似相溶的原理，将难降解有机物溶解到胶团的内部、生物表面活性剂分子之间的间隙，能够强化超滤处理含有隔-苯胺废水，高效，节能。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。
在本发明中所使用试剂和药品及其主要参数如表1所示。
表1试剂和药品主要参数
药品 分子式 纯度规格 分子量 生产商
硝酸镉，四水 Cd(NO3)2·4H2O 分析纯 308.48 上海沪试化工有限公司
苯胺 C6H7N 分析纯 93.13 上海沪试化工有限公司
鼠李糖脂 - 90％ 600.05 湖州紫金生物科技有限公司
槐糖脂 - 90％ 688 西安康诺化工有限公司
硝酸 HNO3 分析纯 63.01 上海沪试化工有限公司
氢氧化钠 NaOH 分析纯 40 上海沪试化工有限公司
亚硫酸氢钠 NaHSO3 分析纯 104.06 上海沪试化工有限公司
本发明中所使用仪器及其主要参数如表2所示。
表2使用仪器明细表
本发明中所使用的膜装置是厦门福美科技有限公司的FlowMem-0015超滤平板膜小试设备。设备的组成包括：隔膜泵、管路、压力表、超滤膜。FlowMem-0015超滤平板膜小试设备主要性能参数见表3，超滤膜主要性能参数见表4。
表3FlowMem-0015超滤平板膜小试设备性能参数
表4超滤膜主要性能参数
单因素试验：
1、生物表面活性剂总浓度变化对MEUF的影响
在室温(25℃)条件下，苯胺浓度固定为100mg/L，Cd2+浓度固定为25mg/L，槐糖脂的浓度固定为生物表面活性剂总浓度的0.1(即α＝0.1)，生物表面活性剂总浓度分别取0、0.3，0.5，0.8，1.0，1.5mmol/L，操作压力固定为0.2MPa，pH值调为7。
生物表面活性剂总浓度 苯胺截留率 Cd2+截留率 渗透通量
0 0 0 75.4
0.3 11.2 77.4 48.9
0.5 15.2 88.9 34.9
0.8 16.4 97.6 23.1
1.0 17.3 99.3 19.3
1.5 12.5 99.7 16.8
从图11可见，随着生物表面活性剂总浓度的增大，Cd2+和苯胺截留率的变化情况。当生物表面活性剂总浓度从0增大到1.5mmol/L时，RCd呈现先迅速增大再趋于平缓的趋势；RAN则呈现先增大再减小的趋势。当生物表面活性剂总浓度小于1.0mmol/L时，Cd2+和苯胺截留率都随着生物表面活性剂总浓度的增大而上升，这主要是由于生物表面活性剂总浓度的大小是影响废水中胶团数目的关键因素，因此，随着生物表面活性剂总浓度的增大，废水中胶团数目也增大，进而吸附和增溶更多的Cd2+和苯胺。当生物表面活性剂总浓度大于1.0mmol/L时，RAN开始下降，RCd没有明显的上升。造成此现象的原因可能是由于废水中生物表面活性剂总浓度太高，导致胶团数量过多，达到饱和，所以，RCd没有明显变化；废水中生物表面活性剂总浓度太高，还会使胶团发生变形，由球形状变成细杆状，直径减小，因此容易穿过膜孔，使得RAN减小。随着生物表面活性剂总浓度的增大，渗透通量先迅速减小，然后趋于平缓。这可能是由于进料液中生物表面活性剂总浓度的增大，胶团的数目增多，因此加重了膜污染情况和浓差极化现象；直径较小的胶团还会造成膜孔堵塞，导致渗透通量(J)减小。所以，在保证溶液中有足够数量的胶团前提下，应尽量减少生物表面活性剂的使用量，这样就能得到较高的截留率和渗透通量。
2、Cd2+浓度变化对苯胺截留率的影响
在室温(25℃)条件下，生物表面活性剂总浓度固定为0.8mmol/L，苯胺浓度固定为100mg/L，槐糖脂的浓度固定为生物表面活性剂总浓度的0.1(即α＝0.1)，Cd2+浓度分别取10、20、25、40、60、80mg/L，操作压力固定为0.2MPa，pH值调为7。
