鼠李糖脂膠團(tuán)強(qiáng)化超濾處理含鉛廢水研究*

張志彬　游少鴻　劉征　傅海燕　程慧艷　蘭火娣　何昌杰

(1.桂林理工大學(xué)，廣西礦冶與環(huán)境科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心　廣西桂林 541004；2.廈門理工學(xué)院，環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院　福建廈門 361024)

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鼠李糖脂膠團(tuán)強(qiáng)化超濾處理含鉛廢水研究*

張志彬1,2游少鴻1劉征2傅海燕2程慧艷2蘭火娣2何昌杰1

(1.桂林理工大學(xué)，廣西礦冶與環(huán)境科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心廣西桂林 541004；2.廈門理工學(xué)院，環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院福建廈門 361024)

以實(shí)驗(yàn)室配制的模擬含鉛廢水為研究對(duì)象，探討了生物表面活性劑鼠李糖脂強(qiáng)化超濾技術(shù)對(duì)含鉛廢水的處理效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，影響重金屬離子鉛去除率因素的主次順序?yàn)椋簆H值>鼠李糖脂濃度>重金屬離子鉛的初始濃度>操作壓力，去除重金屬鉛離子的最佳條件是：鼠李糖脂濃度為8 CMC，pH值為9，操作壓力為300 kPa，最大去除率可達(dá)到89.66%。

膠團(tuán)強(qiáng)化超濾鉛離子鼠李糖脂正交實(shí)驗(yàn)

0　引言

鉛離子能被水中的微粒物和膠體物質(zhì)吸附，然后聚集并沉降在水體底部，導(dǎo)致水體鉛污染影響具有長期性。鉛污染具有累積性，可沿食物鏈產(chǎn)生生物富集，會(huì)對(duì)人體健康造成嚴(yán)重危害[1-2]。當(dāng)前處理含鉛廢水的方法主要有吸附法[3-6]、生物法[7-9]、膜分離技術(shù)[10-12]、電解法[13-14]和化學(xué)沉淀法[15-18]等，其中膜分離技術(shù)中的膠團(tuán)強(qiáng)化超濾技術(shù)(MEUF)通過向廢水中加入一定量的表面活性劑，當(dāng)其濃度大于臨界膠束濃度(CMC)時(shí)，會(huì)形成膠團(tuán)，使水中重金屬離子吸附或鍵合在膠團(tuán)中，并被超濾膜截留，從而實(shí)現(xiàn)重金屬離子的去除。該法因具有能耗低、易操作、滲透通量大、去除效率高等優(yōu)點(diǎn)備受研究人員關(guān)注。目前國內(nèi)外學(xué)者采用的表面活性劑主要是化學(xué)表面活性劑[19-21]，對(duì)于生物表面活性劑應(yīng)用于MEUF的研究較少[23-25]，然而化學(xué)表面活性劑存在CMC高、用量大、不經(jīng)濟(jì)且易產(chǎn)生二次污染等缺點(diǎn)。本文擬采用一種經(jīng)濟(jì)且環(huán)境友好的生物表面活性劑鼠李糖脂[26]代替化學(xué)表面活性劑，強(qiáng)化超濾處理含鉛廢水，研究不同實(shí)驗(yàn)條件下Pb2+的去除效率，探索最優(yōu)的操作參數(shù)。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)儀器和試劑

主要儀器：FM1107-01.03 SUS316型超濾平板膜小試設(shè)備(廈門福美科技有限公司)，Optima 7000 DV型電感耦合等離子發(fā)射光譜儀(美國PE)，IKAC-MAG HS 4型加熱磁力攪拌器(上海施迪曼流體技術(shù)有限公司)，Sartorius PB-10型pH計(jì)(深圳賽澤爾電子有限公司)。

主要試劑：鼠李糖脂(湖州紫金生物科技有限公司生產(chǎn)，純度90%)，硝酸鉛(分析純)，鹽酸(分析純)，氫氧化鈉(分析純)，亞硫酸氫鈉(分析純)。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)所用含鉛廢水由蒸餾水以及硝酸鉛配制。將一定量的生物表面活性劑鼠李糖脂加入到含鉛廢水中，用玻璃棒攪拌均勻，靜置15 min。進(jìn)料液經(jīng)過蠕動(dòng)泵輸送到超濾平板膜設(shè)備。通過電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP)測定一定條件下膠團(tuán)強(qiáng)化超濾處理后的滲透液中Pb2+濃度，考察Pb2+的去除效果。

