CN106587273A

CN106587273A - 一种生物表面活性剂胶团强化超滤处理重金属废水的方法

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Publication number: CN106587273A
Application number: CN201710006298.0A
Authority: CN
Inventors: 曹爱辉; 张键
Original assignee: Yangzhou University
Current assignee: Yangzhou University
Priority date: 2017-01-05
Filing date: 2017-01-05
Publication date: 2017-04-26

Abstract

一种生物表面活性剂胶团强化超滤处理重金属废水的方法，涉及低浓度重金属废水的处理技术领域。本发明采用鼠李糖脂作为生物表面活性剂，将鼠李糖脂与重金属废水混合后，通过静置使生物表面活性剂鼠李糖脂单体分子生成胶团后增溶水中的重金属离子。通过平板超滤膜截留水中的鼠李糖脂重金属胶团，从而去除水中的重金属离子。本发明可以处理含Cu²⁺、Zn²⁺、Ni²⁺、Cd²⁺、Pb²⁺或Cr³⁺的重金属废水。

Description

一种生物表面活性剂胶团强化超滤处理重金属废水的方法

技术领域

本发明涉及低浓度重金属废水的处理技术领域。

背景技术

人类生产及生活使得大量的重金属进入大气、水和土壤中。重金属可以通过富集作用进入鱼类、植物及动物体内，进而进入人类身体。根据报道，一些重金属对于人体具有潜在的致癌作用。由于重金属对于人类和生物的健康有着极大的危害性，所以饮用水和废水中的重金属浓度被严格的限制。

目前处理重金属废水的方法主要有化学沉淀法、离子交换法、溶剂萃取法、吸附法、气浮法、电解法等。这些方法在有效去除重金属离子的同时，也存在处理费用高以及重金属回收利用率低的问题，对于低浓度的重金属离子的截留效果大多不理想。

胶团强化超滤技术（MEUF）是近年来重金属废水处理领域涌现出的一个新热点。它将超滤技术与表面活性剂相结合，从而去除重金属离子。超滤技术只能截留溶液中的大分子物质，而对于小分子物质以及金属离子的截留效果非常有限。在MEUF技术中，表面活性剂加入溶液中后与重金属离子结合成胶团，起到吸附重金属离子，从而扩大重金属离子截留直径的效果，因此可以用滤孔较大的超滤膜进行过滤处理，具有处理效果好，耗能低，成本低的、重金属回用率高的技术特点。

现有胶团强化超滤技术采用的表面活性剂主要是人工化学合成类表面活性剂，难以进行后续处理，容易造成二次污染。因此环境友好型表面活性剂值得研究和应用。

目前国内外研究较多的是由假单胞菌产生的鼠李糖脂，它是一类非常重要的生物表面活性剂，不仅具有乳化、增溶、降低表/界面张力的功能，而且毒性小，易于生物降解，在使用过程中无二次污染，具有很好的发展应用前途，在许多领域得到广泛使用。

平板超滤膜具有水力学条件易于控制、渗透通量高、抗污染能力强以及易于清洗、更换方便等特点，已在工业上广泛使用。

发明内容

本发明所要解决的问题是克服现有MEUF技术的不足，提供一种去除效果好、耗能低、操作简单、无二次污染的处理低浓度重金属废水的方法。

本发明技术方案是：先将鼠李糖脂投加于含Cu²⁺、Zn²⁺、Ni²⁺、Cd²⁺、Pb²⁺或Cr³⁺的重金属废水中，搅拌均匀并静置后，再通过平板超滤膜过滤，取得去除重金属的净水。

本发明采用鼠李糖脂作为生物表面活性剂，将鼠李糖脂与重金属废水混合后，通过静置使生物表面活性剂鼠李糖脂单体分子生成胶团后增溶水中的重金属离子。通过平板超滤膜截留水中的鼠李糖脂重金属胶团，从而去除水中的重金属离子。本发明可以处理含Cu²⁺、Zn²⁺、Ni²⁺、Cd²⁺、Pb²⁺或Cr³⁺的重金属废水。

本发明的有益效果是：

1、去除效果好。使用生物表面活性剂鼠李糖脂，生成的胶团增溶水中的重金属离子，在使用少量鼠李糖脂的条件下，水中的重金属离子去除效果好，节约了运行成本，提高了经济可行性。

2、能耗低。鼠李糖脂胶团增溶重金属离子以及超滤分离的过程中，通过蠕动泵的负压抽吸，并没有涉及相变，能耗低。

3、无二次污染。渗透液中鼠李糖脂浓度低，并且鼠李糖脂是生物表面活性剂，容易生物降解，无二次污染。

4、截留液中生物表面活性剂和重金属离子远高于其进水浓度，且截留液体积远小于进水体积，可以对表面活性剂和重金属离子进行回收处理。

5、工艺组合简单，易于实现自动化处理。可以根据废水水质的特点，将生物表面活性剂胶团强化超滤处理重金属废水的方法和前段处理高浓度重金属废水的工艺相串联，从而切实保证重金属废水出水的达标排放。

