道南滲析除砷過程影響因素分析

趙斌，劉安琪，刁法林，譚赟，張朝暉，王亮(省部共建分離膜與膜過程國家重點實驗室，天津 300387；天津工業(yè)大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，天津 300387）

?

道南滲析除砷過程影響因素分析

趙斌1,2，劉安琪2，刁法林2，譚赟2，張朝暉1,2，王亮1,2
(1省部共建分離膜與膜過程國家重點實驗室，天津 300387；2天津工業(yè)大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，天津 300387）

摘要：道南滲析（Donnan dialysis）是電化學(xué)勢差驅(qū)動的選擇性膜過程，可用于飲用水中砷酸根離子[As(Ⅴ)]的去除。通過對膜相As(Ⅴ)傳質(zhì)模型中參數(shù)的系統(tǒng)分析討論了As(Ⅴ)膜相自擴散系數(shù)、膜對As(Ⅴ)的選擇性、膜面積和膜厚度等對道南滲析除砷過程的影響。結(jié)果表明，當(dāng)轉(zhuǎn)速高于200 r·min?1時膜相傳質(zhì)為道南滲析除砷的速率限制步驟。提高膜相自擴散系數(shù)、增大膜有效面積、減小膜厚度能同等程度地改善As(Ⅴ)滲析傳質(zhì)效果，但這些參數(shù)并不影響道南平衡達到時料液中As(Ⅴ)的殘余濃度。改變料液和解吸液的溶液條件直接影響膜相As(Ⅴ)濃度梯度，不僅影響As(Ⅴ)滲析通量，也會改變道南平衡。選擇高填充密度的膜組件、及時去除解吸液中富集的As(Ⅴ)是提高道南滲析除砷裝置運行效率的有效手段。

關(guān)鍵詞：滲析；膜；擴散；傳質(zhì)；砷；飲用水

2015-12-28收到初稿，2016-02-01收到修改稿。

聯(lián)系人及第一作者：趙斌（1982—），男，博士，副教授。

Received date: 2015-12-28.

Foundation item: supported by the National Natural Science Foundation of China (21206125, 51308391, 51138008), the Natural Science Foundation of Tianjin (14JCQNJC09000) and the Tianjin Science and Technology Projects (14ZCDGSF00128).

引　言

長期飲用高含砷水所導(dǎo)致的慢性砷中毒會引發(fā)區(qū)域性皮膚癌、肺癌、膀胱癌發(fā)病率的顯著提高，這一情況在經(jīng)濟欠發(fā)達的農(nóng)村地區(qū)尤為突出[1]。混凝、吸附、反滲透等常規(guī)處理技術(shù)均能實現(xiàn)飲用水中砷的高效去除[2-4]，但在缺乏集中供水條件的農(nóng)村地區(qū)，受限于經(jīng)濟技術(shù)水平和生活習(xí)慣等因素，這些技術(shù)的日常維護并不理想，混凝劑貯存、吸附劑再生、反滲透前處理等環(huán)節(jié)問題凸顯，長期運行效果不能得到保證[5]。

道南滲析（Donnan dialysis）是道南膜原理的典型應(yīng)用。它利用離子交換膜選擇傳遞與其荷電相反的離子（counter-ion）而阻止與其荷電相同的離子（co-ion）的性能，通過膜兩側(cè)溶液離子組成不同所形成的電化學(xué)勢差推動目標(biāo)反離子和驅(qū)動反離子（driving ion）的等當(dāng)量跨膜置換[6-7]。該過程無外加電場，可以實現(xiàn)目標(biāo)反離子逆濃度梯度傳遞，而且無顯著膜污染，常用于離子的富集、濃縮和飲用水凈化[8-11]。根據(jù)道南滲析原理開發(fā)的飲用水除砷裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、易于維護、運行成本低等優(yōu)點，食鹽或粗鹽即可滿足系統(tǒng)運行藥劑需求，尤其適用于農(nóng)村家庭使用[12]。