Cd2+浓度 苯胺截留率 渗透通量
10 15.5 33.2
20 14.6 28.5
25 16.4 23.1
40 15.3 21
60 16.3 19
80 15.9 17.9
随进料液中Cd2+浓度的增大，RAN的变化情况见图12。由图12可知，随Cd2+初始浓度的逐渐增大，RAN没有发生明显的变化。当Cd2+浓度由10mg/L增大到80mg/L时，苯胺截留率在14.6％～16.4％。可见，Cd2+的存在并不会对RAN产生影响。然而，随着Cd2+浓度的增大，渗透通量则逐步减小。当Cd2+浓度从10mg/L增大到25mg/L时，J减小的速率较快；随Cd2+浓度继续增加，J的减小幅度趋于平缓。这可能是由于Cd2+的存在，使得膜污染情况加重导致的。
3、苯胺浓度变化对Cd2+截留率的影响
在室温(25℃)条件下，生物表面活性剂总浓度固定为0.8mmol/L，Cd2+浓度固定为25mg/L，槐糖脂的浓度固定为生物表面活性剂总浓度的0.1(即α＝0.1)，苯胺浓度分别取20、50、100、150、200、250mg/L，操作压力固定为0.2MPa，pH值调为7。
苯胺浓度 Cd2+截留率 渗透通量
20 93.5 27.4
50 96.5 24.3
100 97.6 23.1
150 96 20.2
200 96.7 17.5
250 97.9 16.2
随着苯胺初始浓度的增大，RCd的变化情况见图13。由图13可知，随着苯胺初始浓度的不断增大，RCd先升高然后趋于稳定。当苯胺初始浓度由20mg/L增大至100mg/L时，RCd从93.5％升高至97.6％。随苯胺初始浓度的继续增加，RCd始终保持在96％以上。由此可以看出，苯胺对Cd2+截留率影响不大，适量的苯胺加入还能提高Cd2+截留率。然而，对渗透通量而言，随苯胺浓度的不断增加，J呈逐步下降的趋势。当苯胺浓度从20mg/L增大到250mg/L时，渗透通量由27.4L/m2·h减小到16.2L/m2·h。这可能是由于苯胺浓度的增大，使得膜污染加重导致的。
4、生物表面活性剂复配比变化对MEUF的影响
在室温(25℃)条件下，生物表面活性剂总浓度固定为0.8mmol/L，苯胺浓度固定为100mg/L，Cd2+浓度固定为25mg/L，α分别取0、0.05、0.1、0.3、0.5、0.7、0.9，操作压力固定为0.2MPa，pH值调为7。
生物表面活性剂复配比 苯胺截留率 Cd2+截留率 渗透通量
0 14.9 94.1 24.1
0.05 15.1 95.6 23.6
0.1 16.4 97.6 23.1
0.3 15.7 94.3 24.7
0.5 14.8 92.2 27.8
0.7 14.3 82.7 33.2
0.9 8.8 75.2 38.1
将同种类型或者不同类型的生物表面活性剂进行复配存在以下两方面的作用：一是能够降低溶液中离子型生物表面活性剂的带电离子头相互排斥作用，将使得生物表面活性提高，降低混合体系的CMC；二是降低胶团的反离子结合度，不利于溶液中重金属离子的截留。
由图14可见，随着复配比(α)的增大，RCd和RAN都是先升高后降低。当复配比从0增大到0.1时，Cd2+和苯胺截留率呈增大趋势，在复配比为0.1时，两者的截留率都达到最大，分别为97.6％和16.4％。这可能是由于当复配比为0.1时，溶液中的生物表面活性剂生成的胶团数量最多，因此截留效果最好。随着α继续增大，RCd和RAN逐步降低。这是由于加入的槐糖脂量过大，不仅会产生空间位阻效应，还会降低胶团的反离子结合度，使得槐糖脂被混合体系排斥，因此混合体系的CMC增大，形成的胶团数量变少；同时，还会导致胶团直径变小，更容易透过膜孔，因此两者的截留率都下降。
