胶团强化超滤技术及其在水处理中的应用

1胶团强化超滤技术及其在水处理中的应用21.胶团强化超滤的基本原理胶团强化超滤是一种相对低耗能的手段，旨在在膜分离步骤之前通过表面活性剂将它们粘合或溶解进成形的胶团分子来增加污染物分子的尺寸[1]。其主要分离对象时胶体和大分子物质。这里我们重点关注的是近些年发展较为快的胶团强化超滤技术，一种表面活性剂和超滤技术相结合的多用来分离例子和小分子有机物的技术。首先介绍一下胶团强化超滤技术的原理。表面活性剂是可以降低液体表面张力的有机物，它们一般是两亲的，即既有亲水基团（头部），也有疏水基团（尾部）。表面活性剂分子在水中均匀地扩散后将向水的表面移动而形成一个单分子层，当浓度超过临界胶束浓度后，表面活性剂单体将聚集形成胶团，这种作用被称为表面活性剂的成束作用。水中的溶质存在于胶团分子的四个位置，分别是胶团分子与水交界口，胶团分子的疏水内芯，在头部的亲水基团和在栅状层。一般来说，溶液中的物质被溶于胶团中有两个途径。一种是金属离子或其它非有机污染3物，它们将在静电作用下附着于胶团的头部表面。另一种是可溶性有机物，将在范德华力的作用下栅状层或胶团内心处。在胶团强化超滤技术中，使大量的污染物或溶质在胶团表面吸引力下陷入胶团之中。这样，在超滤过程中，拥有直径比膜孔径大的胶团将被膜拒之门外。2.胶团强化超滤技术的应用在此我们重点介绍它在处理有机物和金属离子两方面的作用。用MEUF可以处理的微量有机污染物主要有酚、芳香烃、烷烃、氯代芳香化合物、胺和醇[2]。其原理是当有机物的化学结构和性质与SAA分子的疏水基相似，根据相似相溶原理，这种有机物将溶解于胶团中，或有机物与SAA分子的亲水基能形成氢键，有机物也会从水相转移到胶团中，这个过程就称为胶团的增溶作用，近似于胶团萃取了废水中的有机物。当这种废水通过超滤膜时，如膜孔径小于胶团粒径，则携带有机物的胶团因不能透过膜而被截留，水和少量表面活性剂单体及未被增溶的有机物能自由透过膜，从而实现绝大部分有机物和水的有效分离。透过液可直接排放或循环使用，浓缩液是含高浓度表面活性剂和有机物的废水，其体积相对于原水来说大大减少，所以进一步处理比较方便，处理能耗也较低[1]。胶团强化超滤（MEUF）对废水中有机物的去除率取决于胶团对有机污染物的增溶能力，即胶团对有机物的增溶系数K（K=X／Co），X和Co分别为有机物在胶团中的摩尔分数和在废水中的浓度)，K越大，有机物的去除率越高。在环保技术中的具体应用多为油滴和悬浮固体的分离由初始UF处理而MEUF有必要除去溶解的有机物[1]。而在工业提纯方面多用来分离芳香烃，如利用胶团强化超滤技术从十二烷基硫酸钠的水溶液（在15至45℃）和1-十六烷基氯（在25至45℃）的水溶液获得高精确值浓度的苯。[3]用MEUF处理的金属离子主要有Fe3+、AI3+、Co2+、Ni2+、Zn2+、Cu2+、Pb2+、Cd2+和CrO42-，而且可同时去除多种金属离子。其原理是当投加到废水中的是离子型表面活性剂时，SAA分子形成的胶团表面带高电荷，能通过静电作用将反离子吸附或束缚于表面。如SAA是阴离子型，它形成的胶团能吸附废水中的阳离子，如Zn2+、Cu2+、Ni2+和Fe3+等。SAA是阳离子型，则能吸附废水中的多价阴离子，如CrO42-、AsO42。理论上胶团能去除所有离子型物质，离子所带电荷越多，与胶团之间的作用越大，其去除率相应也越高。对同价态、不同金属离子来说，其去除率也有微弱的区别。这是因为不同的金属离子与水中的其他离子形成稳定络合物的趋势不一样，越容易络合，被胶团静电吸附的几率越小。如Cd2+比Ca2+更容易与水中的Cl-形成络合物，结果它们的去除率各为99.5%和98.8%[4]。4近些年发展较快的配位体改性胶束增强超滤(LM-MEUF)是去除金属离子较为有效的技术。其原理是利用两性配位基溶解于胶团中选择性的去除目标金属离子[5]。以去除水离子Cu2+为例，利用C16BIDA选择性去除水溶液中的Cu2+，CPC作为附加胶质，搅动超滤试池和半平衡透析方法来确定被滤出铜离子溶液溶质成分[6]。3.胶团强化超滤技术的影响因素超滤的影响因素有很多，其中需要特别重视的有：络合效率的影响因素，超滤中金属离子分离率的影响参数，络合作用的动力学参数，与标准溶剂萃取相比的胶束萃取效率[7]。