道南滲析過程中目標(biāo)反離子由料液向解吸液的傳質(zhì)可以分為5個階段，分別是目標(biāo)反離子在料液-膜間液相邊界層中的擴散、目標(biāo)反離子在料液側(cè)膜表面的離子交換反應(yīng)、目標(biāo)反離子在離子交換膜中的擴散、目標(biāo)反離子在解吸液側(cè)膜表面的離子交換反應(yīng)和目標(biāo)反離子在解吸液-膜側(cè)液相邊界層中的擴散[13-14]。其中膜相擴散通常被認(rèn)為是道南滲析的速率控制步驟。道南滲析是一個緩慢的傳質(zhì)過程，水力條件、目標(biāo)反離子和驅(qū)動反離子的性質(zhì)（水合半徑、荷電量）、離子交換膜性質(zhì)（制備方法、交聯(lián)度、交換容量和含水率）、待處理溶液性質(zhì)（pH、溫度、共存組分）等因素均會對滲析過程產(chǎn)生顯著影響[13,15-16]。

Zhao等[17]通過能斯特-普朗克方程對砷酸根離子[As(Ⅴ)]膜相傳質(zhì)進行了模型描述，并計算出不同解離程度下的As(Ⅴ)膜相自擴散系數(shù)。本研究在此基礎(chǔ)上通過對模型參數(shù)的分析討論As(Ⅴ)膜相自擴散系數(shù)、膜對As(Ⅴ)的選擇性、膜面積和膜厚度等對道南滲析除砷過程的影響，并以此指導(dǎo)道南滲析除砷過程的優(yōu)化。

1　實驗材料和方法

1.1實驗裝置

實驗用道南滲析裝置如圖1所示，料液室和解吸液室有效容積均為1 L。JAM均相陰離子交換膜購自北京環(huán)宇利達環(huán)保設(shè)備有限公司。有效面積為70 cm2的膜片通過法蘭固定在料液室和解吸液室之間。攪拌槳尺寸為4 cm×5 cm，位于料液室和解吸液室中心，距底面約1 cm。

圖1　道南滲析裝置Fig.1　Diagram of Donnan dialyser1—feed chamber; 2—stripping chamber; 3—anion exchange membrane; 4—stirrer

1.2實驗方法

料液為As(Ⅴ)濃度500 μg·L?1的0.01 mol·L?1NaCl溶液，解吸液為0.1 mol·L?1NaCl溶液。實驗過程中不控制pH。調(diào)節(jié)攪拌槳轉(zhuǎn)速為100、200、300、400 r·min?1。從料液中取樣，以電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）測定砷濃度。

As(Ⅴ)初始滲透通量（JAs,0，mol·m?2·h?1）根據(jù)0～2 h料液中砷濃度變化由式（1）計算

式中，Vf為料液體積，m3；S為離子交換膜有效面積，m2；dcAs,f,t/dt為料液砷濃度（cAs,f,t，μg·L?1）隨時間（t，h）的變化率，可由線性擬合的斜率得到。

1.3滲析模型

本研究對象為料液解吸液等體積道南滲析除砷系統(tǒng)，與文獻[17]相同。因此，在膜相傳質(zhì)控制條件下料液砷濃度隨時間的變化可由式（2）描述[17]

式中，Kf和Ks分別為As(Ⅴ)在料液側(cè)膜和解吸液側(cè)膜上的分配系數(shù)；t0為達到穩(wěn)定狀態(tài)的時間，h；為穩(wěn)定狀態(tài)下料液和解吸液砷濃度之和，μg·L?1；為穩(wěn)定狀態(tài)下料液初始砷濃度，μg·L?1；為As(Ⅴ)膜相自擴散系數(shù)，m2·h?1； δ為膜厚度，m。