6、使用平板超滤膜。平板超滤膜具有水力学条件易于控制、渗透通量高、抗污染能力强以及易于清洗、更换方便等特点，已在工业上广泛使用。

进一步地，本发明所述重金属废水中重金属离子的浓度≤20mg/L。本发明特别适合小于20mg/L的低浓度重金属离子的废水。

对含Cu²⁺、Zn²⁺、Ni²⁺、Cd²⁺或Pb²⁺的重金属废水进行处理时，鼠李糖脂和含Cu²⁺、Zn²⁺、Ni²⁺、Cd²⁺或Pb²⁺的重金属废水中重金属离子摩尔浓度的混合比为2～4∶1 ，重金属离子的去除率可达95%～99%。

而对含Cr³⁺的重金属废水进行处理时，鼠李糖脂和含Cr³⁺的重金属废水中重金属离子摩尔浓度的混合比为35∶1，重金属离子的去除率也能在到95%～99%。

所述静置时间为1～2小时，优选2小时。在静置时间为2小时的工艺参数下，鼠李糖脂生物表面活性剂与重金属离子已经充分结合。

所述平板超滤膜的孔径为0.1μm，过滤时滤压为20KPa。在该参数条件运行下，MEUF工艺能够有效的防止膜的污染，同时有较大的膜通量。

所述过滤为间歇式过滤。本发明采用间歇式过滤方法能够有效的对超滤膜进行清洗，可以提高超滤膜的使用寿命，同时有较高的金属离子截留率。

附图说明

图1为浓度为5mg/L的各种单一重金属离子截留率与鼠李糖脂和重金属离子摩尔浓度比关系图。

图2为浓度为20mg/L的各种单一重金属离子截留率与鼠李糖脂和重金属离子摩尔浓度比关系图。

图3为多组分混合重金属离子截留率与鼠李糖脂和重金属离子摩尔浓度比关系图。

具体实施方式

实施例1：

分别配制六种废水：每一种废水中只含一种重金属Cu²⁺、Zn²⁺、Ni²⁺、Cd²⁺、Pb²⁺或Cr³⁺，每一种废水中重金属的浓度均为5mg/L。

分别作平行试验：往每种废水中分别投加鼠李糖脂，鼠李糖脂和重金属离子摩尔浓度比（S/M）为0.5～10∶1的生物表面活性剂的量，搅拌均匀，静置2小时，鼠李糖脂单体分子生成胶团后增溶水中的重金属离子。再将上述加入鼠李糖脂的单一含重金属废水分别通过蠕动泵送至平板超滤膜过滤，超滤膜材质为聚偏氟乙烯(PVDF)，标称孔径0.1μm，膜操作压力为20KPa，超滤的运行方式为间歇式。增溶了水中重金属离子的鼠李糖脂胶团被超滤膜截留，从而去除水中的重金属离子。

通过火焰原子吸收分光光度法测定渗透液中的重金属离子的浓度，具体实验结果如图1所示。

通过图1可以看出，各种重金属废水中，Cu²⁺、Zn²⁺、Ni²⁺、Cd²⁺的截留率随鼠李糖脂和重金属离子摩尔浓度比（S/M）的增加而显著增大，在S/M为3左右时，重金属离子的截留率已经达到了90%以上，随着S/M进一步增大，重金属离子的截留率能够达到99%以上。Pb²⁺的截留率在S/M为0.5时就达到了90%，说明鼠李糖脂增溶Pb²⁺的能力非常好；而Cr³⁺的截留率与其他重金属离子相比，截留率明显偏低，鼠李糖脂增溶Cr³⁺的能力较差，但是随着S/M增大，Cr³ ⁺的截留率也不断升高。总体而言，使用生物表面活性剂鼠李糖脂强化平板超滤处理重金属废水效果显著。

实施例2：

分别配制六种废水：每一种废水中只含一种重金属Cu²⁺、Zn²⁺、Ni²⁺、Cd²⁺、Pb²⁺或Cr³⁺，每一种废水中重金属的浓度均为20mg/L。

分别作平行试验：往每种废水中分别投加鼠李糖脂，鼠李糖脂和重金属离子摩尔浓度比（S/M）为0.5～10∶1的生物表面活性剂的量，搅拌均匀，静置2小时，鼠李糖脂单体分子生成胶团后增溶水中的重金属离子，将上述加入鼠李糖脂的单一含重金属废水分别通过蠕动泵送至平板超滤膜过滤，超滤膜材质为聚偏氟乙烯(PVDF)，标称孔径0.1μm，膜操作压力为20KPa，超滤的运行方式为间歇式。增溶了水中重金属离子的鼠李糖脂胶团被超滤膜截留，从而去除水中的重金属离子。