渗透通量(J)随着α增大而先减小后增大。由于溶液中槐糖脂浓度增大，产生了空间位阻效应，使得胶团数量减少，膜污染的程度减轻，所以渗透通量呈上升趋势，从23.1L/m2·h增大到38.1L/m2·h。
5、pH值变化对MEUF的影响
在室温(25℃)条件下，生物表面活性剂总浓度固定为0.8mmol/L，苯胺浓度固定为100mg/L，Cd2+浓度固定为25mg/L，槐糖脂的浓度固定为生物表面活性剂总浓度0.1(即α＝0.1)，操作压力固定为0.2MPa，pH值分别调为4、6、7、8、10。
pH 苯胺截留率 Cd2+截留率 渗透通量
4 40.8 32.4 9.2
6 17 83.9 17.1
7 16.4 97.6 23.1
8 22.1 98.2 26.1
10 21.7 99.7 32.5
如图15所示，随着pH的增大，Cd2+截留率呈现先增大然后趋于平缓，苯胺截留率呈现先减小再增大。当pH从4升高到7，Cd2+截留率从32.4％增大为97.6％，而在酸性条件下(pH＝4)，苯胺截留率达到最大值，为40.8％。这是由于酸性条件下，模拟废水中H+的浓度较高，会跟Cd2+发生竞争吸附作用，使得Cd2+去除效果较差。因为苯胺在酸性条件会与水中大量的H+发生水解反应，从而生成带正电的苯胺离子。因此，因此，废水中的胶团不仅能够通过增溶作用去除苯胺分子，还可以利用静电吸附作用将苯胺离子吸附在胶团的表面，使得更多的苯胺被截留。当pH大于7时，苯胺截留率增大，可能是由于鼠李糖脂易溶于碱性溶液中，从而形成了更多的胶团，截留更多的苯胺。
随着pH的增大，渗透通量逐步增大。当pH从4增大到10，渗透通量从9.2L/m2·h增大到32.5L/m2·h。主要是由于随着pH的增大，有利于溶液中鼠李糖脂的溶解，使得溶液的粘性减小。可见，pH对渗透通量的影响是显著的。
6、操作压力变化对MEUF的影响
在室温(25℃)条件下，生物表面活性剂总浓度固定为0.8mmol/L，苯胺浓度固定为100mg/L，Cd2+浓度固定为25mg/L，槐糖脂的浓度固定为生物表面活性剂总浓度0.1(即α＝0.1)，操作压力分别设为0.2、0、25、0.3、0.35、0.4MPa，pH值调为7。
压力 苯胺截留率 Cd2+截留率 渗透通量
0.2 16.4 97.6 23.1
0.25 16.3 97.3 25.2
0.3 16.4 97.1 30.8
0.35 15.9 96.8 35.3
0.4 16.4 96.1 41.3
从图16可以看出，当其他条件不变，只改变操作压力时，Cd2+和苯胺截留率几乎没有发生变化。这与单一去除Cd2+和苯胺的结果是一致的。随着操作压力的升高，渗透通量也不断增大，其增大的速率与操作压力的增幅几乎呈线性。这是因为在操作压力的变化区内，渗透通量与操作压力的大小正相关。当操作压力从0.2MPa升高到0.4MPa时，由23.1L/m2·h增大到41.3L/m2·h。
根据单因素的实验结果，选择生物表面活性剂总浓度、槐糖脂占生物表面活性剂总浓度的比例(α)、pH作为考察对象，以Cd2+截留率、苯胺截留率和渗透通量3个指标作为评价指标，对MEUF去除镉-苯胺的过程进行分析。
根据Box-Behnken响应面设计进行实验，Cd2+截留率(RCd)实验值及预测值，如表5所示。
表5Cd2+截留率实验值和预测值