1.2.1單因素實(shí)驗(yàn)

分別考察鼠李糖脂濃度、Pb2+初始濃度、pH值、操作壓力對(duì)廢水中鉛離子去除效果的影響，進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1所示。

1.2.2正交實(shí)驗(yàn)

根據(jù)單因素的實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定出4因素3水平正交實(shí)驗(yàn)，因素水平表如表2所示，正交因素水平表如表3所示。

表1　單因素水平

注：1 CMC=50 mg/L。

表2　因素水平

表3　正交因素水平

2　結(jié)果與分析

2.1單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1.1鼠李糖脂濃度對(duì)MEUF截留Pb2+的影響

進(jìn)料液Pb2+初始質(zhì)量濃度為10 mg/L，pH值為7，操作壓力為200 kPa，向模擬廢水中分別加入0，2，4，6，8，10 CMC的鼠李糖脂，考察進(jìn)料液鼠李糖脂濃度的變化對(duì)Pb2+截留效果的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)鼠李糖脂濃度為0時(shí)，Pb2+的去除率為20.21%，而后隨著鼠李糖脂濃度的增大Pb2+的去除率先增大后減小。當(dāng)鼠李糖脂濃度為8 CMC時(shí)，Pb2+的去除率達(dá)到最大值，為83.18%，當(dāng)鼠李糖脂濃度為10 CMC時(shí)，Pb2+的去除率略微下降。這是因?yàn)楫?dāng)鼠李糖脂濃度增大時(shí)，溶液中鼠李糖脂的膠團(tuán)增大，與Pb2+的絡(luò)合程度增大，從而使Pb2+截留在膜表面，提高了Pb2+的去除率，而鼠李糖脂濃度過大時(shí)，會(huì)造成膜污染，所以造成Pb2+的去除率下降。

圖1　鼠李糖脂濃度對(duì)Pb2+截留率的影響

2.1.2Pb2+初始濃度對(duì)MEUF截留Pb2+的影響

進(jìn)料液鼠李糖脂質(zhì)量濃度為6 CMC，pH值為7，操作壓力為200 kPa，向模擬廢水中分別加入10，30，50，80，100，120 mg/L的Pb2+，考察Pb2+初始質(zhì)量濃度的變化對(duì)Pb2+截留效果的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2　Pb2+初始濃度對(duì)Pb2+截留率的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：Pb2+初始質(zhì)量濃度為10 mg/L時(shí)，Pb2+去除率最大，而后隨著Pb2+初始濃度增大，Pb2+的去除率逐漸下降；當(dāng)Pb2+初始質(zhì)量濃度為120 mg/L時(shí)，Pb2+的去除率降到最低值。這是因?yàn)楫?dāng)鼠李糖脂濃度一定時(shí)，鼠李糖脂與Pb2+的絡(luò)合程度有限，隨著Pb2+濃度上升，鼠李糖脂與Pb2+的絡(luò)合越來越小，Pb2+的去除率隨之降低。

2.1.3溶液pH值對(duì)MEUF截留Pb2+的影響

進(jìn)料液鼠李糖脂濃度為6 CMC，Pb2+初始質(zhì)量濃度為10 mg/L，操作壓力為200 kPa，調(diào)節(jié)模擬廢水的pH值分別為5，6，7，8，9，10，考察溶液pH值的變化對(duì)Pb2+截留效果的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3　溶液pH值對(duì)Pb2+截留率的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)溶液pH值為5時(shí)，Pb2+的去除率極低，僅為22.76%，而后Pb2+的去除率隨著pH值的上升而先上升后下降，當(dāng)pH值為9時(shí)，Pb2+的去除率達(dá)到最大值，為80.18%；pH值大于9后，Pb2+的去除率開始有略微的下降趨勢。這是因?yàn)槭罄钐侵z團(tuán)的大小與溶液pH值大小有關(guān)，當(dāng)溶液呈酸性時(shí)，不利于鼠李糖脂形成膠團(tuán)，從而降低了鼠李糖脂與Pb2+的絡(luò)合率；溶液呈堿性，即溶液pH值從7升高到10時(shí)，Pb2+的去除率先增大后減小，造成這種現(xiàn)象的原因有以下幾點(diǎn)[22]：

