電吸附法去除水中CTAB的研究

楊 志，高云濤，熊華斌，李文義，李曉芬

(1.云南民族大學 化學與環(huán)境學院，云南 昆明 650500;2.云南民族大學 民族藥資源化學國家民委-教育部重點實驗室，云南 昆明 650500)

表面活性劑是一類能有效降低溶液表面張力的物質(zhì)，有乳化、殺菌、起泡、潤滑、增溶等作用，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥等領域均有廣泛應用[1].隨著表面活性劑使用量的日益增大，大量含有表面活性劑的廢水不斷排入環(huán)境中，對生態(tài)環(huán)境造成嚴重的污染和破壞[2-7].鑒于表面活性劑廢水產(chǎn)生量大、危害廣、污染持久等特點，高效的表面活性劑廢水處理技術(shù)一直需求迫切，國內(nèi)外已有相關(guān)研究報導；目前，主要的處理方法有：泡沫分離法、混凝處理法、催化氧化法等[8-12].但由于各方法本身具有的局限性，大都難以推廣應用.

本文提出了電吸附法去除水中離子型表面活性劑的研究思路.電吸附技術(shù)是利用帶電電極表面吸附水中離子及帶電粒子，使水中溶解鹽類及其他帶電物質(zhì)在電極的表面富集濃縮而實現(xiàn)水的凈化的一種水處理技術(shù)[13].自20世紀70年代Johnson等開始研究電吸附技術(shù)以來，電吸附去除水中帶電粒子的研究已有很多報導[14-19]，但是鮮有對表面活性劑離子的電吸附去除研究.文中選取陽離子表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)為對象，研究了電壓、支持電解質(zhì)、pH及初始濃度等因素對CTAB電吸附去除效果的影響.結(jié)果表明，電吸附法可有效去除CTAB，為水中表面活性劑的處理提供了一種新思路.

1 實驗部分

1.1 實驗儀器

BZY-2型全自動表/界面張力儀(上海衡平儀器儀表廠)；DH1715A-5型直流電源(北京大華無線電儀器廠)；8453紫外可見分光光度計(美國安捷倫公司)；FA2004分析天平(上海上平儀器公司)；DZS-708型多參數(shù)系列分析儀(上海儀電科學儀器股份有限公司).

1.2 實驗材料

CTAB、甲基橙、無水乙醇、溴化鉀、氫氧化鈉、硫酸(均為分析純)，石墨電極，實驗用水為超純水.

1.3 CTAB的臨界膠束濃度(CMC)的測定

CMC是表面活性劑的重要參數(shù)，對表面活性劑在溶液中的分散、聚集與遷移等行為有直接影響，很多表面活性劑的現(xiàn)實應用都需要以其CMC值為基礎，因此，有必要先對CTAB的CMC值進行準確測定.用全自動表面張力測定儀，對系列濃度的CTAB溶液進行表面張力測定，之后以CTAB的濃度為橫坐標，以相應濃度下的表面張力為縱坐標，繪制CTAB溶液的表面張力隨其濃度的變化曲線，由曲線得出CMC值.

1.4 標準曲線的繪制

CTAB與甲基橙在10%的乙醇水溶液中發(fā)生反應，生成淡黃色的離子締合物，這種締合物的顏色強度與CTAB離子的濃度成反比，CTAB離子的濃度越高，其顏色越淡，可在 470 nm 處進行吸光度的測定，進而繪制標準曲線[20].得到標線方程為：y=0.057 5x- 0.079 5 (R2=0.999 7).

1.5 電壓對CTAB去除效果的影響

在CTAB濃度為 90 mg/L 的條件下，保持其他條件一致，分別在0.5、1、1.5、2、2.5、3 V 的不同電壓下進行電吸附實驗，研究電壓對CTAB去除率的影響，每 20 min 取樣 1 mL，按照標線步驟測定吸光度并記錄數(shù)據(jù)，繪制CTAB的去除率隨時間的變化曲線.

1.6 支持電解質(zhì)的影響

保持其他條件不變，在 2.5 V 電壓下，分別取 250 mL 初始質(zhì)量濃度為 180 mg/L 的CTAB溶液，向其中分別加入1、2、4、8 mL 的質(zhì)量濃度為 7.4 g/L 的溴化鉀溶液，使溶液中溴化鉀的質(zhì)量濃度分別為29、59、118和 235 mg/L.每 20 min 取樣 1 mL，測定吸光度并記錄數(shù)據(jù)，繪制CTAB的溴化鉀質(zhì)量濃度的變化曲線.

1.7 pH的影響

用 2 mol/L 的硫酸和 2 mol/L 的氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)CTAB溶液的pH，初始質(zhì)量濃度為 180 mg/L，保持電壓為 2.5 V，每 20 min 取樣 1 mL，測定吸光度并記錄數(shù)據(jù)，研究不同pH對CTAB電吸附去除效果的影響.

1.8 CTAB初始質(zhì)量濃度的影響

分別取不同質(zhì)量濃度(18、180、270 mg/L)的CTAB溶液，在 2.5 V 電壓下，每 20 min 取樣 1 mL，測定不同初始質(zhì)量濃度下去除率的變化情況.