As(Ⅴ)初始滲透通量和道南平衡達到時（t =∞）料液砷濃度（cAs,f,∞，μg·L?1）分別由式（3）和式（4）計算

以式（2）對道南滲析除砷動力學(xué)過程進行模擬，各參數(shù)默認(rèn)值取自文獻[17]，具體值見表1。在進行某一參數(shù)影響分析時，該參數(shù)值分別取默認(rèn)值、默認(rèn)值的10倍和默認(rèn)值的1/10，而其他參數(shù)保持默認(rèn)值不變。

表1　模型參數(shù)默認(rèn)值Table 1　Default parameter values for model calculation

2　實驗結(jié)果與討論

2.1攪拌轉(zhuǎn)速對道南滲析除砷過程的影響

由圖2可見，攪拌槳轉(zhuǎn)速由100 r·min?1上升至200 r·min?1，As(Ⅴ)初始滲透通量提高約20%；此后繼續(xù)提高轉(zhuǎn)速至400 r·min?1，通量基本保持不變，維持在5.7×10?12mol·m?2·s?1。該值與由式（3）計算得到的As(Ⅴ)初始滲透通量（6.2×10?12mol·m?2·s?1）間的誤差小于10%。隨著攪拌速率提高，膜表面湍動程度加劇，溶液-膜界面處的液相傳質(zhì)邊界層厚度減小，液相傳質(zhì)阻力降低。當(dāng)液相傳質(zhì)阻力遠低于膜相傳質(zhì)阻力時，膜相傳質(zhì)為道南滲析的速率控制步驟，As(Ⅴ)滲透通量不再隨攪拌速率升高而改變。與液相擴散和離子交換反應(yīng)相比，反離子在離子交換膜中的擴散速率通常很小。例如，硝酸根在陰離子交換膜ACS中的自擴散系數(shù)為1.44×10?8m2·h?1[13]，鋁離子在陽離子交換膜Nafion117中的自擴散系數(shù)為2.34×10?8m2·h?1[18]，砷離子在陰離子交換膜JAM中的自擴散系數(shù)為1.78×10?8m2·h?1[17]。因此，在道南滲析過程中膜相傳質(zhì)通常被認(rèn)為是道南滲析過程的速率控制步驟。對于本實驗系統(tǒng)而言，當(dāng)攪拌速率高于200 r·min?1時，液相邊界層阻力可以忽略不計。

圖2　轉(zhuǎn)速對As(Ⅴ)初始滲透通量的影響Fig.2　Effect of rotation rate on intial As(Ⅴ) flux across anion exchange membrane

2.2As(Ⅴ)膜相自擴散系數(shù)對道南滲析除砷過程的影響

反離子膜相自擴散系數(shù)的大小與離子交換膜性質(zhì)和反離子性質(zhì)密切相關(guān)。根據(jù)制備方法的不同，離子交換膜可分為均相膜和異相膜。均相膜中交換位點分布連續(xù)且惰性組分較少，因此離子遷移性能好于異相膜[18]。交聯(lián)度、交換容量和含水率是衡量離子交換膜性能的重要指標(biāo)。交聯(lián)度較低的膜通常具有較大的離子交換容量和較高的含水率，有利于反離子在其中的遷移[15-16,19]。對于反離子而言，離子半徑（水合半徑）、荷電量以及親水性等決定了道南滲析過程中離子的膜相遷移速率[20-21]。砷酸作為多元酸，其膜相解離程度也會對膜相自擴散能力產(chǎn)生較大影響[17]。

