电吸附法去除水中CTAB的研究

杨 志，高云涛，熊华斌，李文义，李晓芬

(1.云南民族大学 化学与环境学院，云南 昆明 650500;2.云南民族大学 民族药资源化学国家民委-教育部重点实验室，云南 昆明 650500)

表面活性剂是一类能有效降低溶液表面张力的物质，有乳化、杀菌、起泡、润滑、增溶等作用，在工业、农业、医药等领域均有广泛应用[1].随着表面活性剂使用量的日益增大，大量含有表面活性剂的废水不断排入环境中，对生态环境造成严重的污染和破坏[2-7].鉴于表面活性剂废水产生量大、危害广、污染持久等特点，高效的表面活性剂废水处理技术一直需求迫切，国内外已有相关研究报导；目前，主要的处理方法有：泡沫分离法、混凝处理法、催化氧化法等[8-12].但由于各方法本身具有的局限性，大都难以推广应用.

本文提出了电吸附法去除水中离子型表面活性剂的研究思路.电吸附技术是利用带电电极表面吸附水中离子及带电粒子，使水中溶解盐类及其他带电物质在电极的表面富集浓缩而实现水的净化的一种水处理技术[13].自20世纪70年代Johnson等开始研究电吸附技术以来，电吸附去除水中带电粒子的研究已有很多报导[14-19]，但是鲜有对表面活性剂离子的电吸附去除研究.文中选取阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为对象，研究了电压、支持电解质、pH及初始浓度等因素对CTAB电吸附去除效果的影响.结果表明，电吸附法可有效去除CTAB，为水中表面活性剂的处理提供了一种新思路.

1 实验部分

1.1 实验仪器

BZY-2型全自动表/界面张力仪(上海衡平仪器仪表厂)；DH1715A-5型直流电源(北京大华无线电仪器厂)；8453紫外可见分光光度计(美国安捷伦公司)；FA2004分析天平(上海上平仪器公司)；DZS-708型多参数系列分析仪(上海仪电科学仪器股份有限公司).

1.2 实验材料

CTAB、甲基橙、无水乙醇、溴化钾、氢氧化钠、硫酸(均为分析纯)，石墨电极，实验用水为超纯水.

1.3 CTAB的临界胶束浓度(CMC)的测定

CMC是表面活性剂的重要参数，对表面活性剂在溶液中的分散、聚集与迁移等行为有直接影响，很多表面活性剂的现实应用都需要以其CMC值为基础，因此，有必要先对CTAB的CMC值进行准确测定.用全自动表面张力测定仪，对系列浓度的CTAB溶液进行表面张力测定，之后以CTAB的浓度为横坐标，以相应浓度下的表面张力为纵坐标，绘制CTAB溶液的表面张力随其浓度的变化曲线，由曲线得出CMC值.

1.4 标准曲线的绘制

CTAB与甲基橙在10%的乙醇水溶液中发生反应，生成淡黄色的离子缔合物，这种缔合物的颜色强度与CTAB离子的浓度成反比，CTAB离子的浓度越高，其颜色越淡，可在 470 nm 处进行吸光度的测定，进而绘制标准曲线[20].得到标线方程为：y=0.057 5x- 0.079 5 (R2=0.999 7).

1.5 电压对CTAB去除效果的影响

在CTAB浓度为 90 mg/L 的条件下，保持其他条件一致，分别在0.5、1、1.5、2、2.5、3 V 的不同电压下进行电吸附实验，研究电压对CTAB去除率的影响，每 20 min 取样 1 mL，按照标线步骤测定吸光度并记录数据，绘制CTAB的去除率随时间的变化曲线.

1.6 支持电解质的影响

保持其他条件不变，在 2.5 V 电压下，分别取 250 mL 初始质量浓度为 180 mg/L 的CTAB溶液，向其中分别加入1、2、4、8 mL 的质量浓度为 7.4 g/L 的溴化钾溶液，使溶液中溴化钾的质量浓度分别为29、59、118和 235 mg/L.每 20 min 取样 1 mL，测定吸光度并记录数据，绘制CTAB的溴化钾质量浓度的变化曲线.

1.7 pH的影响

用 2 mol/L 的硫酸和 2 mol/L 的氢氧化钠溶液调节CTAB溶液的pH，初始质量浓度为 180 mg/L，保持电压为 2.5 V，每 20 min 取样 1 mL，测定吸光度并记录数据，研究不同pH对CTAB电吸附去除效果的影响.

1.8 CTAB初始质量浓度的影响

分别取不同质量浓度(18、180、270 mg/L)的CTAB溶液，在 2.5 V 电压下，每 20 min 取样 1 mL，测定不同初始质量浓度下去除率的变化情况.

