鼠李糖脂胶团强化超滤处理含铅废水研究*

张志彬　游少鸿　刘征　傅海燕　程慧艳　兰火娣　何昌杰

(1.桂林理工大学，广西矿冶与环境科学实验中心　广西桂林 541004；2.厦门理工学院，环境科学与工程学院　福建厦门 361024)



鼠李糖脂胶团强化超滤处理含铅废水研究*

张志彬1,2游少鸿1刘征2傅海燕2程慧艳2兰火娣2何昌杰1

(1.桂林理工大学，广西矿冶与环境科学实验中心广西桂林 541004；2.厦门理工学院，环境科学与工程学院福建厦门 361024)

以实验室配制的模拟含铅废水为研究对象，探讨了生物表面活性剂鼠李糖脂强化超滤技术对含铅废水的处理效果。实验结果表明，影响重金属离子铅去除率因素的主次顺序为：pH值>鼠李糖脂浓度>重金属离子铅的初始浓度>操作压力，去除重金属铅离子的最佳条件是：鼠李糖脂浓度为8 CMC，pH值为9，操作压力为300 kPa，最大去除率可达到89.66%。

胶团强化超滤铅离子鼠李糖脂正交实验

0　引言

铅离子能被水中的微粒物和胶体物质吸附，然后聚集并沉降在水体底部，导致水体铅污染影响具有长期性。铅污染具有累积性，可沿食物链产生生物富集，会对人体健康造成严重危害[1-2]。当前处理含铅废水的方法主要有吸附法[3-6]、生物法[7-9]、膜分离技术[10-12]、电解法[13-14]和化学沉淀法[15-18]等，其中膜分离技术中的胶团强化超滤技术(MEUF)通过向废水中加入一定量的表面活性剂，当其浓度大于临界胶束浓度(CMC)时，会形成胶团，使水中重金属离子吸附或键合在胶团中，并被超滤膜截留，从而实现重金属离子的去除。该法因具有能耗低、易操作、渗透通量大、去除效率高等优点备受研究人员关注。目前国内外学者采用的表面活性剂主要是化学表面活性剂[19-21]，对于生物表面活性剂应用于MEUF的研究较少[23-25]，然而化学表面活性剂存在CMC高、用量大、不经济且易产生二次污染等缺点。本文拟采用一种经济且环境友好的生物表面活性剂鼠李糖脂[26]代替化学表面活性剂，强化超滤处理含铅废水，研究不同实验条件下Pb2+的去除效率，探索最优的操作参数。

1　实验部分

1.1实验仪器和试剂

主要仪器：FM1107-01.03 SUS316型超滤平板膜小试设备(厦门福美科技有限公司)，Optima 7000 DV型电感耦合等离子发射光谱仪(美国PE)，IKAC-MAG HS 4型加热磁力搅拌器(上海施迪曼流体技术有限公司)，Sartorius PB-10型pH计(深圳赛泽尔电子有限公司)。

主要试剂：鼠李糖脂(湖州紫金生物科技有限公司生产，纯度90%)，硝酸铅(分析纯)，盐酸(分析纯)，氢氧化钠(分析纯)，亚硫酸氢钠(分析纯)。

1.2实验方法

实验所用含铅废水由蒸馏水以及硝酸铅配制。将一定量的生物表面活性剂鼠李糖脂加入到含铅废水中，用玻璃棒搅拌均匀，静置15 min。进料液经过蠕动泵输送到超滤平板膜设备。通过电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP)测定一定条件下胶团强化超滤处理后的渗透液中Pb2+浓度，考察Pb2+的去除效果。

1.2.1单因素实验

分别考察鼠李糖脂浓度、Pb2+初始浓度、pH值、操作压力对废水中铅离子去除效果的影响，进行单因素实验，实验设计如表1所示。

1.2.2正交实验

根据单因素的实验结果确定出4因素3水平正交实验，因素水平表如表2所示，正交因素水平表如表3所示。

表1　单因素水平

注：1 CMC=50 mg/L。

表2　因素水平

表3　正交因素水平

2　结果与分析

2.1单因素实验结果及分析

2.1.1鼠李糖脂浓度对MEUF截留Pb2+的影响

进料液Pb2+初始质量浓度为10 mg/L，pH值为7，操作压力为200 kPa，向模拟废水中分别加入0，2，4，6，8，10 CMC的鼠李糖脂，考察进料液鼠李糖脂浓度的变化对Pb2+截留效果的影响，实验结果如图1所示。

实验结果表明：当鼠李糖脂浓度为0时，Pb2+的去除率为20.21%，而后随着鼠李糖脂浓度的增大Pb2+的去除率先增大后减小。当鼠李糖脂浓度为8 CMC时，Pb2+的去除率达到最大值，为83.18%，当鼠李糖脂浓度为10 CMC时，Pb2+的去除率略微下降。这是因为当鼠李糖脂浓度增大时，溶液中鼠李糖脂的胶团增大，与Pb2+的络合程度增大，从而使Pb2+截留在膜表面，提高了Pb2+的去除率，而鼠李糖脂浓度过大时，会造成膜污染，所以造成Pb2+的去除率下降。

图1　鼠李糖脂浓度对Pb2+截留率的影响

2.1.2Pb2+初始浓度对MEUF截留Pb2+的影响

进料液鼠李糖脂质量浓度为6 CMC，pH值为7，操作压力为200 kPa，向模拟废水中分别加入10，30，50，80，100，120 mg/L的Pb2+，考察Pb2+初始质量浓度的变化对Pb2+截留效果的影响，实验结果如图2所示。

