TWI411582B - 水綿藻藻粉吸附重金屬鉛離子(Pb 2+ )操作單元 - Google Patents

水綿藻藻粉吸附重金屬鉛離子(Pb 2+ )操作單元 Download PDF

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水綿藻藻粉吸附重金屬鉛離子(Pb 2+ )操作單元
本發明係有關於一種水綿藻藻粉吸附重金屬鉛離子(Pb2+)操作單元，特別是指利用水綿藻藻粉用以作為去除廢水中的重金屬鉛離子(Pb2+)吸附材料，藉以取代不易分解石化材料，達成降低廢水處理費用，且能回收再使用，並藉由此操作程序提高吸附重金屬鉛離子(Pb2+)的效率。
按，治理廢水的技術方法為分離、轉化和利用。分離，採用各種技術方法，把廢水中的懸浮物或膠體微粒、微滴分離出來，從而使廢水得到淨化，或者使廢水中污染物減少到最低限度。
轉化，對於已經溶解在水中，無法"取"出來或者不需要"取"出來的污染物，採用生物化學的的方法、化學和電化學的方法，使水中溶解的污染物轉化成無害的物質(如轉化成H2O、CO2、CH4、NO3-等等)，或者轉化成容易分離的物質(如沉澱物、附著物、上浮物、不溶性氣體等等)。總之，使水中污染物發生有利於治理的化學、生物化學變化。
利用，有些廢水(主要是高濃度的廢液)，未經處理或 者稍加處理有可能找到新的用途，可以成為有用的資源，用於再制造、再加工，從而徹底解決了廢水(或其他廢物)的治理問題。
然，含有重金屬污染的廢水如果沒有經過妥善處理即予排放，對環境與生態將產生極大的危害。一般處理廢水中之重金屬有化學沉澱法、離子交換法、逆滲透法、電分析法與活性碳吸附法等。
電分析法僅適用於含高重金屬濃度之廢水，對於低重金屬濃度的廢水而言，此法並不經濟；而化學沈澱法則會產生含重金屬之污泥，造成二度污染。
利用離子交換樹脂及適當之萃取劑，將污泥中之重金屬萃取出來，然後交換到離子交換樹脂的方法。但，重金屬的去除過程並非想像中的容易，使用離子樹脂去除溶液中的重金屬污染，必須經過適當的重金屬萃取劑先將溶液中的重金屬予以瀝取，然後交換到離子交換樹脂。離子交換樹脂與欲去除的重金屬之間，存在著許多必須考量的關鍵性因素。
污水處理廠的操作單元可分為物理、化學及生物處理三類。一般之污水處理廠所處理的污水，係包括工廠廢水、住宅社區之家庭污水及滲入之地下水，污水經入下水道系統後，經由各中繼站加壓攔污，將污水匯集至污水處理廠的進流抽水站，經過機械式攔污柵，將大型污物攔除後，廢水經抽水機抽送至曝氣沉砂除油池，去除砂礫或大顆粒之沉降物， 浮油則以刮除方式處理，之後經過調和池、初沉池、污泥濃縮池、曝氣池、二次沉澱池等步驟後，若二沉池出水已符合放流水標準，即可放流。
習用污水水質淨化處理，係應用於污水處理廠之污水淨化處理，雖具有污水淨化之基本功效，但受限於污水處理池之設計，其係採用間接多道淨化的方式，其過程相當的繁複，而且會運用大量的化學物質進行反應，因此該處理方式不環保，對於水中之重金屬及有害物質無法去除。
不僅於此，上述習用污水水質淨化處理之最大的缺點在於：
1.受限於污水處理池之設計，其係採用間接多道淨化的方式，先期投資成本及維持運轉費用均高。
2.具備生物工法之自主吸附淨化效能，且會因添加淨化所需之化學物質，對環境造成二次污染。
因此，以目前現有技術去除廢水中吸附重金屬鉛離子(Pb2+)的化學處理方法，包括離子交換、混凝沉澱、逆滲透、薄膜處理、蒸發回收等，但是在這些處理方法中發現，當金屬廢水溶液在低濃度時，利用上述化學處理方法的效果並不好，而且處理的費用太過昂貴。
有鑑於此，為了改進目前現有技術方法與解決產生問題，本發明之目的在提供一種水綿藻藻粉吸附重金屬鉛離子 (Pb2+)操作單元，特別是指利用水綿藻藻粉用以作為去除廢水中的重金屬鉛離子(Pb2+)吸附材料，藉以取代不易分解石化材料，達成降低廢水處理費用，且能回收再使用，並藉由此操作程序提高吸附重金屬鉛離子(Pb2+)的效率。