由圖3可見，式(2)在默認(rèn)值下的模擬結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好，對于As(Ⅴ)擴散相對較慢的膜系統(tǒng)通常需要20 h以上才能使系統(tǒng)的除砷效率達到90%以上。隨著As(Ⅴ)膜相自擴散系數(shù)的提高，道南滲析去除砷速率明顯加快。初始通量與膜相自擴散系數(shù)同比例增加[式（3）]，但道南平衡并不受該變量影響[式（4）]。為了提高道南滲析除砷效率，縮短處理時間，應(yīng)盡量選用交聯(lián)度低、含水率高、交換容量大、溶脹性好的離子交換膜。但這類膜對同離子的排斥能力有限，即便使用濃度較低的解吸液也存在較嚴(yán)重的“電解質(zhì)泄漏”問題。隨著As(Ⅴ)膜相自擴散系數(shù)的增大，膜相傳質(zhì)阻力減小。當(dāng)液相邊界層傳質(zhì)阻力在總傳質(zhì)阻力中占主導(dǎo)時，離子交換膜性質(zhì)對系統(tǒng)除砷動力學(xué)性能的影響不再顯著。

圖3　As(Ⅴ)膜相自擴散系數(shù)（D　As）對道南滲析除砷過程的影響Fig.3　Effect of membrane phase self-diffusion coefficient of As(Ⅴ) on arsenic removal by Donnan dialysis

2.3膜的As(Ⅴ)選擇性對道南滲析除砷過程的影響

在道南滲析除砷過程中，陰離子交換膜同時與料液和解吸液接觸，其對As(Ⅴ)的選擇性關(guān)系到料液-膜界面和解吸液-膜界面處的膜相砷濃度，決定著膜相砷濃度梯度，即As(Ⅴ)膜相傳質(zhì)推動力。

由圖4(a)可見，提高料液側(cè)膜的As(Ⅴ)選擇性（Kf）將大大縮短滲析系統(tǒng)達到平衡的時間，并且降低平衡時料液中殘留的As(Ⅴ)濃度[式（4）]。在道南滲析系統(tǒng)中，As(Ⅴ)在料液和膜間的分配主要受料液組成和膜性質(zhì)影響。由于陰離子交換膜與砷酸根離子的作用以靜電引力為主，道南滲析對高鹽度地下水的除砷效果并不理想。當(dāng)溶液中含有高濃度時，由于競爭作用影響，道南滲析的除砷通量也會下降[22]。交換容量大的膜，Kf值通常較高，能加速反離子的傳質(zhì)。有研究指出，離子交換膜的交換容量由2 mol·L?1提高至5 mol·L?1，硝酸根的初始通量提高約20%[13]。

與料液側(cè)相反，降低解吸液側(cè)膜的As(Ⅴ)選擇性（Ks）有利于加速As(Ⅴ)滲析，但效果并沒有提高Kf顯著[圖4(b)]。由于模擬時解吸液中As(Ⅴ)初始濃度設(shè)定值為0 μg·L?1，Ks對As(Ⅴ)初始滲透通量并無影響。隨著滲析過程的進行，解吸液As(Ⅴ)濃度逐步提高，Ks的影響逐步得以體現(xiàn)。Ks對平衡時料液中As(Ⅴ)濃度也會產(chǎn)生影響。在Kf不變的情況下，Ks越小，料液中殘留的As(Ⅴ)濃度越低。解吸液性質(zhì)對Ks有決定作用。濃度越高的解吸液，Ks越小，系統(tǒng)富集目標(biāo)離子的能力越強。但受到“電解質(zhì)泄漏”的限制，解吸液濃度通常不宜過高。在實際應(yīng)用中，待處理溶液條件是給定的，即Kf一定。選擇適當(dāng)?shù)慕馕海催x擇合理的Ks值，對于調(diào)節(jié)道南滲析的運行效果至關(guān)重要。

圖4　膜的As(Ⅴ)選擇性對道南滲析除砷過程的影響Fig.4　Effect of membrane affinity to As(Ⅴ) on arsenic removal by Donnan dialysis

Velizarov等[13]討論了料液和解吸液中同離子（K+）濃度對道南滲析NO3?遷移通量的影響，認(rèn)為在料液和解吸液中的平衡分配由料液和解吸液中同離子濃度比決定。本研究將同離子濃度的影響涵蓋在離子交換膜的選擇性系數(shù)Kf和Ks之中，結(jié)論與其一致。