利用软件Minitab 16对Cd2+截留率的实验值进行拟合，得到反映Cd2+截留率(RCd)与生物表面活性剂总浓度、槐糖脂占生物表面活性剂总浓度的比例(α)、pH之间关系的完全二次回归方程模型：
RCd＝-206.854+85.647A+101.347B+58.433C-33.467A2+48.533B2-3.110C2-49.600A×B-1.067A×C-9.333B×C
表6Cd2+截留率方差分析
附注：P<0.05说明该项显著，用“*”代表，P<0.01说明该项极显著，用“**”代表。A为生物表面活性剂总浓度；B为槐糖脂占生物表面活性剂总浓度的比例(α)；C为pH；AC为生物表面活性剂总浓度与pH的交互项，AB、BC同理；A2为生物表面活性剂总浓度的二次项，B2、C2同理。
由回归方程中一次项的回归系数可以看出生物表面活性剂总浓度、α和pH对RCd的影响为正效应。这说明生物表面活性剂总浓度、α和pH越大，MEUF对Cd2+截留效果越好。
对Cd2+截留率实验值的方差分析(ANOVA)结果见表6。由表6可知，模型的F值为57.04，P值远远小于0.01，说明模型是极显著的；失拟项的P为0.055(P>0.05)，是不显著的，说明模型是可靠的，能较好的反映实验数据。通过方差分析得出复相关系数R2＝0.990(大于0.8)，说明该模型实验误差小。所以可以使用该模型对RCd进行分析和预测。
根据表6中一次项的F值的大小可以看出，各因子对RCd的影响程度从小到大依次为：α<生物表面活性剂总浓度<pH。除此之外，从表6中各项的P值可以看出：一次项C极显著，说明pH对RCd的影响极显著；而一次项A、B不显著，说明生物表面活性剂总浓度和α对RCd的影响不显著；pH的二次项(C2)对RCd的影响极显著。
根据二次回归方程模型，可以做出曲面图和等值线图，探究3个因子及其之间的交互作用对Cd2+截留率的影响。
pH保持在7时，由图2的Cd2+截留率与生物表面活性剂总浓度、α关系的曲面图(a)、等值线图(b)可以看出：生物表面活性剂总浓度与α交互作用不显著；α比生物表面活性剂总浓度对RCd的影响小，RCd随着生物表面活性剂总浓度的增大而增大。
α保持0.175时，由图3的Cd2+截留率与生物表面活性剂总浓度、pH关系的曲面图(a)、等值线图(b)可以看出：生物表面活性剂总浓度与pH交互作用不显著，最优点趋近于生物表面活性剂总浓度为1.0mmol/L和pH为8.9的区域，在该点附近RCd均达到98％以上。
生物表面活性剂总浓度保持25mg/L时，由图4的Cd2+截留率与α、pH关系的曲面图(a)、等值线图(b)可以看出：α与pH交互作用不显著，pH较α对RCd的影响大，RCd随着pH的增大而增大。
根据Box-Behnken响应面设计进行实验，苯胺截留率(RAN)实验值及预测值，如表7所示。
表7苯胺截留率实验值和预测值
利用软件Minitab 16对苯胺截留率的实验值进行拟合，得到反映苯胺截留率(RAN)与生物表面活性剂总浓度、槐糖脂占生物表面活性剂总浓度的比例(α)、pH之间关系的完全二次回归方程模型：
RAN＝-24.292+115.323A-113.933B-11.475C-30.933A2+194.667B2+0.985C2-16.800A×B-6.933A×C+5.400B×C
由回归方程中一次项的系数可以看出α和pH对RAN的影响为负效应，生物表面活性剂总浓度对RAN的影响为正效应。这说明α和pH越大，MEUF对苯胺的截留效果越差；生物表面活性剂总浓度越大，MEUF对苯胺的截留效果越好。
表8苯胺截留率方差分析