為達上述目的，本發明揭示一種水綿藻藻粉吸附重金屬鉛離子(Pb2+)操作單元，包括下列步驟：步驟一.準備一重金屬廢液；步驟二.廢液濃度之調整(50~300mg/L)；步驟三.測定pH值；步驟四.添加NaOH或HCl調整pH值(pH5.0~6.0)；步驟五.水綿藻藻粉配製；步驟六.吸附水綿藻藻粉加入劑量(1~5g/L)步驟七.接觸反應時間控制(15~20分鐘)；步驟八.處理後廢水重金屬鉛離子(Pb2+)檢測；步驟九.吸附後水綿藻藻粉回收；步驟十.重金屬鉛離子(Pb2+)脫附(以鹽酸或乙烯二胺四乙酸脫附)；步驟十一.水綿藻藻粉再製；步驟十二.濃縮後重金屬鉛離子(Pb2+)廢液。
其中，該水綿藻藻粉對鉛離子(Pb2+)之吸附操作最佳pH值為pH5.5。
其中，當接觸反應時間達到15分鐘時，1g/L的水綿藻藻粉劑量吸附量達到飽和狀態，該水綿藻藻粉對鉛離子(Pb2+)之去除量為76.0mg/g。
其中，當鉛離子(Pb2+)溶液的濃度為100 mg/L時，水綿藻藻粉吸附溶液中鉛離子(Pb2+)最大去除量可達76.5mg/g。
其中，該水綿藻粉劑量0.1 g/L時，吸附量可達最大值，每單位的水綿藻粉重可吸附82.5 mg的鉛離子(Pb2+)。
其中，該水綿藻藻粉對鉛離子(Pb2+)之脫附劑可為氯化鈉、鹽酸、醋酸鹽、乙烯二胺四乙酸、水。
承上所述，因依本發明之一種水綿藻藻粉吸附重金屬鉛離子(Pb2+)操作單元，具有以下的功效：運用台灣中南部水庫上游溪流中生長大量的底棲附著性大型絲狀藻，以水綿藻及剛毛藻最為廣泛，許多研究文獻探討，是良好具有潛勢的生物材料，可取代合成纖維。由於藻類經常被用於研發作為生化材料之應用，可以取代不易分解的石化材料，再者藻類生長快速而且容易採集，因此能將藻類應用於處理重金屬廢水上，可以降低廢水處理費用。
因此與現有技術比較之優點與特色：
1.水綿藻用於研發作為生化材料。
2.水綿藻生長快速而且容易採集。
3.水綿藻可以降低廢水處理費用。
第一圖係為本發明之一種水綿藻藻粉吸附重金屬鉛離子(Pb2+)操作單元之實施流程示意圖。
第二圖係為本發明在不同水綿藻藻粉劑量去除溶液中鉛離子(Pb2+)與反應時間的變化，溶液的pH值設定為5.5之示 意圖。
第三圖係為本發明在不同pH值條件下，水綿藻粉去除水中含鉛離子(Pb2+)重金屬溶液之影響，藻粉劑量為1g/L，反應時間為20min。
第四圖係為本發明在三種不同的水綿藻藻粉劑量在不同Pb2+溶液濃度吸附結果，pH值5.5，反應時間20min。
第五圖係為本發明在不同的水綿藻藻粉劑量對溶液中鉛離子(Pb2+)吸附的影響，鉛離子(Pb2+)濃度為100mg/L，pH值5.5，反應時間20min。
第六圖係為本發明在不同的脫附劑對水綿藻藻粉上鉛離子(Pb2+)脫附率。
請參閱第一圖，係為本發明之一種水綿藻藻粉吸附重金屬鉛離子(Pb2+)操作單元之實施流程示意圖。
圖中，包括下列步驟：步驟一.準備一重金屬廢液；步驟二.廢液濃度之調整(50~300mg/L)；步驟三.測定pH值；步驟四.添加NaOH或HCl調整pH值(pH5.0~6.0)；步驟五.水綿藻藻粉配製；步驟六.吸附水綿藻藻粉加入劑量(1~5g/L)步驟七.接觸反應時間控制(15~20分鐘)；步驟八.處理後廢水重金屬鉛離子(Pb2+)檢測；步驟九.吸附後水綿藻藻粉回收；步驟十.重金屬鉛離子(Pb2+)脫附(以鹽酸或乙烯二胺四乙酸脫附)；步驟十一.水綿藻藻粉再製；步驟十二.濃縮後重金屬鉛離子(Pb2+)廢液。
