高校化學(xué)實(shí)驗(yàn)室廢水中Cu²⁺的綠色化處理研究

摘要：本文采用泡沫分離技術(shù)，對(duì)高?；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)室含銅廢水進(jìn)行了處理，重點(diǎn)考察了表面活性劑種類及濃度、分離時(shí)間、進(jìn)氣速度、pH等因素對(duì)分離效果的影響，結(jié)果表明，在最佳操作條件下：Cu2+的富集比為1.64，回收率達(dá)到46.3%。

關(guān)鍵詞：表面活性劑;銅離子;泡沫分離

泡沫分離技術(shù)，又稱泡沫吸附分離技術(shù)，是一種新型的分離技術(shù)。在化工、生化、醫(yī)藥、污水處理等領(lǐng)域，它的應(yīng)用和發(fā)展前景都十分廣闊[1-2]。泡沫分離技術(shù)具有能耗低、設(shè)備簡單、投資小、分離效果好等優(yōu)點(diǎn)[3]。與其它分離方法相比，泡沫分離更適于回收微量組分，研究表明，當(dāng)金屬離子濃度為1.0×10-6 mol/L時(shí)，都可以將其分離出來，尤其適用于貴重金屬和稀有金屬離子的回收利用[4]，該方法對(duì)稀有金屬回收利用、改善生態(tài)環(huán)境、降低企業(yè)生產(chǎn)成本等有重要作用。

本文以高?；A(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室含硫酸銅廢水為研究對(duì)象，采用泡沫分離技術(shù)，先考查不同表面活性劑種類及濃度、進(jìn)氣速度、分離時(shí)間等單因素對(duì)Cu2+分離結(jié)果的影響，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)對(duì)上述因素進(jìn)行綜合考查，以富集比和回收率作為考察指標(biāo)，篩選出Cu2+的最優(yōu)分離條件。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 主要材料及設(shè)備

硫酸銅，十二烷基磺酸鈉（SDS），十六烷基三甲基溴化銨（CTMAB），鹽酸，氫氧化鈉;TAS-990原子吸收分光光度計(jì)， PHS.3C型精密pH計(jì)，LZB轉(zhuǎn)子流量計(jì)，空氣壓縮機(jī)，泡沫分離塔。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法及過程

25 ℃時(shí)用自制滴管測定SDS、CTMAB的臨界膠束濃度分別是：9.1 mol/m3、2.6 mol/m3，與文獻(xiàn)值差別不大[4]，在下面的實(shí)驗(yàn)中，表面活性劑的配制都按照實(shí)驗(yàn)值計(jì)算、稱量。實(shí)驗(yàn)在自制泡沫分離塔中進(jìn)行，塔高130 cm，下部直徑4.6 cm，上部直徑6.5 cm，柱高132 cm。塔底部裝有孔板型分布器，孔直徑70 μm，間距8 mm，等邊三角形排列。在塔內(nèi)加入一定量已處理的實(shí)驗(yàn)室廢水（主要成分硫酸銅）與適量表面活性劑的混合溶液，由空氣壓縮機(jī)將氣體打入分離塔，氣體由塔底部的孔板型分布器分散至溶液中，將泡沫由導(dǎo)管從塔頂導(dǎo)出并收集、消泡，每組實(shí)驗(yàn)平行測定三次。

用原子吸收分光光度計(jì)測量Cu2+吸光度，并在標(biāo)準(zhǔn)曲線上由吸光度值得到相應(yīng)的Cu2+濃度。曲線方程為：A=0.2067c-0.0014。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 表面活性劑篩選

取1L含50g/m3的Cu2+和不同濃度SDS、CTMAB的混合溶液，進(jìn)氣速度固定為0.06 m3/h，裝液量200 cm3，分離時(shí)間10 min。室溫下對(duì)銅離子進(jìn)行泡沫分離實(shí)驗(yàn)，分離結(jié)果如圖1、圖2所示。

上圖表明，SDS分離效果優(yōu)于CTMAB，當(dāng)SDS濃度為0.3 CMC時(shí)，富集比回收率都出現(xiàn)最大值。隨著表面活性劑濃度增加，泡沫量越來越多，泡沫夾液量也增大，使得泡沫液中銅離子濃度降低，富集比反而下降。故表面活性劑用SDS，濃度為0.3 CMC。

2.1.2 分離時(shí)間的影響

取1000 cm3含50g/m3 Cu2+和0.3 CMC的SDS混合溶液，設(shè)定分離時(shí)間10min，進(jìn)氣速度0.08 m3/h，裝液量為 200 cm3，室溫下考察不同分離時(shí)間對(duì)分離效果的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3結(jié)果表明，隨著時(shí)間變化富集比出現(xiàn)下降趨勢，而回收率變化則是先增后減，因?yàn)樵谂菽蛛x的初始階段，溶液中存在大量的表面活性劑，產(chǎn)生了大量細(xì)密均勻的泡沫，氣-液接觸面積大，金屬離子大量吸附在氣泡表面，富集比較大;隨著分離的進(jìn)行，溶液中表面活性劑減少，泡沫產(chǎn)生量減少的同時(shí)泡沫體積變大，氣-液接觸面積變小，金屬離子吸附量減小，所以富集比降低;同時(shí)由于氣泡間隙大，泡沫排液速度變快，泡沫液體積變大，使得回收率呈上升趨勢[5-6]。