附注：P<0.05说明该项显著，用“*”代表，P<0.01说明该项极显著，用“**”代表。A为生物表面活性剂总浓度；B为槐糖脂占生物表面活性剂总浓度的比例(α)；C为pH；AC为生物表面活性剂总浓度与pH的交互项，AB、BC同理；A2为生物表面活性剂总浓度的二次项，B2、C2同理。
对苯胺截留率实验值的方差分析(ANOVA)结果见表8。由表8可知，模型的F值为7.83，P值为0.018(小于0.05)，说明模型是显著的；失拟项的P为0.062(P>0.05)，是不显著的，说明模型是可靠的，能较好的反映实验数据。通过方差分析得出复相关系数R2＝0.934(大于0.8)，说明该模型实验误差小。所以可以使用该模型对RAN进行分析和预测。
根据表8中一次项的F值的大小可以看出，各因子对RAN的影响程度从小到大依次为：α<生物表面活性剂总浓度<pH。除此之外，从表8中各项的P值可以看出：一次项C是显著的，说明pH对RAN的影响显著；而一次项A、B不显著，说明生物表面活性剂总浓度和α对RAN的影响不显著；pH的二次项(C2)对RAN的影响极显著；交互项AC是显著的，说明生物表面活性剂总浓度与pH交互项对RAN的影响显著。
根据二次回归方程模型，可以做出曲面图和等值线图，探究3个因子及其之间的交互作用对苯胺截留率的影响。
pH保持在7时，由图5的苯胺截留率与生物表面活性剂总浓度、α关系的曲面图(a)、等值线图(b)可以看出：生物表面活性剂总浓度与α交互作用不显著，生物表面活性剂总浓度在0.75～1.0mmol/L，α在0.05～0.10时，苯胺截留率较高，大于21％。
α保持0.175时，由图6的苯胺截留率与生物表面活性剂总浓度、pH关系的曲面图(a)、等值线图(b)可以看出：生物表面活性剂总浓度与pH交互作用显著，生物表面活性剂总浓度在0.87～1.0mmol/L，pH小于4.5时，苯胺截留率大于34％。
生物表面活性剂总浓度保持0.75mmol/L时，由图7的苯胺截留率与α、pH关系的曲面图(a)、等值线图(b)可以看出：α与pH交互作用不显著，α较pH对苯胺截留率的影响小，苯胺截留率随pH的增大而减小。
根据Box-Behnken响应面设计进行实验，渗透通量(J)实验值及预测值，如表9所示。
表9渗透通量实验值和预测值
利用软件Minitab 16对渗透通量的实验值进行拟合，得到反映渗透通量(J)与生物表面活性剂总浓度、槐糖脂占生物表面活性剂总浓度的比例(α)、pH之间关系的完全二次回归方程模型：
J＝-10.566-31.527A-9.113B+8.228C+30.000A2+140.800B2-0.278C2-40.800A×B-2.033A×C+0.133B×C
由回归方程中一次项的系数可以看出生物表面活性剂总浓度和α对J的影响为负效应，pH对J的影响为正效应。这说明pH越大J越大，生物表面活性剂总浓度和α越大J越小。
表10渗透通量方差分析
附注：P<0.05说明该项显著，用“*”代表，P<0.01说明该项极显著，用“**”代表。A为生物表面活性剂总浓度；B为槐糖脂占生物表面活性剂总浓度的比例(α)；C为pH；AC为生物表面活性剂总浓度与pH的交互项，AB、BC同理；A2为生物表面活性剂总浓度的二次项，B2、C2同理。
对渗透通量实验值的方差分析(ANOVA)结果见表10。由表10可知，模型的F值为87.91，P值为0.001(小于0.01)，说明模型是极显著的；失拟项的P为0.453(P>0.05)，是不显著的，说明模型是可靠的，能较好的反映实验数据。通过方差分析得出复相关系数R2＝0.994(大于0.8)，说明该模型实验误差小。所以能够使用该模型对渗透通量进行分析和预测。