首先，請參閱第二圖，係為本發明在不同水綿藻藻粉劑量去除溶液中鉛離子(Pb2+)與反應時間的變化，溶液的pH值設定為5.5之示意圖。當接觸反應時間控制20分鐘以上，如配合攪拌，即達吸附平衡。理想的生物吸附劑，應該要能快速從廢液中吸收高濃度的重金屬。而且可以容易快速分離(脫附)被吸附的重金屬，由以上的觀點進行水綿藻藻粉對鉛離子(Pb2+)的吸附時間的實驗，找出水綿藻粉吸附Pb2+溶液達到吸附平衡的反應接觸時間設定為5、10、15、20、25、30、45及60分鐘，水綿藻粉劑量設定在1、5、10 g/L，其實驗結果如下(表一)所示，反應一開始水綿藻藻粉隨著反應時間增加，其水綿藻粉去除溶液中鉛離子(Pb2+)的去除量也隨之增加，當反應時間達到15分鐘時，1g/L的水綿藻藻粉劑量吸附量達到飽和狀態，反應時間超過20分鐘後，三種不同的水綿藻藻粉劑量其去除量漸呈持平狀態，去除量並沒有明顯的上升或下降，而藻類劑量1 g/L為三種劑量中效果最好的，去除量為76.0mg/g。由前述實驗結果得出，水綿藻藻粉吸附飽和的時間為15~20分鐘之間。
接著，水綿藻藻粉對鉛離子(Pb2+)之吸附操作最佳pH值為pH5.5。在pH值的控制，鉛離子(Pb2+)溶液中加藻粉濃度 為1g/L進行吸附，實驗的pH值範圍設定為3~7之間，從實驗結果來看，當溶液的pH為3時，其鉛離子(Pb2+)去除量約為17.0mg/g藻粉乾重，隨著溶液的pH增加，水綿藻藻粉去除水中的鉛離子(Pb2+)也增加，當溶液的pH調整到5.5時，去除效率可以達到最高。當溶液的pH超過5.5時，則吸附量漸減且因為當溶液中的pH超過5.5時，鉛離子(Pb2+)會在溶液中與OH-而產生Pb(OH)2沉澱。
對重金屬的吸附，pH是一個很重要的影響因子，水綿藻類成分中，許多重要的生物分子像胺基酸、蛋白質都帶有可離子化的官能基，因此當一個pH下，這些官能基可能以解離或不解離的形式存在，而此決定藻體表面之帶電性、蛋白質分子的帶電性質和帶電多少，電荷除了取決於本身的胺基酸外，也受到溶液中pH值和離子強度影響，例如，在水溶液中，蛋白質所帶有的胺基酸會因為質子化(protonation)或去質子化(deprotonation)作用而帶電荷，因此蛋白質的等電點可以決定蛋白質在特定水溶液中帶電價(net charge)的多寡。
在低pH值時，水綿藻細胞為正電，溶液中以H+為主，導致水綿藻藻粉吸附量減少，當pH值在5.5時，水綿藻藻粉吸附鉛離子(Pb2+)量很高，原因在於水綿藻與金屬物之間的鍵結，細胞的表面會改變為帶負電。當pH值大於5.5以上，因鉛離子(Pb2+)會漸漸形成Pb(OH)2沉澱而不溶解，不同的pH值條件對於水綿屬吸附Pb2+溶液的影響如下(表二)所示 。在2種不同濃度之鉛離子(Pb2+)溶液，其濃度分別為100、200 mg/L，水綿藻粉劑量為1.0 g/L，反應時間為20分鐘，pH值條件設定在3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0、6.5、7.0。結果顯示，水綿藻粉對於鉛離子(Pb2+)溶液吸附隨著pH值的增加，去除量也隨之增加，當溶液的pH調整至5.5時，去除量可達最大值，約為76mg/g，溶液中鉛離子(Pb2+)濃度高，在低pH時，吸附量較大，但最適吸附pH值時反而較小。
接著，水綿藻吸附達最大濃度及吸附濃度範圍操作之探討，在pH值為5.5下，設定六種不同的鉛離子(Pb2+)濃度溶液，其設定值分別為50、100、150、200、250及300 mg/L，而水綿藻藻粉劑量設定三種不同的劑量，分別為1.0、5.0、10.0 g/L，結果如下(表三)所示，可得知，當鉛離子(Pb2+)溶液的濃度為100 mg/L時，水綿藻藻粉吸附溶液中鉛離子(Pb2+)最大去除量可達76.5mg/g藻粉乾重，其去除鉛離子(Pb2+)的最適濃度範圍為0~300mg/L，最適濃度為100mg/L。
接著，請參閱第三圖，係為本發明在不同pH值條件下，水綿藻粉去除水中含鉛離子(Pb2+)重金屬溶液之影響，藻粉劑量為1g/L，反應時間為20min。藻粉量控制在濃度0.1g/L為最佳，在水綿藻藻粉吸附重金屬的過程，劑量的增加或減少會直接影響到實驗吸附的結果，所以必須將藻類劑量納入實驗參數之一，尋找出最佳藻粉劑量，並可便於評估藻粉吸附之效率。故設定五種不同的藻類劑量分別為0.1、0.5、1.0、5.0、10.0 g/L，鉛離子(Pb2+)溶液的濃度為100 mg/L，pH值為5.5，反應時間20分鐘。
