高校化學實驗室廢水中Cu²⁺的綠色化處理研究

摘要：本文采用泡沫分離技術，對高校基礎實驗室含銅廢水進行了處理，重點考察了表面活性劑種類及濃度、分離時間、進氣速度、pH等因素對分離效果的影響，結果表明，在最佳操作條件下：Cu2+的富集比為1.64，回收率達到46.3%。

關鍵詞：表面活性劑;銅離子;泡沫分離

泡沫分離技術，又稱泡沫吸附分離技術，是一種新型的分離技術。在化工、生化、醫藥、污水處理等領域，它的應用和發展前景都十分廣闊[1-2]。泡沫分離技術具有能耗低、設備簡單、投資小、分離效果好等優點[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，當金屬離子濃度為1.0×10-6 mol/L時，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]，該方法對稀有金屬回收利用、改善生態環境、降低企業生產成本等有重要作用。

本文以高校基礎化學實驗室含硫酸銅廢水為研究對象，采用泡沫分離技術，先考查不同表面活性劑種類及濃度、進氣速度、分離時間等單因素對Cu2+分離結果的影響，在此基礎上設計正交實驗對上述因素進行綜合考查，以富集比和回收率作為考察指標，篩選出Cu2+的最優分離條件。

1 實 驗

1.1 主要材料及設備

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， PHS.3C型精密pH計，LZB轉子流量計，空氣壓縮機，泡沫分離塔。

1.2 實驗方法及過程

25 ℃時用自制滴管測定SDS、CTMAB的臨界膠束濃度分別是：9.1 mol/m3、2.6 mol/m3，與文獻值差別不大[4]，在下面的實驗中，表面活性劑的配制都按照實驗值計算、稱量。實驗在自制泡沫分離塔中進行，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。在塔內加入一定量已處理的實驗室廢水（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，將泡沫由導管從塔頂導出并收集、消泡，每組實驗平行測定三次。

用原子吸收分光光度計測量Cu2+吸光度，并在標準曲線上由吸光度值得到相應的Cu2+濃度。曲線方程為：A=0.2067c-0.0014。

2 結果與討論

2.1 單因素實驗

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，進氣速度固定為0.06 m3/h，裝液量200 cm3，分離時間10 min。室溫下對銅離子進行泡沫分離實驗，分離結果如圖1、圖2所示。

上圖表明，SDS分離效果優于CTMAB，當SDS濃度為0.3 CMC時，富集比回收率都出現最大值。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 分離時間的影響

取1000 cm3含50g/m3 Cu2+和0.3 CMC的SDS混合溶液，設定分離時間10min，進氣速度0.08 m3/h，裝液量為 200 cm3，室溫下考察不同分離時間對分離效果的影響。實驗結果如圖3所示。

圖3結果表明，隨著時間變化富集比出現下降趨勢，而回收率變化則是先增后減，因為在泡沫分離的初始階段，溶液中存在大量的表面活性劑，產生了大量細密均勻的泡沫，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;隨著分離的進行，溶液中表面活性劑減少，泡沫產生量減少的同時泡沫體積變大，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氣速度，結果如圖4所示。

由圖4可知，進氣速度較小時，富集比較大，這是因為氣體流量較小時，氣泡在溶液中的停留時間長，氣-液界面傳質充分。隨著進氣速度增大，氣泡停留時間縮短，氣-液傳質不充分，泡沫的夾液量變大，泡沫中金屬離子減少，富集比下降，即氣體流量對泡沫分離體系的影響主要表現為塔內流體力學特性的改變[7-8]。綜合富集比和回收率及動力消耗，0.08 m3/h為適宜的進氣速度。

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，設定進氣速度0.08 m3/h，裝液量200 cm3，分離10分鐘，室溫下比較分離效果，結果如圖5所示。

由圖5可知，當初始液濃度小于0.04g/L時，富集比和回收率都要高于高濃度范圍（0.05-0.06g/m3）的，當Cu2+初始濃度為0.05g/L時，富集比和回收率均達到最大值。根據富集比計算公式，金屬離子初始濃度越低，即分母越小，分數值越高這與許多文獻結論相同[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，室溫下進行實驗，分離結果如圖6所示。

圖6結果表明，pH較小時，H+濃度較高，根據靜電吸附原理，H+與SDS形成絡合物吸附在氣泡表面，與Cu2+發生競爭吸附，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合方式，還會影響泡沫的夾帶率和金屬離子的去除率[9]。

2.2 正交實驗結果

在單因素實驗基礎上，選取4因素進行實驗，各因素都取4水平，結果如下。

因泡沫分離技術在重金屬離子回收領域應用較多，所以以回收率R為考察指標，對上述正交實驗結果進行極差分析，結果如下表所示：

在上表中，J 越大，表示該因素對回收率的影響越大[10]。由極差大小可知，影響泡沫分離銅離子的4個實驗因素的主次關系為：C（初始濃度）> B（進氣速度）> D（分離時間） >A（表面活性劑濃度）。根據極差結果，較好的實驗條件是A1B2C1D4，在此條件下進行追加實驗，得到富集比為1.64，回收率為46.3%，綜合起來比正交實驗中的效果好。

3 結論

（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、進氣速度、分離時間、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驗追加實驗，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，設定進氣速度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%。

參考文獻

[1]段睿，王立和，楊翠英.常溫中和鐵氧體法處理高濃度含銅廢水的研究[J].工業水處理，2013，33 （5）：31-34

[2]孫景輝.泡沫相分離塔分離蛋白質的工藝標準研究[J].工業水處理，2016，9 （1）：27-30

[3]殷昊，趙艷麗，李雪良，吳兆亮.泡沫分離設備及工藝的研究進展[J].食品工業科技.2010，8：16-19

[4]劉穎，木泰華，孫紅男.泡沫分離技術在食品及化工業中的應用現狀[J].食品工業科技.2013，13：52-54

[5]胡濱，朱海蘭，吳兆亮.氣體分布器孔徑對泡沫分離過程影響的研究[J].高校化學工程學報.2014.2：61-64

[6]李軒領，張煒，陳元濤，陳亮.亞麻籽餅粕中亞麻蛋白的初步泡沫分離[J].河南工業大學學報（自然科學版）.2015，1：22-24

[7]柴茂權.泡沫分離法除去水中的微量硫酸銅[J].科技創新與應用.2016，19（2）：56-58

[8]劉茉娥，陳歡林.新型分離技術基礎[M].杭州：浙江大學出版社.1993：145-165.

[作者簡介] 王玉美（1984-），女，山東壽光人，碩士研究生，主要研究方向為環境治理。

[基金項目] 濰坊科技學院2018年度校級課題科技類（項目編號：2018KJWZ04），2018年度山東省高等學校科研創新平臺課題（項目編號2018YY035）

（濰坊科技學院?山東?壽光?262700）