根据表10中一次项的F值的大小可以看出，各因子对J的影响程度从小到大依次为：α<生物表面活性剂总浓度<pH。除此之外，由表10中各项的P值可以看出：一次项C极显著，说明pH对J的影响极显著；而一次项A、B不显著，说明生物表面活性剂总浓度和α对J的影响不显著；生物表面活性剂总浓度、α和pH的二次项(A2、B2、C2)对J的影响都是显著的；交互作用项AB、AC是显著的，说明生物表面活性剂总浓度与α、生物表面活性剂总浓度与pH交互项对J的影响显著。
根据二次回归方程模型，可以做出曲面图和等值线图，探究3个因子及其之间的交互作用对渗透通量的影响。
pH保持在7时，由图8的渗透通量与生物表面活性剂总浓度、α关系的曲面图(a)、等值线图(b)可以看出：生物表面活性剂总浓度与α交互作用显著，生物表面活性剂总浓度大于0.58mmol/L，α在0.26～0.30之间时，J大于20L/m2·h。
α保持0.175时，由图9的渗透通量与生物表面活性剂总浓度、pH关系的曲面图(a)、等值线图(b)可以看出：生物表面活性剂总浓度与pH交互作用显著，生物表面活性剂总浓度在0.5～0.7mmol/L，pH大于7.8时，J保持在20L/m2·h。
生物表面活性剂总浓度保持0.75mmol/L时，由图10的渗透通量与α、pH关系的曲面图(a)、等值线图(b)可以看出：α与pH交互作用不显著，α较pH对J的影响小，J随pH的增大而增大。
综上，利用软件Minitab 16，对Cd2+截留率、苯胺截留率和渗透通量同时进行响应，将3个指标的权重和重要度均设置为1，优化结果见表11。
表11响应优化结果
由表11可得，当生物表面活性剂总浓度为1.0mmol/L，α为0.05，pH为7.21时，Cd2+截留率、苯胺截留率和渗透通量同时达到最大化，优化的复合合意性为0.97。
生物表面活性剂胶团是通过静电作用去除废水中的重金属离子，而对难降解有机物的去除则是通过相似相溶的原理，将难降解有机物溶解到胶团的内部、生物表面活性剂分子之间的间隙、聚氧乙烯链间等。从理论上来说，由于重金属和有机物去除机理不相同，使得胶团强化超滤对重金属和有机物联合处理成为了可能。本发明是考察生物表面活性剂总浓度、进料液污染物浓度、生物表面活性剂复配比(α)、pH值以及压力对Cd2+和苯胺截留率以及渗透通量的影响。并通过Box-Behnken响应曲面设计，建立回归模型，分析各因素之间的交互作用，最后通过优化，筛选出最优的操作条件。通过探索和优化得出联合处理的最佳操作条件，这样不仅可以减少工序，还可以节约处理成本。
实施例一：
如图1所示，秤取一定量的生物表面活性剂鼠李糖脂和槐糖脂，生物表面活性剂总浓度为1.0mmol/L，槐糖脂的浓度固定为生物表面活性剂总浓度的0.05，加入到放置待处理的含镉-苯胺废水的进料槽中，调整进料槽溶液的pH为7.21。
当进料槽1的溶液经过磁力加热搅拌器均匀搅拌后，静置20min之后，通过输料泵2作用进入膜装置3。
溶液由膜装置3的隔膜泵输送至膜装置3的膜组件，在膜组件的作用下，产生的浓缩液回流至进料槽1继续进行超滤，产生的渗透液用专门的容器4收集，在0.2MPa的压力下，运行20min。
实际测得Cd2+截留率为97.12％，苯胺截留率为22.85％、渗透通量为16.19L/m2·h，相对误差不超过1％。
实施例二：
秤取一定量的生物表面活性剂鼠李糖脂和槐糖脂，生物表面活性剂总浓度为0.3mmol/L，槐糖脂的浓度固定为生物表面活性剂总浓度的0.1，加入到放置待处理的含镉-苯胺废水的进料槽中，调整进料槽溶液的pH为7。
当进料槽1的溶液经过磁力加热搅拌器均匀搅拌后，静置20min之后，通过输料泵2作用进入膜装置3。
