Gemini膠團強化超濾法（GMEUF）處理含鉛廢水的研究

＊趙立彥 張世晨 徐平 張瀟 王宇 王炎

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)化工與化學(xué)學(xué)院 黑龍江 150080 2.鄂爾多斯市農(nóng)畜產(chǎn)品質(zhì)量安全中心 內(nèi)蒙古 017002）

1.陰離子型Gemini表面活性劑G-NMED的合成

GMEUF法處理含鉛廢水具有巨大潛力，但是目前這一表面活性劑的應(yīng)用較少，工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)還不成熟，因而目前陰離子型Gemini表面活性劑仍無市售。我們通過參考Laurent Wattebled課題組的制備方法[1]合成出所需使用的陰離子型Gemini表面活性G-NMED，通過核磁和紅外光譜對所合成化合物進行表征分析。

將1.2578ml十二烷基甲胺和0.6425g EDTAD溶解于30ml乙醇中，保持水浴溫度45℃，反應(yīng)22h。之后將樣品冷卻到室溫，過濾除去殘渣，保留母液，存留的母液用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀旋蒸得淡黃色油狀液，再向油狀液中加入丙酮，出現(xiàn)白色沉淀，過濾。將沉淀進一步溶解于氯仿中，最后用丙酮洗滌得到白色粉末1.1104g，產(chǎn)率為67.58%。合成路線如下：

紅外光譜表征：首先利用紅外光譜對所制備的陰離子型G-NMED進行了表征，其紅外光譜如圖1所示。其中，位于3419cm-1的寬峰為羧酸的特征峰；位于1642cm-1處的特征峰為叔酰胺的C=O伸縮振動峰；位于1408cm-1處的特征吸收峰為C-N伸縮振動峰；位于2923cm-1、2853cm-1、1124cm-1及723cm-1處的吸收峰為CH3和CH2的特征峰。

圖1 G-NMED的紅外光譜圖

核磁共振光譜：接下來我們利用核磁共振光譜對G-NMED進行了表征，其1H NMR譜圖如圖2所示。p處甲基受環(huán)境影響較小，故在0.9118ppm處。而d處甲基由于受到N的吸電子作用，去屏蔽向低場移動，處在2.907ppm處。a處在兩個N之間，其去屏蔽作用更加明顯，所以向低波數(shù)移動。b、c、e所處化學(xué)環(huán)境相似，但b比e受拉電子作用更強，所以拉電子作用更明顯。

圖2 G-NMED的1H NMR譜圖 試劑：氘代氯仿

2.Gemini膠團強化超濾法處理含鉛廢水的研究

1968年，Michaels教授[2]最先提出了將表面活性劑引入到超濾過程的概念，自此膠團強化超濾法（MEUF）在重金屬離子處理領(lǐng)域得到廣泛研究。近幾年，關(guān)于膠團強化超濾法的研究日益增多，從各個領(lǐng)域研究超濾性能的提升。

一方面，諸多學(xué)者進行了表面活性劑改良方面的研究：Amar等人[3]采用Tween 80和SDS為表面活性劑，處理廢水中Ni2+，并將滲透通量的下降歸因于濃差極化而非膜污染阻力。Zhao[4]及Paiboon Yenphan[5]兩個課題組分別研究了用非離子表面活性劑與離子型表面活性劑進行復(fù)配去除廢水中銅離子及鉛離子，都證明這種混合體系對表面活性劑及金屬離子都有良好的去除效果。Swathi M Yobilishetty[6]則分別用陰離子、非離子和混合表面活性劑去除鉬離子，并探討得出最佳優(yōu)化條件。另一方面，一些學(xué)者注重于MEUF法選擇性去除重金屬離子方面的研究：P.N.Patil等人[7]通過添加螯合劑而選擇性分離了溶液中的鎳和鈷離子，并達到滲透液中鎳離子為94%，濃縮液中鈷離子為92%的效果。Deniz S?ahin等人[8]則選用配位法選擇性去除了鎘離子溶液中的銅離子。Piia H?yrynen等人[9]則用MEUF法從含磷廢水中選擇性的截留下鈣離子和銅離子，并探討了運行壓強和超濾速度對超濾的影響。近年來，一些學(xué)者同時著眼于關(guān)于膠團強化超濾工藝的改良性研究，如Shrestha Sohan課題 組[10]將超濾裝置再聯(lián)接一個活性炭纖維過濾裝置去除廢水中的鋅離子，并證明其有效性。還有Arunava Choudhury課題組[11]通過在料液槽中加入NaCl等電解質(zhì)來降低表面活性劑的CMC從而降低表面活性劑投料量?？v觀近幾年來在MEUF法處理重金屬廢水的研究成果，我們可以看出研究者在這一領(lǐng)域的研究主要針對增加污染物的分離效果、種類，降低表面活性劑投料量及滲透濃度，以及改善超濾裝置這幾個方面。而本文主要針對目前膠團強化超濾過程仍然存在的表面活性劑的投料量較大，滲透液中表面活性劑單體量也增多，從而造成水體二次污染的問題，著眼于降低表面活性劑的投料量及滲透濃度這方面開展研究。