(1)在堿性條件下鼠李糖脂膠團(tuán)結(jié)構(gòu)由薄片狀變成了囊泡狀，最后變成了膠團(tuán)，即其結(jié)構(gòu)逐漸變小，所以在較高pH值情況下，鼠李糖脂容易形成更多較小的膠團(tuán)，從而使鼠李糖脂與Pb2+的絡(luò)合程度增大，提高了Pb2+的去除率。

(2)pH值的升高會(huì)促進(jìn)鼠李糖脂中的羧基脫氫離子化，使其溶解度增大，也就是使得溶液中的鼠李糖脂濃度增大了，從而使Pb2+與鼠李糖脂的絡(luò)合率變大，Pb2+的去除率也增大。

(3)隨著溶液pH值增大，鼠李糖脂的表面張力有所下降，從而提高了Pb2+與鼠李糖脂的絡(luò)合率，增大了Pb2+的去除率，但若pH值過大，則會(huì)使溶液中OH-濃度過高，更易形成金屬氫氧化物沉淀，不利于Pb2+的去除。

2.1.4操作壓力對(duì)MEUF截留Pb2+的影響

進(jìn)料液鼠李糖脂濃度為6 CMC，Pb2+初始質(zhì)量濃度為10 mg/L，pH值為7，調(diào)節(jié)操作壓力分別為150，200，250，300，350，400 kPa，考察操作壓力的變化對(duì)Pb2+截留效果的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4　操作壓力對(duì)Pb2+截留率的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，操作壓力對(duì)Pb2+的去除率沒有明顯的影響。這是因?yàn)椴僮鲏毫Φ纳?，使得膠團(tuán)在膜面的濃度也升高，但由于濃差極化的進(jìn)一步增強(qiáng)，這種下降趨勢將逐步減緩，從而使得操作壓力對(duì)Pb2+的去除率沒有明顯影響。

2.2正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)以上單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定出4因素3水平正交實(shí)驗(yàn)，正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

(1)正交組合實(shí)驗(yàn)對(duì)Pb2+的截留率普遍高于單因素水平的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

(2)由表4可看出，正交實(shí)驗(yàn)組合為pH值為9、鼠李糖脂濃度為8 CMC、Pb2+初始質(zhì)量濃度為10 mg/L、操作壓力為300 kPa時(shí)，MEUF對(duì)Pb2+的去除效果最好，去除率高達(dá)89.66%。

(3)各因素對(duì)Pb2+去除效果影響的主次順序?yàn)椋簆H值>鼠李糖脂濃度>Pb2+初始濃度>操作壓力。

表4　正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3　結(jié)論

(1)鼠李糖脂作為一種環(huán)境友好型、經(jīng)濟(jì)型的生物表面活性劑，對(duì)于去除重金屬鉛有明顯的效果，最大去除率可達(dá)89.66%。

(2)溶液pH值、鼠李糖脂濃度以及Pb2+的初始濃度對(duì)鉛離子的去除有較大影響，而操作壓力對(duì)其去除率影響較小。

(3)Pb2+的去除率隨著鼠李糖脂濃度、溶液pH值的增大而先增大后減小，隨著Pb2+的初始濃度增大而減小。

(4)處理鉛離子廢水的最佳條件為：pH值為9，鼠李糖脂濃度為8 CMC，操作壓力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

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金(51109181)，福建省高校杰出青年科研人才項(xiàng)目(JA12243)，廈門理工學(xué)院對(duì)外合作專項(xiàng)(E201400600),廣西高等學(xué)校高水平創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)及卓越學(xué)者計(jì)劃，廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計(jì)劃(桂科攻14124004-3-7)。

張志彬，男，1991年生，碩士研究生，主要從事水污染控制研究。

2015-10-09)