2.4膜面積對道南滲析除砷過程的影響

增加膜面積，即減小單位膜面積所處理的溶液體積，有利于提高道南滲析系統(tǒng)的處理效率（圖5）。但膜面積的變化并不會對As(Ⅴ)初始滲透通量以及平衡時As(Ⅴ)在料液和解吸液間的分配產(chǎn)生影響。在設(shè)計道南滲析裝置時，為使膜面積優(yōu)勢得到充分體現(xiàn)，可使用填充密度高的離子交換膜組件，如管式膜組件或卷式膜組件。

圖5　膜面積（S）對道南滲析除砷過程的影響Fig.5　Effect of membrane area on arsenic removal by Donnan dialysis

2.5膜厚度對道南滲析除砷過程的影響

As(Ⅴ)膜相傳質(zhì)阻力與膜厚度密切相關(guān)。膜厚度越大，膜相阻力越大，As(Ⅴ)傳質(zhì)通量越低，達到平衡所需時間越長（圖6），但膜厚度不會對滲析平衡產(chǎn)生影響。盡管減小膜厚度可以提高道南滲析除砷系統(tǒng)的運行效率，但受到離子交換膜生產(chǎn)技術(shù)以及產(chǎn)品機械強度等方面的限制，該方式的可操作性不強。商品化的離子交換膜厚度多在0.1～0.6 mm，均相膜的厚度小于異相膜。實驗使用的JAM型均相陰離子交換膜的濕厚度為0.10～0.12 mm，為同類產(chǎn)品中厚度較小的型號。

圖6　膜厚度（δ）對道南滲析除砷過程的影響Fig.6　Effect of membrane thickness on arsenic removal by Donnan dialysis

2.6解吸液砷濃度對道南滲析除砷過程的影響

道南滲析除砷過程為砷酸根離子由料液向解吸液的遷移過程。隨著料液中砷濃度的降低和解吸液中砷濃度的升高，膜兩側(cè)電化學(xué)勢差逐漸降低，As(Ⅴ)膜相傳質(zhì)推動力下降，滲透通量減小，需要更新解吸液以維持系統(tǒng)的處理效果。若假設(shè)滲析過程中將As(Ⅴ)由解吸液中及時移除，而使其濃度保持恒定，則式（2）可改寫為式（5）的形式

圖7為假設(shè)解吸液中砷濃度恒定為0、100和250 μg·L?1時由式（5）計算得到的料液砷濃度隨時間的變化?？梢钥闯觯馕褐袣埩羯闈舛仍降?，道南滲析系統(tǒng)的除砷效率越高，料液出水砷含量越低。有研究指出，F(xiàn)eCl3混凝、水合氧化亞鐵、零價鐵常用于飲用水除砷[2-3,23-24]。若將這些藥劑投加至道南滲析除砷系統(tǒng)的解吸液中，可使其中的砷濃度始終維持在相對較低的水平，實現(xiàn)解吸液的原位再生，從而改善道南滲析系統(tǒng)的長期運行效果。

圖7　解吸液砷濃度對道南滲析除砷過程的影響Fig.7　Effect of As(Ⅴ) concentration in stripping solution on arsenic removal by Donnan dialysis

3　結(jié)　論

通過對膜相傳質(zhì)控制的道南滲析除砷模型的參數(shù)分析討論了As(Ⅴ)膜相自擴散系數(shù)、膜的As(Ⅴ)選擇性、膜面積、膜厚度等因素對道南滲析除砷動力學(xué)過程的影響。陰離子交換膜及膜組件的選擇和設(shè)計對于道南滲析除砷系統(tǒng)的運行效率至關(guān)重要。建議選用交換位點分布連續(xù)、厚度相對較小的均相陰離子交換膜，并且采用填充密度高的管式膜或卷式膜組件。與提高解吸液濃度相比，及時降低解吸液中砷濃度是更為可行且有效的提高道南滲析運行效率、降低出水砷濃度的方法。將道南滲析除砷技術(shù)與傳統(tǒng)的混凝除砷和吸附除砷相耦合，實現(xiàn)解吸液的原位再生，是道南滲析裝置實現(xiàn)長期穩(wěn)定運行的有效方式。

References

[1]YU G Q, SUN D J, ZHENG Y. Health effects of exposure to natural arsenic in groundwater and coal in China: an overview of occurrence [J]. Environmental Health Perspectives, 2007, 115 (4): 636-642.