溶液由膜装置3的隔膜泵输送至膜装置3的膜组件，在膜组件的作用下，产生的浓缩液回流至进料槽1继续进行超滤，产生的渗透液用专门的容器4收集，在0.2MPa的压力下，运行20min。
实际测得Cd2+截留率为77.4％，苯胺截留率为11.2％、渗透通量为48.9L/m2·h。
实施例三：
秤取一定量的生物表面活性剂鼠李糖脂和槐糖脂，生物表面活性剂总浓度为1.5mmol/L，槐糖脂的浓度固定为生物表面活性剂总浓度的0.5，加入到放置待处理的含镉-苯胺废水的进料槽中，调整进料槽溶液的pH为4。
当进料槽1的溶液经过磁力加热搅拌器均匀搅拌后，静置20min之后，通过输料泵2作用进入膜装置3。
溶液由膜装置3的隔膜泵输送至膜装置3的膜组件，在膜组件的作用下，产生的浓缩液回流至进料槽1继续进行超滤，产生的渗透液用专门的容器4收集，在0.2MPa的压力下，运行20min。
实际测得Cd2+截留率为40.3％，苯胺截留率为43.7％、渗透通量为17.93L/m2·h。
实施例四：
秤取一定量的生物表面活性剂鼠李糖脂和槐糖脂，生物表面活性剂总浓度为1.5mmol/L，槐糖脂的浓度固定为生物表面活性剂总浓度的0.9，加入到放置待处理的含镉-苯胺废水的进料槽中，调整进料槽溶液的pH为10。
当进料槽1的溶液经过磁力加热搅拌器均匀搅拌后，静置20min之后，通过输料泵2作用进入膜装置3。
溶液由膜装置3的隔膜泵输送至膜装置3的膜组件，在膜组件的作用下，产生的浓缩液回流至进料槽1继续进行超滤，产生的渗透液用专门的容器4收集，在0.2MPa的压力下，运行20min。
实际测得Cd2+截留率为91.5％，苯胺截留率为14.31％、渗透通量为29.10L/m2·h。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故但凡依本发明的权利要求和说明书所做的变化或修饰，皆应属于本发明专利涵盖的范围之内。

Claims (5)

1.一种生物表面活性剂，其特征在于：由鼠李糖脂和槐糖脂组成，生物表面活性剂总浓度为0.3-1.5 mmol/L，槐糖脂的浓度固定为生物表面活性剂总浓度的0.05-0.9。
2.根据权利要求1所述的一种生物表面活性剂，其特征在于：生物表面活性剂总浓度为1 mmol/L，槐糖脂的浓度固定为生物表面活性剂总浓度的0.05。
3.一种生物表面活性剂强化超滤处理方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：秤取一定量的生物表面活性剂鼠李糖脂和槐糖脂，生物表面活性剂总浓度为0.3-1.5 mmol/L，槐糖脂的浓度固定为生物表面活性剂总浓度的0.05-0.9，加入到放置待处理的含镉-苯胺废水的进料槽中，调整进料槽溶液的pH为4-10；
步骤二：进料槽的溶液经过磁力加热搅拌器均匀搅拌，静置20 min之后通过输料泵作用进入膜装置；
步骤三：溶液通过膜装置的隔膜泵进入到膜装置的膜组件，在膜组件的作用下，产生的浓缩液回流至进料槽继续进行超滤，产生的渗透液用专门的容器收集，在0.2-0.4 MPa的压力下，运行20 min。
4.根据权利要求3所述的一种生物表面活性剂强化超滤处理方法，其特征在于：在步骤一中，生物表面活性剂总浓度为1 mmol/L，槐糖脂的浓度固定为生物表面活性剂总浓度的0.05。
5.根据权利要求3所述的一种生物表面活性剂强化超滤处理方法，其特征在于：在步骤一中，进料槽溶液的pH为7.21。
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