2 结果与分析

2.1 CMC的测定

CTAB溶液的表面张力随其质量浓度的变化曲线，如图1所示.

从图1可知，在CTAB的质量浓度较低时，溶液的表面张力随其质量浓度的升高而迅速下降，当质量浓度增加到 180 mg/L 之后，表面张力趋于稳定，从而确定所用CTAB试剂的CMC值为 180 mg/L.

图1 CTAB溶液的表面张力随质量浓度的变化曲线

2.2 电压的影响

不同电压下，CTAB的去除率随时间的变化曲线，如图2所示.

由图2可知，在不同电压下，CTAB的去除率曲线在初始阶段斜率加大、陡峭上升，说明初始阶段吸附效率较高，且电压越大，吸附效率越高；随着实验的进行，去除率曲线逐渐趋于平缓，说明CTAB的吸附去除达到平衡；0.5、1 V 条件下，约在 120 min 时达到平衡，此时的去除率分别为21.46%和23.74%；1、1.5 V 条件下，约在 100 min 时到达平衡，此时的去除率分别为27.04%和28.74%；2.5 V 条件下，约在 80 min 时达到平衡，此时的去除率为35.28%.

图2 不同电压下CTAB去除率随时间的变化曲线

由此可知，适当增大电压，有助于提高吸附去除速率，缩短平衡时间，且平衡时的去除率也相应增大.但当电压增大到 3 V 时，电极表面开始出现较多气泡，说明出现水电解现象，CTAB测样质量浓度也较为混乱.因此，电吸附回收CTAB的较优电压为 2.5 V.

2.3 支持电解质的影响

以KBr作为CTAB溶液的支持电解质，不同KBr质量浓度下CTAB去除率随时间的变化曲线如图3所示.

当溶液中溴化钾质量浓度从 0 mg/L 增加到 235 mg/L 的过程中，溶液的电导率相应从 47.9 us/cm 增大到 353 us/cm，由此可见，溴化钾的加入，极大地提升了溶液的电导率，使溶液中CTAB的电迁移速率增大，使CTAB的去除率从30.05%升高到34.50%；且平衡时间相应缩短，当溴化钾质量浓度为 235 mg/L 时，平衡时间约为 60 min.

图3 不同KBr浓度下CTAB去除率随时间的变化曲线

2.4 pH的影响

不同pH下CTAB去除率随时间的变化曲线如图4所示.由图4可知，CTAB的去除率随溶液pH的升高而升高，且去除率都在 120 min 左右达到平衡；在酸性条件下，溶液中的H+离子会与CTAB离子发生竞争吸附，H+离子会占据CTAB的吸附点，使CTAB的去除率降低；pH为11时去除率最高，约为35%.

图4 不同pH下CTAB去除率随时间的变化曲线

2.5 CTAB初始浓度的影响

不同初始浓度下CTAB去除率随时间的变化曲线如图5所示.

从图5可知，随着CTAB初始质量浓度从0.1倍CMC升高到1.5倍CMC，其去除速率逐渐降低，主要原因是，在0.1倍CMC质量浓度下，CTAB以单体形式存在于水溶液中，单体较小，移动速度较快，因此去除速率较快；当质量浓度增大到1.0倍CMC时，CTAB主要以胶束的状态聚集，体积较大，移动速度比单体慢，所以去除速率相对较低(1.5倍CMC质量浓度同理).在0.1倍CMC质量浓度时，去除率约为32.21%.

图5 不同初始质量浓度下CTAB去除率随时间的变化曲线

3 结语

本实验采用电吸附法去除水中的离子型表面活性剂CTAB，首先用全自动表面张力仪测得所用CTAB试剂的CMC值为 180 mg/L；之后研究了电压、支持电解质(溴化钾)、pH、初始浓度对电吸附去除CTAB效果的影响，从实验结果可知：适当增大电压，有助于提高吸附去除速率，缩短平衡时间，且平衡时的去除率也相应增大，最佳吸附电压为 2.5 V；支持电解质的加入，极大地提升了溶液的电导率，使溶液中CTAB的电迁移速率增大，去除率升高，且平衡时间亦相应缩短；CTAB的去除率随溶液pH的升高而升高，在酸性条件下，溶液中的H+离子会与CTAB离子发生竞争吸附，H+离子会占据CTAB的吸附点，使CTAB的去除率降低；受聚集状态(单体或胶束)的影响，CTAB的去除速率随初始质量浓度的升高而降低.研究结果表明，电吸附法可有效去除水中的离子型表面活性剂CTAB，为水中表面活性剂的去除提供了一种新思路.