旋转盘膜剪切强化络合-超滤处理含镉废水

2018-03-18邱运仁

山东化工 2018年14期

陈亮，邱运仁

(中南大学化学化工学院，湖南长沙 410083)

含镉废水直接或间接的被排入环境中，极易对人体健康和环境造成伤害[1]传统的处理镉离子的方法有化学沉淀法、吸附法、离子交换法和膜分离法等[2]。络合超滤作为膜分离法的一种，在处理重金属废水方面具有广泛的应用前景。到目前为止，络合超滤已经应用于工业废水含Cd2+、Ni2+、Zn2+、Cu2+、Mn2+、Cr4+等离子的处理[3]。虽然在实验室规模下，金属离子截留率都很高，但是在中试阶段，金属离子截留率较低。原因在于料液经离心泵输送到反应装置的过程中，离心泵叶轮的转动产生的高剪切速率使络合物(P-Metal)的化学键断裂。所以，探究剪切速率对聚合物-重金属络合物的稳定性的影响，是解决络合超滤工业应用低效率问题的途径。

本研究用聚醚砜超滤膜，以聚丙烯酸钠(PAAS)为络合剂，用旋转圆盘膜组件去除溶液中的Cd2+，讨论了溶液pH值，金属离子质量浓度比(P/M)，转速对Cd2+截留率的影响，并找到PAA-Cd的临界剪切速率，并以此依据去除镉离子和回收络合剂PAAS。

1 实验

1.1 实验材料

聚丙烯酸钠，购于日本和光纯药工业株式会社；硝酸镉，购于天津光复精细化工研究所；氯化氢，氢氧化钠，均购于衡阳市凯信化工试剂有限公司；硝酸，购于成都金山化学试剂有限公司。

1.2 实验装置与方法

旋转圆盘动态膜组件如图1所示，其装置流程如图2所示，圆盘为四叶片圆盘。进口流量30L/h，温度为25℃，压力差10kPa。聚丙烯酸钠(PAAS)预处理参考文献[4]。含Cd2+模拟废水，用硝酸镉配制。Cd2+用火焰原子吸收分光光度法检测[5]。

图1 旋转圆盘膜组件

图2 旋转盘膜过滤系统装置图

2 结果与讨论

2.1 pH、P/M对截留率的影响

镉离子截留率随着pH值，P/M的变化如图3所示。在低pH值下，镉离子截留率(RCd)非常低，随着pH值的增加，RCd逐渐增大，在pH值≥6时，RCd达到最大值，且基本不变。在pH值=6时，镉离子在P/M≥30时取得最大截留率。这些现象解释如下：由于pH值不同以及PAAS上羧基的质子化作用，H+和Cd2+将进行竞争；P/M的变化导致PAAS有效络合位的变化。

图3 pH值对镉离子截留率的影响

2.2 转速对截留率的影响

将10 mg/L镉离子与300mg/L PAAS溶液混合，配成2 L混合溶液，置于搅拌器上充分搅拌30 min，然后添加到旋转盘膜组件中，在0-3000 r/min范围内调节转速，收集各转速下的渗透液，并测量其中的镉含量。当pH值分别为5、5.5、6时，RCd随旋转速度的变化如图4所示。

图4 转速对镉离子截留率的影响

在pH值=6时，可以发现，RCd随着转速的增加保持不变，当转速达到1820 r/min时，RCd开始降低，在pH值为5或5.5时，可以发现类似的变化。解释如下：转速过高导致PAA-Cd络合物发生了解络，导致截留率开始降低。PAA-Cd开始解络的转速被定义为临界转速。由图4可知，在pH值为5、5.5、6时，临界转速分别为1820 r/min, 1580 r/min和 1170 r/min。根据Gao等[6]的理论推导，可以获得不同pH值下的临界半径，从而计算出络合物的临界剪切速率。在pH值为5、5.5、6时，络合物PAA-Cd的临界剪切速率分别为5.9×104s-1, 1.01×105s-1,1.31×105s-1。

图5 体积浓缩因子对镉的浓度比的影响

2.3 剪切诱导解络回收PAAS

在P/M=30, pH值=6的条件下，研究了临界剪切速率对络合剂PAAS回收的影响。选择比临界转速大的转速2000 r/min。在浓缩的过程中，渗透液不断排出的同时，将浓缩液返回到原料槽中。测量金属浓度后，金属浓度比(MCR)可通过以下表达式计算[7]：

(3)

其中[Cd]r,s是在一定体积浓缩因子上浓缩液的镉离子浓度，[Cd]f,s为原料液中的初始镉离子浓度。图5显示了MCR与体积浓缩因子VCF的关系。在浓缩的过程中，MCR急剧下降。当VCF达到7时，镉的MCR为0.002，浓缩液中的镉浓度为0.02 mg/L，PAAS浓度为300 mg/L。结果表明，当转速大于2000r/min时，也即γ>γc,PAA-Cd时，PAA-Cd络合物发生了解络。与此同时，当VCF=7时，镉离子几乎被完全排出，PAAS则浓缩在浓缩液中。