請參閱第四圖，係為本發明在三種不同的水綿藻藻粉劑量在不同Pb2+溶液濃度吸附結果，pH值5.5，反應時間20min。結果如下圖(表四)所示，可得知，當Pb2+溶液的濃度為100 mg/L時，水綿藻藻粉吸附溶液中Pb2+最大去除量可達76.5mg/g藻粉乾重，其去除Pb2+的最適濃度範圍為0~300mg/L，最適濃度為100mg/L。
請參閱第五圖，係為本發明在不同的水綿藻藻粉劑量對溶液中鉛離子(Pb2+)吸附的影響，鉛離子(Pb2+)濃度為100mg/L，pH值5.5，反應時間20min。實驗結果如(表五)所示，水綿藻粉劑量0.1 g/L時，吸附量可達最大值，每單位的水綿藻粉重可吸附82.5 mg的鉛離子(Pb2+)。當藻粉劑量增加達1g/L時，其去除量為76.5mg/g，當藻粉劑量再增加時，其去除量明顯降低，故藻粉之控制量宜小於1g/L，配合鉛離子(Pb2+)離子濃度以達到其最佳去除效率。
接著，請參閱第六圖，係為本發明在不同的脫附劑對水綿藻藻粉上鉛離子(Pb2+)脫附率。吸附於水綿藻藻粉上的鉛離子(Pb2+)進行脫附實驗，水綿藻藻粉鉛離子(Pb2+)的吸附量為70mg/g，使用之脫附劑濃度在2 mmole/L，選擇的脫附劑有氯化鈉、鹽酸、醋酸鹽、乙烯二胺四乙酸與水，脫附時間為15分鐘，結果顯示，使用氯化鈉與水幾乎無法將吸附於水綿藻藻粉上的鉛離子(Pb2+)脫附下來，而使用酸脫附劑 及乙烯二胺四乙酸，其脫附效果均佳，濃度約為2 mmol/L，幾乎可以將Pb2+從水綿藻藻粉上脫附下來。
以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

Claims (6)

  1. 一種水綿藻藻粉吸附重金屬鉛離子(Pb2+)操作單元，其包含以下步驟：步驟一.準備一重金屬廢液；步驟二.廢液濃度之調整(50~300mg/L)；步驟三.測定pH值；步驟四.加NaOH或HCl調整pH值(pH5.0~6.0)；步驟五.水綿藻藻粉配製；步驟六.吸附水綿藻藻粉加入劑量(1~5g/L)；步驟七.接觸反應時間控制(15~20分鐘)；步驟八.處理後廢水重金屬鉛離子(Pb2+)檢測；步驟九.吸附後水綿藻藻粉回收；步驟十.重金屬鉛離子(Pb2+)脫附(以鹽酸或乙烯二胺四乙酸脫附)；步驟十一.水綿藻藻粉再製；步驟十二.濃縮後重金屬鉛離子(Pb2+)廢液。
  2. 申請專利範圍第1項所述之一種水綿藻藻粉吸附重金屬鉛離子(Pb2+)操作單元，其中，該水綿藻藻粉對鉛離子(Pb2+)之吸附操作最佳pH值為pH5.5。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之一種水綿藻藻粉吸附重金屬鉛離子(Pb2+)操作單元，其中，當接觸反應時間達到15分鐘時，1g/L的水綿藻藻粉劑量吸附量達到飽和狀態，該水綿藻 藻粉對鉛離子(Pb2+)之去除量為76.0mg/g。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之一種水綿藻藻粉吸附重金屬鉛離子(Pb2+)操作單元，其中，當鉛離子(Pb2+)溶液的濃度為100 mg/L時，水綿藻藻粉吸附溶液中鉛離子(Pb2+)最大去除量可達76.5mg/g。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之一種水綿藻藻粉吸附重金屬鉛離子(Pb2+)操作單元，其中，水綿藻粉劑量0.1 g/L時，吸附量可達最大值，每單位的水綿藻粉重可吸附82.5 mg的鉛離子(Pb2+)。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之一種水綿藻藻粉吸附重金屬鉛離子(Pb2+)操作單元，其中，該水綿藻藻粉對鉛離子(Pb2+)之脫附劑可為氯化鈉、鹽酸、醋酸鹽、乙烯二胺四乙酸、水。
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