[2]郭莉, 趙燕鵬, 杜冬云. 三氯化鐵除砷和鎘的機理 [J]. 化工學(xué)報, 2014, 65 (10): 4118-4122. DOI: 10.3969/j.issn.0438-1157.2014.10.048. GUO L, ZHAO Y P, DU D Y. Mechanism of removing arsenic and cadmium with ferric chloride [J]. CIESC Journal, 2014, 65 (10): 4118-4122. DOI: 10.3969/j.issn.0438-1157.2014.10.048.

[3]趙雅光, 萬俊鋒, 王杰, 等. 零價鐵（ZVI）去除水中的As(Ⅲ) [J].化工學(xué)報, 2015, 66 (2): 730-737. DOI: 10.11949/j.issn.0438-1157.20141073. ZHAO Y G, WAN J F, WANG J, et al. Removal of arsenite from aqueous environment by zero-valent iron (ZVI) [J]. CIESC Journal, 2015, 66 (2): 730-737. DOI: 10.11949/j.issn.0438-1157.20141073.

[4]SHIH M C. An overview of arsenic removal by pressure-driven membrane processes [J]. Desalination, 2005, 172 (1): 85-97.

[5]SOBSEY M D, STAUBER C E, CASANOVA L M, et al. Point of use household drinking water filtration: a practical, effective solution for providing sustained access to safe drinking water in the developing world [J]. Environmental Science & Technology, 2008, 42 (12): 4261-4267.

[6]DONNAN F G. The theory of membrane equilibria [J]. Chemical Reviews, 1924, 1 (1): 73-90.

[7]SARKAR S, SENGUPTA A K, PRAKASH P. The Donnan membrane principle: opportunities for sustainable engineered processes and materials [J]. Environmental Science & Technology, 2010, 44 (4): 1161-1166.

[8]PRAKASH P, SENGUPTA A K. Selective coagulant recovery from water treatment plant residuals using donnan membrane process [J]. Environmental Science & Technology, 2003, 37 (19): 4468-4474.

[9]SATO K. Effects of the stripping solution concentrations on the separation degree in Donnan dialysis for binary systems of amino acids [J]. Journal of Membrane Science, 2008, 309 (1-2): 175-181.

[10]AGARWAL C, MHATRE A, GOSWAMI A. Transport studies of divalent ions through Nafion-117 ion exchange membrane in the presence of polyacrylate [J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2015, 54 (13): 3445-3450.

[11]PING Q Y, ABU-REESH I M, HE Z. Boron removal from saline water by a microbial desalination cell integrated with donnan dialysis [J]. Desalination, 2015, 376: 55-61.

[12]ZHAO B, ZHAO H Z, DOCKKOE S, et al. Arsenate removal from simulated groundwater with a Donnan dialyzer [J]. Journal of Hazardous Materials, 2012, 215/216: 159-165.

[13]VELIZAROV S, REIS M A, CRESPO J G. Removal of trace mono-valent inorganic pollutants in an ion exchange membrane bioreactor: analysis of transport rate in a denitrification process [J]. Journal of Membrane Science, 2003, 217 (1/2): 269-284.

[14]RING S, HASSON D, SHEMER H, et al. Simple modeling of Donnan separation processes [J]. Journal of Membrane Science, 2015, 476: 348-355.