(1)G-NMED膠團特性的研究

我們利用電導(dǎo)率法對所制備的G-NMED的臨界膠束濃度進行了測定。如圖3所示，在溫度為25℃，pH值為中性的超純水條件下，我們所制備的陰離子離子型G-NMED的電導(dǎo)率在1.273×10-4mol/L處電導(dǎo)率出現(xiàn)明顯拐點，這說明其在25℃，中性條件下的臨界膠束濃度（CMC）為1.273×10-4mol/L。與常用的傳統(tǒng)單鏈表面活性劑SDS（CMC為7.770mmol/L）相比，G-NMED的CMC下降約2個數(shù)量級。

圖3 G-NMED的CMC測定

(2)表面活性劑投料量對GMEUF法處理含鉛廢水的影響

表面活性劑投料量對GMEUF法處理含鉛廢水時滲透液組分的影響。

在相同實驗條件下，對比了本文所制備的G-NMED和傳統(tǒng)表面活性劑SDS在處理含鉛廢水時，投料量對滲透液中各組分濃度及其截留率的影響的差異。如圖4所示。

圖4 （a）以G-NMED為原料的GMEUF法處理含鉛廢水時滲透液中各組分濃度隨G-NMED用量的變化；（b）以SDS為原料的MEUF法處理含鉛廢水時滲透液中各組分濃度隨SDS用量的變化;(c)以G-NMED為原料的GMEUF法處理含鉛廢水時的截留率隨G-NMED用量的變化；（d）以SDS為原料的MEUF法處理含鉛廢水時的截留率隨SDS用量的變化

圖4（a）與圖4（b）對比可知，兩圖滲透液中鉛離子的濃度在相同投料量時，非常相近。但滲透液中G-NMED的濃度明顯低于SDS的濃度。如：當(dāng)投料量為1CMC時，滲透液中SDS濃度為3.367×10-3mol/L。而滲透液中G-NMED濃度僅為1.153×10-5mol/L，相比低2個數(shù)量級以上。圖4（c）與 圖4（d）相比可知，用所制備的G-NMED的GMEUF法處理含鉛廢水時鉛離子的截留率與用傳統(tǒng)表面活性劑SDS的MEUF法處理含鉛廢水時的截留率接近，均為97%以上。而對各自的表面活性劑的截留率則差別很大，GMEUF法中G-NMED的截留率為90.92%，而MEUF法中SDS的截留率僅為48.07%。因此，與應(yīng)用傳統(tǒng)表面活性劑的MEUF法相比，本文提出的GMEUF法對表面活性劑單體有很好的截留效果，可以有效避免因表面活性劑流失引起的二次污染問題。

3.結(jié)束語

本文針對傳統(tǒng)表面活性劑膠團強化超濾法過程中存在的水體二次污染及膜體污染嚴(yán)重的問題，以鉛離子為主要參考對象，用G-NMED代替?zhèn)鹘y(tǒng)表面活性劑建立了Gemini膠團強化超濾工藝。通過本文的研究，得到如下主要結(jié)論：

（1）制備了陰離子型Gemini表明活性劑G-NMED。通過紅外光譜法、核磁共振光譜法證明產(chǎn)物與目標(biāo)產(chǎn)物一致。制備路線具有原料廉價易得、合成路線少、產(chǎn)物產(chǎn)率高、實驗條件溫和、副產(chǎn)物少、易分離提純的優(yōu)點。

（2）通過電導(dǎo)法測定合成表面活性劑的臨界膠束濃度值（CMC）為1.273×10-4mol/L，較傳統(tǒng)表面活性劑十二烷基硫酸鈉（CMC為7.770×10-3mol/L）相比下降約2個數(shù)量級，證明GMEUF可有效降低表面活性劑投料量方面的可行性。

（3）在相同實驗條件下，對比了本文所制備的G-NMED和傳統(tǒng)表面活性劑SDS在處理含鉛廢水時，投料量對滲透液中各組分濃度、截留率以及膜污染的影響的差異。得出如下結(jié)論：與應(yīng)用傳統(tǒng)表面活性劑的MEUF法相比，本文提出的GMEUF法滲透液中G-NMED的濃度明顯低于SDS的濃度且本文提出的GMEUF法對表面活性劑單體有很好的截留效果，可以有效避免因表面活性劑流失引起的二次污染問題。本文提出的GMEUF法使表面活性劑投料量降低2個數(shù)量級以上的同時，超濾過程表面活性劑截留率也可以達到90%以上，從根源上解決了膠團強化超濾法引起水體二次污染的問題，適用于工業(yè)推廣。本文的科研成果已經(jīng)轉(zhuǎn)化為研究生課程《高等分析化學(xué)》以及《波譜學(xué)原理與應(yīng)用》的教學(xué)素材，實現(xiàn)了科研課題向課堂教學(xué)的轉(zhuǎn)化。