4.胶团强化超滤技术存在的问题及改进的方法胶团强化超滤技术作为一种较早研究的膜分离技术存在一些问题，一是表面活性剂胶团对有机物的增溶量或对金属离子的吸附量较小，所以在应用中表面活性剂的投加量可能较大，因而成本较高。二是到目前为止对浓缩液进行后处理的方法进行了研究.虽然有几种，如盐沉淀、萃取等，但还应该开发出更经济、更简单易行的措施将其中的有机物或金属离子分离出来，使表面活性剂能循环再利用。超滤膜的污染是不可避免的，当膜达到使用寿命时，为保证出水水质必须更换超滤膜。针对以上问题，胶团强化超滤技术应在以下几个方面进一步地研究与改进：(1)寻求CMC更小的表面活性剂或进行表面活性剂的复配以及添加电活性剂的使用量；(2)开发出更简单、高效的回收方法以循环利用表面活性剂；(3)研究更有效的膜清洗方法及研制新型抗污染膜以延长膜的使用寿命。5.结语胶团强化超滤法具有工艺简单、在室温操作、易实现工业化的特点，适用于单独或同时从废水中去除低分子量、低浓度有机污染物和多价金属离子，具有很好的环境效益。胶团强化超滤法能耗低，无相变，且处理水可直接回用，还可从浓缩液中回收有价值的有机物或重金属，所以这种方法具有很好的经济效益，从而具有可观的应用前景。参考文献[1]ProducedWaterTreatmentbyMicellar-EnhancedUltrafiltration.ALIDERISZADEH,MAENM.HUSEIN,*ANDTHOMASG.HARDING.Environ.Sci.Technol.2010,44,1767–1772[2]胶团强化超滤技术及其在废水处理中的应用研究进展.徐瑾，赵保卫.净水技术2009，28（2）：1-5[3]EquilibriumSolubilizationofBenzeneinMicellarSystemsandMicellar-EnhancedUltrafiltrationofAqueousSolutionsofBenzene.GeorgeA.Smith1,2,,SherrilD.Christian1,2,,EdwinE.Tucker1,2,and,JohnF.Scamehorn2,3.ACSSymposiumSeries,Chapter10,pp184–1985[4]Surfactant-basedseparationprocesses[M].ScamehornJF,HarwellJH.Surfactantscienceseries:Vo1.33.NewYorkMarcel.Dekker[5]Ligand-ModifiedMicellar-EnhancedUltrafiltrationforMetalIonSeparations.DonaldL.Simmons1,2,,AnnetteL.Schovanec1,2,,JohnF.Scamehorn2,3,,SherrilD.Christian1,2,and,RichardW.Taylor1,2.ACSSymposiumSeries,Vol.509Chapter13,pp180–193[6]UseofLigand-ModifiedMicellar-EnhancedUltrafiltrationtoSelectivelyRemoveCopperfromWater.SusanB.Shadizadeh1,2,,RichardW.Taylor3,,JohnF.Scamehorn1,2,,AnnetteL.Schovanec3,and,SherrilD.Christian2,3.ACSSymposiumSeries,Vol.716Chapter19,pp280–293[7]Surfactant-BasedColloidalParticlesastheExtractingPhasefortheRemovalofMetalIonsfromAqueousEnvironments:KineticandAppliedAspects.ChristianTondre.ACSSymposiumSeries,Vol.740Chapter10,pp139–157