[15]AYYILDIZ H, KARA H. Boron removal by ion exchange membranes [J]. Desalination, 2005, 180 (1/2/3): 99-108.

[16]ROZANSKA A, WISNIEWSKI J. Brackish water desalination with the combination of Donnan dialysis and electrodialysis [J]. Desalination, 2006, 200 (1/2/3): 615-617.

[17]ZHAO B, ZHAO H Z, NI J R. Modeling of the Donnan dialysis process for arsenate removal [J]. Chemical Engineering Journal, 2010, 160: 170-175.

[18]PRAKASH P, HOSKINS D, SENGUPTA A K. Application of homogeneous and heterogeneous cation-exchange membranes in coagulant recovery from water treatment plant residuals using Donnan membrane process [J]. Journal of Membrane Science, 2004, 237 (1/2): 131-144.

[19]TOR A. Removal of fluoride from water using anion-exchange membrane under Donnan dialysis condition [J]. Journal of Hazardous Materials, 2007, 141 (3): 814-818.

[20]SATA T. Studies on anion exchange membranes having permselectivity for specific anions in electrodialysis—effect of hydrophilicity of anion exchange membranes on permselectivity of anions [J]. Journal of Membrane Science, 2000, 167 (1): 1-31.

[21]SCINDIA Y M, PANDEY A K, REDDY A V R. Coupled-diffusion transport of Cr(Ⅵ) across anion-exchange membranes prepared by physical and chemical immobilization methods [J]. Journal of Membrane Science, 2005, 249 (1/2): 143-152.

[22]ZHAO B, ZHAO H Z, NI J R. Arsenate removal by Donnan dialysis: effects of the accompanying components [J]. Separation and Purification Technology, 2010, 72: 250-255.

[23]VIOLANTE A, DEL GAUDIO S, PIGNA M, et al. Coprecipitation of arsenate with metal oxides. 2. Nature, mineralogy, and reactivity of iron(Ⅲ) precipitates [J]. Environmental Science & Technology, 2007, 41 (24): 8275-8280.

Kinetic analysis of arsenate removal by Donnan dialysis

ZHAO Bin1,2, LIU Anqi2, DIAO Falin2, TAN Yun2, ZHANG Zhaohui1,2, WANG Liang1,2
(1State Key Laboratory of Separation Membranes and Membrane Process, Tianjin 300387, China;2School of Environmental and Chemical Engineering, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China)

Abstract:Donnan dialysis is a selective membrane process driven by an electrochemical potential. It can be used for arsenate [As(Ⅴ)]removal from drinking water. In this study, the effects of the intermembrane As(Ⅴ) mobility, membrane affinity to As(Ⅴ), membrane effective area and its thickness on As(Ⅴ) removal kinetics were investigated based on the analysis of the process variables in an As(Ⅴ) dialytic model. The results indicated that when the rotation rate was higher than 200 r·min?1, the intermembrane diffusion was the rate-limiting step for the As(Ⅴ) mass transfer in the Donnan dialysis process. Higher intermembrane mobility, larger membrane area and thinner membrane accelerated the As(Ⅴ) removal on the same degree. However, they did not change the residual As(Ⅴ) concentration in the feed solution at the Donnan equilibrium. The conditions of both feed and stripping solutions affected the As(Ⅴ) concentration gradient across the membrane. Besides the As(Ⅴ) flux, they also altered the Donnan equilibrium. Membrane module of the high packed density and in-situ As(Ⅴ) removal from stripping solution were proposed for the development of novel arsenic removal device based on Donnan dialysis.

Key words:dialysis; membrane; diffusion; mass transfer; arsenate; drinking water

中圖分類號：X 131.2

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：0438—1157（2016）06—2456—06

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20151980

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（21206125，51308391，51138008）；天津市自然科學(xué)基金項目（14JCQNJC09000）；天津市科技計劃項目（14ZCDGSF00128）。

Corresponding author:ZHAO Bin, zhaobin@tjpu.edu.cn