通过火焰原子吸收分光光度法测定渗透液中的重金属离子的浓度，具体实验结果如图2所示。

通过图2可以看出，20mg/L的重金属废水中，Cu²⁺、Zn²⁺、Ni²⁺、Cd²⁺的截留率随鼠李糖脂和重金属离子摩尔浓度比（S/M）的增加而显著增大，在S/M为3左右时，重金属离子的截留率已经达到了90%以上，随着S/M进一步增大，重金属离子的截留率能够达到99%以上。Pb²⁺的截留率在S/M为0.5时就达到了90%，说明鼠李糖脂增溶Pb²⁺的能力非常好；而Cr³⁺的截留率与其他重金属离子相比，截留率明显偏低，鼠李糖脂增溶Cr³⁺的能力较差，但是随着S/M增大，Cr³⁺的截留率也不断升高。总体而言，使用生物表面活性剂鼠李糖脂强化平板超滤处理重金属废水效果显著。

上述二个实例表明，鼠李糖脂形成胶团后能够有效增溶重金属离子，并且S/M为3时去除率（Cr³⁺除外）可以达到95%以上，这表明三个鼠李糖脂分子形成胶团后能够结合一个重金属离子。鼠李糖脂对于重金属离子具有良好的增溶效果，结合平板超滤膜的使用，能够有效去除废水中的重金属离子，由于平板超滤膜具有水力学条件易于控制、渗透通量高、抗污染能力强以及易于清洗、更换方便等特点。

实施例3：

将Cu²⁺、Zn²⁺、Ni²⁺、Cd²⁺、Pb²⁺、Cr³⁺加入到同一水中，组成多组分废水，浓度均配制成5mg/L，重金属离子总浓度为30mg/L，往废水中分别投加鼠李糖脂/重金属离子摩尔浓度比（S/M）为0.5~10的生物表面活性剂的量，搅拌均匀，静置2小时，鼠李糖脂单体分子生成胶团后增溶水中的重金属离子，将上述加入鼠李糖脂的多组分含重金属废水通过蠕动泵送至平板超滤膜过滤，超滤膜材质为聚偏氟乙烯(PVDF)，标称孔径0.1μm，膜操作压力为20KPa，超滤的运行方式为间歇式。增溶了水中重金属离子的鼠李糖脂胶团被超滤膜截留，从而去除水中的重金属离子。通过火焰原子吸收分光光度法测定渗透液中的重金属离子的浓度，具体实验结果如图3所示。

通过图3可以看出，30mg/L的混合重金属废水中，重金属离子的截留率随鼠李糖脂/重金属离子摩尔浓度比的增加而显著增大，在S/M为3左右时，重金属离子的截留率已经达到了90%以上，随着S/M进一步增大，重金属离子的截留率能够达到99%以上。从图中可以看出，鼠李糖脂增溶重金属离子能力的顺序为Pb²⁺>Cu²⁺>Cd²⁺>Zn²⁺>Ni²⁺>Cr³⁺，其中鼠李糖脂增溶Pb的能力最强，在低S/M时即可以去除大部分Pb；增溶Cr的能力相对较弱，需要在高S/M时才能完全去除。

从上述三个实例中可以看出，鼠李糖脂形成胶团后能够有效增溶重金属离子，并且S/M为3时去除率（Cr³⁺除外）基本可以达到95%以上，这表明三个鼠李糖脂分子形成胶团后能够结合一个重金属离子。鼠李糖脂对于重金属离子具有良好的增溶效果，结合平板超滤膜的使用，能够有效去除废水中的重金属离子，由于平板超滤膜具有水力学条件易于控制、渗透通量高、抗污染能力强以及易于清洗、更换方便等特点，本发明具有广阔的应用前景。

Claims

1.一种生物表面活性剂胶团强化超滤处理重金属废水的方法，其特征在于先将鼠李糖脂投加于含Cu²⁺、Zn²⁺、Ni²⁺、Cd²⁺、Pb²⁺或Cr³⁺的重金属废水中，搅拌均匀并静置后，再通过平板超滤膜过滤，取得去除重金属的净水。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述重金属废水中重金属离子的浓度≤20mg/L。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述鼠李糖脂和含Cu²⁺、Zn²⁺、Ni²⁺、Cd²⁺或Pb²⁺的重金属废水中重金属离子摩尔浓度的混合比为2～4∶1。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述鼠李糖脂和含Cr³⁺的重金属废水中重金属离子摩尔浓度的混合比为35∶1。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述静置时间为1～2小时。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述静置时间为2小时。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述平板超滤膜的孔径为0.1μm，过滤时滤压为20KPa。

8.根据权利要求1或7所述的方法，其特征在于所述过滤为间歇式过滤。