2.1.3 進(jìn)氣速度的影響

取1000 cm3含50 g/m3 Cu2+和0.3 CMC的SDS混合溶液，裝液量為200 cm3，于室溫控制不同的進(jìn)氣速度，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，進(jìn)氣速度較小時(shí)，富集比較大，這是因?yàn)闅怏w流量較小時(shí)，氣泡在溶液中的停留時(shí)間長，氣-液界面?zhèn)髻|(zhì)充分。隨著進(jìn)氣速度增大，氣泡停留時(shí)間縮短，氣-液傳質(zhì)不充分，泡沫的夾液量變大，泡沫中金屬離子減少，富集比下降，即氣體流量對(duì)泡沫分離體系的影響主要表現(xiàn)為塔內(nèi)流體力學(xué)特性的改變[7-8]。綜合富集比和回收率及動(dòng)力消耗，0.08 m3/h為適宜的進(jìn)氣速度。

2.1.4 初始濃度的影響

分別配制Cu2+初始濃度為0.02、0.03、0.04、0.05、0.06g/L的硫酸銅溶液，與濃度為0.3 CMC的SDS混合，設(shè)定進(jìn)氣速度0.08 m3/h，裝液量200 cm3，分離10分鐘，室溫下比較分離效果，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，當(dāng)初始液濃度小于0.04g/L時(shí)，富集比和回收率都要高于高濃度范圍（0.05-0.06g/m3）的，當(dāng)Cu2+初始濃度為0.05g/L時(shí)，富集比和回收率均達(dá)到最大值。根據(jù)富集比計(jì)算公式，金屬離子初始濃度越低，即分母越小，分?jǐn)?shù)值越高這與許多文獻(xiàn)結(jié)論相同[7]。

2.1.5 pH的影響

取1000 cm3含50 g/m3 Cu2+和0.3 CMC的SDS混合溶液，200 cm3裝液量，進(jìn)氣速度0.08 m3/h，分離10min，以HCl和NaOH將混合液pH控制在4.0至6.0，室溫下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分離結(jié)果如圖6所示。

圖6結(jié)果表明，pH較小時(shí)，H+濃度較高，根據(jù)靜電吸附原理，H+與SDS形成絡(luò)合物吸附在氣泡表面，與Cu2+發(fā)生競爭吸附，所以Cu2+去除效果不理想。隨著pH升高，競爭吸附減少，回收率增大，富集比降低。由此可見，pH不僅影響金屬離子與表面活性劑結(jié)合方式，還會(huì)影響泡沫的夾帶率和金屬離子的去除率[9]。

2.2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，選取4因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，各因素都取4水平，結(jié)果如下。

因泡沫分離技術(shù)在重金屬離子回收領(lǐng)域應(yīng)用較多，所以以回收率R為考察指標(biāo)，對(duì)上述正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，結(jié)果如下表所示：

在上表中，J 越大，表示該因素對(duì)回收率的影響越大[10]。由極差大小可知，影響泡沫分離銅離子的4個(gè)實(shí)驗(yàn)因素的主次關(guān)系為：C（初始濃度）> B（進(jìn)氣速度）> D（分離時(shí)間） >A（表面活性劑濃度）。根據(jù)極差結(jié)果，較好的實(shí)驗(yàn)條件是A1B2C1D4，在此條件下進(jìn)行追加實(shí)驗(yàn)，得到富集比為1.64，回收率為46.3%，綜合起來比正交實(shí)驗(yàn)中的效果好。

3 結(jié)論

（1）用泡沫分離法去除廢水溶液中的Cu2+是一種有效的方法，泡沫分離法除去金屬離子要受表面活性劑種類及濃度、進(jìn)氣速度、分離時(shí)間、金屬離子初始液濃度、pH值、裝液量等多種條件的影響。

（2）通過單因素及正交實(shí)驗(yàn)追加實(shí)驗(yàn)，確定Cu2+的最佳分離條件為：用濃度為0.3 CMC的十二烷基磺酸鈉，設(shè)定進(jìn)氣速度0.08 m3/h，Cu2+初始濃度為10 g/m3，200 cm3裝液量，于室溫下分離10min，在此條件下富集比為1.645，回收率為46.3%。

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[作者簡介] 王玉美（1984-），女，山東壽光人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境治理。

[基金項(xiàng)目] 濰坊科技學(xué)院2018年度校級(jí)課題科技類（項(xiàng)目編號(hào)：2018KJWZ04），2018年度山東省高等學(xué)?？蒲袆?chuàng)新平臺(tái)課題（項(xiàng)目編號(hào)2018YY035）

（濰坊科技學(xué)院?山東?壽光?262700）