图2　Pb2+初始浓度对Pb2+截留率的影响

实验结果表明：Pb2+初始质量浓度为10 mg/L时，Pb2+去除率最大，而后随着Pb2+初始浓度增大，Pb2+的去除率逐渐下降；当Pb2+初始质量浓度为120 mg/L时，Pb2+的去除率降到最低值。这是因为当鼠李糖脂浓度一定时，鼠李糖脂与Pb2+的络合程度有限，随着Pb2+浓度上升，鼠李糖脂与Pb2+的络合越来越小，Pb2+的去除率随之降低。

2.1.3溶液pH值对MEUF截留Pb2+的影响

进料液鼠李糖脂浓度为6 CMC，Pb2+初始质量浓度为10 mg/L，操作压力为200 kPa，调节模拟废水的pH值分别为5，6，7，8，9，10，考察溶液pH值的变化对Pb2+截留效果的影响，实验结果如图3所示。

图3　溶液pH值对Pb2+截留率的影响

实验结果表明：当溶液pH值为5时，Pb2+的去除率极低，仅为22.76%，而后Pb2+的去除率随着pH值的上升而先上升后下降，当pH值为9时，Pb2+的去除率达到最大值，为80.18%；pH值大于9后，Pb2+的去除率开始有略微的下降趋势。这是因为鼠李糖脂胶团的大小与溶液pH值大小有关，当溶液呈酸性时，不利于鼠李糖脂形成胶团，从而降低了鼠李糖脂与Pb2+的络合率；溶液呈碱性，即溶液pH值从7升高到10时，Pb2+的去除率先增大后减小，造成这种现象的原因有以下几点[22]：

(1)在碱性条件下鼠李糖脂胶团结构由薄片状变成了囊泡状，最后变成了胶团，即其结构逐渐变小，所以在较高pH值情况下，鼠李糖脂容易形成更多较小的胶团，从而使鼠李糖脂与Pb2+的络合程度增大，提高了Pb2+的去除率。

(2)pH值的升高会促进鼠李糖脂中的羧基脱氢离子化，使其溶解度增大，也就是使得溶液中的鼠李糖脂浓度增大了，从而使Pb2+与鼠李糖脂的络合率变大，Pb2+的去除率也增大。

(3)随着溶液pH值增大，鼠李糖脂的表面张力有所下降，从而提高了Pb2+与鼠李糖脂的络合率，增大了Pb2+的去除率，但若pH值过大，则会使溶液中OH-浓度过高，更易形成金属氢氧化物沉淀，不利于Pb2+的去除。

2.1.4操作压力对MEUF截留Pb2+的影响

进料液鼠李糖脂浓度为6 CMC，Pb2+初始质量浓度为10 mg/L，pH值为7，调节操作压力分别为150，200，250，300，350，400 kPa，考察操作压力的变化对Pb2+截留效果的影响，实验结果如图4所示。

图4　操作压力对Pb2+截留率的影响

实验结果表明，操作压力对Pb2+的去除率没有明显的影响。这是因为操作压力的升高，使得胶团在膜面的浓度也升高，但由于浓差极化的进一步增强，这种下降趋势将逐步减缓，从而使得操作压力对Pb2+的去除率没有明显影响。

2.2正交实验结果与分析

根据以上单因素实验结果确定出4因素3水平正交实验，正交实验结果如表4所示。

实验结果表明：

(1)正交组合实验对Pb2+的截留率普遍高于单因素水平的实验结果。

(2)由表4可看出，正交实验组合为pH值为9、鼠李糖脂浓度为8 CMC、Pb2+初始质量浓度为10 mg/L、操作压力为300 kPa时，MEUF对Pb2+的去除效果最好，去除率高达89.66%。

(3)各因素对Pb2+去除效果影响的主次顺序为：pH值>鼠李糖脂浓度>Pb2+初始浓度>操作压力。

表4　正交实验结果

3　结论

(1)鼠李糖脂作为一种环境友好型、经济型的生物表面活性剂，对于去除重金属铅有明显的效果，最大去除率可达89.66%。

(2)溶液pH值、鼠李糖脂浓度以及Pb2+的初始浓度对铅离子的去除有较大影响，而操作压力对其去除率影响较小。

(3)Pb2+的去除率随着鼠李糖脂浓度、溶液pH值的增大而先增大后减小，随着Pb2+的初始浓度增大而减小。

(4)处理铅离子废水的最佳条件为：pH值为9，鼠李糖脂浓度为8 CMC，操作压力300 kPa。

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Treatment of Lead-containing Wastewater by Rhamnolipid Micellar-enhanced Ultrafiltration

ZHANG Zhibin1,2YOU Shaohong1LIU Zheng2FU Haiyan2CHENG Huiyan2LAN Huodi2HE Changjie1

(1.GuangxiScientificExperimentCenterofMining,MetallurgyandEnvironment,GuilinUniversityofTechnologyGuilin,Guangxi541004)

The rhamnolipid biosurfactant is utilized in micellar-enhanced ultrafiltration (MEUF) of simulation heavy metals in wastewater from lab, to discuss the removal of lead in wastewater. The results show that the primary and secondary factors order affceting the removal rate of lead ions follow: pH > rhamnolipid concentration > the initial concentration of lead ions > transmembrane pressure, the optimal process conditions of the treatment of lead wastewater are as follows: the rhamnolipid concentration of 8 CMC, pH 9 and the transmembrane pressure of 300 kPa and in such conditions the removal rate can reach 89.66%.

micellar-enhanced ultrafiltrationlead ionsrhamnolipidorthogonal experiment

国家自然科学基金青年科学基金(51109181)，福建省高校杰出青年科研人才项目(JA12243)，厦门理工学院对外合作专项(E201400600),广西高等学校高水平创新团队及卓越学者计划，广西科学研究与技术开发计划(桂科攻14124004-3-7)。

张志彬，男，1991年生，硕士研究生，主要从事水污染控制研究。

2015-10-09)