2 結(jié)果與分析

2.1 CMC的測定

CTAB溶液的表面張力隨其質(zhì)量濃度的變化曲線，如圖1所示.

從圖1可知，在CTAB的質(zhì)量濃度較低時，溶液的表面張力隨其質(zhì)量濃度的升高而迅速下降，當質(zhì)量濃度增加到 180 mg/L 之后，表面張力趨于穩(wěn)定，從而確定所用CTAB試劑的CMC值為 180 mg/L.

圖1 CTAB溶液的表面張力隨質(zhì)量濃度的變化曲線

2.2 電壓的影響

不同電壓下，CTAB的去除率隨時間的變化曲線，如圖2所示.

由圖2可知，在不同電壓下，CTAB的去除率曲線在初始階段斜率加大、陡峭上升，說明初始階段吸附效率較高，且電壓越大，吸附效率越高；隨著實驗的進行，去除率曲線逐漸趨于平緩，說明CTAB的吸附去除達到平衡；0.5、1 V 條件下，約在 120 min 時達到平衡，此時的去除率分別為21.46%和23.74%；1、1.5 V 條件下，約在 100 min 時到達平衡，此時的去除率分別為27.04%和28.74%；2.5 V 條件下，約在 80 min 時達到平衡，此時的去除率為35.28%.

圖2 不同電壓下CTAB去除率隨時間的變化曲線

由此可知，適當增大電壓，有助于提高吸附去除速率，縮短平衡時間，且平衡時的去除率也相應增大.但當電壓增大到 3 V 時，電極表面開始出現(xiàn)較多氣泡，說明出現(xiàn)水電解現(xiàn)象，CTAB測樣質(zhì)量濃度也較為混亂.因此，電吸附回收CTAB的較優(yōu)電壓為 2.5 V.

2.3 支持電解質(zhì)的影響

以KBr作為CTAB溶液的支持電解質(zhì)，不同KBr質(zhì)量濃度下CTAB去除率隨時間的變化曲線如圖3所示.

當溶液中溴化鉀質(zhì)量濃度從 0 mg/L 增加到 235 mg/L 的過程中，溶液的電導率相應從 47.9 us/cm 增大到 353 us/cm，由此可見，溴化鉀的加入，極大地提升了溶液的電導率，使溶液中CTAB的電遷移速率增大，使CTAB的去除率從30.05%升高到34.50%；且平衡時間相應縮短，當溴化鉀質(zhì)量濃度為 235 mg/L 時，平衡時間約為 60 min.

圖3 不同KBr濃度下CTAB去除率隨時間的變化曲線

2.4 pH的影響

不同pH下CTAB去除率隨時間的變化曲線如圖4所示.由圖4可知，CTAB的去除率隨溶液pH的升高而升高，且去除率都在 120 min 左右達到平衡；在酸性條件下，溶液中的H+離子會與CTAB離子發(fā)生競爭吸附，H+離子會占據(jù)CTAB的吸附點，使CTAB的去除率降低；pH為11時去除率最高，約為35%.

圖4 不同pH下CTAB去除率隨時間的變化曲線

2.5 CTAB初始濃度的影響

不同初始濃度下CTAB去除率隨時間的變化曲線如圖5所示.

從圖5可知，隨著CTAB初始質(zhì)量濃度從0.1倍CMC升高到1.5倍CMC，其去除速率逐漸降低，主要原因是，在0.1倍CMC質(zhì)量濃度下，CTAB以單體形式存在于水溶液中，單體較小，移動速度較快，因此去除速率較快；當質(zhì)量濃度增大到1.0倍CMC時，CTAB主要以膠束的狀態(tài)聚集，體積較大，移動速度比單體慢，所以去除速率相對較低(1.5倍CMC質(zhì)量濃度同理).在0.1倍CMC質(zhì)量濃度時，去除率約為32.21%.

圖5 不同初始質(zhì)量濃度下CTAB去除率隨時間的變化曲線

3 結(jié)語

本實驗采用電吸附法去除水中的離子型表面活性劑CTAB，首先用全自動表面張力儀測得所用CTAB試劑的CMC值為 180 mg/L；之后研究了電壓、支持電解質(zhì)(溴化鉀)、pH、初始濃度對電吸附去除CTAB效果的影響，從實驗結(jié)果可知：適當增大電壓，有助于提高吸附去除速率，縮短平衡時間，且平衡時的去除率也相應增大，最佳吸附電壓為 2.5 V；支持電解質(zhì)的加入，極大地提升了溶液的電導率，使溶液中CTAB的電遷移速率增大，去除率升高，且平衡時間亦相應縮短；CTAB的去除率隨溶液pH的升高而升高，在酸性條件下，溶液中的H+離子會與CTAB離子發(fā)生競爭吸附，H+離子會占據(jù)CTAB的吸附點，使CTAB的去除率降低；受聚集狀態(tài)(單體或膠束)的影響，CTAB的去除速率隨初始質(zhì)量濃度的升高而降低.研究結(jié)果表明，電吸附法可有效去除水中的離子型表面活性劑CTAB，為水中表面活性劑的去除提供了一種新思路.