文摘

本文研究三种类型的性能polyethersulfone (PES)的同时去除膜有限公司^{2 +}离子,光盘^{2 +}离子和铅^{2 +}离子与二元和三元水解决方案。有限公司^{2 +}离子,光盘^{2 +}离子和铅^{2 +}离子与两个不同初始浓度(如10到50 ppm)被选为例子的重金属污染地下水的地质和人类活动。本研究调查的影响类型的PES膜和金属离子浓度对分离过程。二元水溶液,PES2膜的渗透通量较高的分离过程解决方案包含50 ppm的Cd^{2 +}离子和10 ppm的有限公司^{2 +}离子(24.7 L / m²·h)和铅^{2 +}离子(23.7 L / m²·h)。二进制的所有金属解决方案有很高的拒绝当他们的初始浓度低于其他金属的初始浓度出现在相同的解决方案。使用PES2, Cd的最大拒绝^{2 +}离子浓度61.3%时最初的50 ppm Pb^{2 +}离子:10 ppm Cd^{2 +}铅离子和55.4%^{2 +}离子初始浓度10 ppm Pb时^{2 +}离子:50 ppm Cd^{2 +}离子。三元水溶液,排斥和PES膜的渗透通量增加,减少重金属初始浓度。使用PES2最大渗透通量为21.6 L / m²·h时,初始浓度的金属是10 ppm;和的最大抑制金属获得10 ppm的初始浓度为50.5%有限公司^{2 +}离子,48.3%的Cd^{2 +}对铅离子,40%^{2 +}离子。使用PES2过滤过程的模拟结果的污染地下包含公司表示地下水的有效治疗^{2 +}、Cd^{2 +}和铅^{2 +}离子。

1。介绍

如今,地下水污染是最重要的环境问题之一,因为它包含各种各样的污染物,重金属等影响水资源(1]。地下水重金属污染的来源主要是地质活动和人类活动由行业和国内活动(2]。地下水重金属污染的潜在来源从处置场所污染物渗漏以及他们通常出现在高浓度在垃圾填埋场渗滤液3]。重金属如镉、铜、铅、镍和锌是天然元素和实际上是人体健康所必需的在我们的环境中存在少量时(4]然而,各种工业活动释放不同浓度的重金属在水中如纺织工业、电池制造、电镀、汽车工业、矿业、和金属表面处理(5]。不同的工业活动排放是水污染的主要原因,因为他们是由不同的有毒重金属离子,积聚在微生物和水生动植物可能通过食物链进入人体内部造成健康问题(6]。

此外,核燃料循环的排放和放射性同位素的生产和应用放射性废物污染背后的主要原因。此外,其他放射性废物的来源是剥削的副产品合成含有放射性同位素的自然资源和原材料用于农业和医疗产品的生产7]。这些活动可能含有放射性核素的废物流的单个元素如铯、钼、锶、碘、氚,钴、锕系和镧系元素8]。受污染的土壤和水的放射性废物对生物产生有害影响,自然资源与环境;因此,它们危害人类和其他生物的健康和安全(7]。

因为重金属和放射性废物的清除存在阳离子的形式已经成为一个紧迫的问题,不同的处理技术已经被使用和改进目前为止达到一个有效的减少有毒污染物的浓度,如化学降水、蒸发、提取、膜过滤、吸附、混凝、絮凝、沉降、热处理、离子交换(9- - - - - -12]。上述技术展示一些缺点如浮选和化学沉淀造成的成本产生额外的污泥;可怜的选择性和灵敏度高pH值的离子交换过程,非选择性,产生的污泥吸附过程。然而,离子交换和吸附成本相对较低,容易处理,有效的低金属浓度(13- - - - - -15]。

膜过滤技术,包括微滤(MF)、纳滤(NF)膜蒸馏(MD)和反渗透(RO)能够成功地提供了一个重要的解决方案等领域的环境污染减少,重用的水,和从废物废水回收有价值的元素(16- - - - - -19]。不同的膜技术应用的膜生物反应器(MBR)技术治疗炼油厂废水(20.- - - - - -22),超滤膜去除染料从制革工厂(23,24),超滤膜处理炼油厂废水(25),超滤膜对蛋白质和染料去除26),和超滤和纳滤膜水处理(27]。膜技术也被认为是很有前途的技术去除重金属和放射性废物,因为他们是高效(高拒绝污染物),容易操作,节省空间,可靠,和相对较低的能源消耗14,28]。

纳滤(NF)理论上比超滤(UF)和更高效渗透给高于反渗透(RO);因此,它吸引了大量关注的应用程序包括食品、制药、石化行业,和废水处理15]。分离金属离子通过大小NF发生排斥(筛分效应)和唐南排斥(静电排斥)29日]。NF膜的结构特性创建这种组合的效果(30.]。大小排斥,物种是严格保留如果他们有更大的水分比膜孔径大小;然而,膜孔大小相似的物种的障碍。唐南(电荷)排斥,相同的离子电荷(coions)被膜与固定带电团体而相反电荷的离子(抗衡离子)被吸引31日]。NF要求比RO压力下降,从而降低能量,它允许高渗透速率和选择性地拒绝二价离子但拒绝低单价离子使NF推荐治疗各种工业废水和饮用水30.,32]。

由于内在刚性性质的铅、镉、钴离子时排入环境,和他们的主要毒性有机系统的有害影响,目前的工作主要集中在使用治疗模拟地下水过滤过程。在当前的工作中,三种类型的PES膜的准备和检查去除铅、镉、钴离子从二元和三元水溶液在不同条件包括初始金属离子浓度和金属的比例。

2。化学药品和实验工作

聚醚砜(PES Radel类型,由苏威提供先进的聚合物,比利时)被用来准备三个不同的PES膜,由PES1象征,PES2, PES3,干/湿阶段反演方法。旋转气隙参数5厘米的距离,挤出压力1.5酒吧,孔流体流量2.5毫升/分钟。这一过程所需的内部和外部的凝结剂;因此,纯净水是用于此目的,更多细节关于中空纤维的纺丝过程提出了其他地方(33,34]。PES1、PES2 PES3中空纤维进行治疗刺激地下水含有Cd的组合^{2 +}和有限公司^{2 +}和铅^{2 +}离子使用横向气流模式过滤模块,如图1。膜孔径和孔隙大小分布是衡量使用原子力显微镜(AFM) (SPM AA300;美国马埃先进Inc .斯托顿)。每个中空纤维被暴露在一个宽面分析和适当的硅小费。此外,PES中空纤维的尺寸测量通过扫描电子显微镜(SEM) (TESCAN VEGA3 LM(牛津仪器),x战警,捷克共和国)。孔隙大小的统计检验是为所有PES中空纤维表面通过成像仪4.3.1软件(33]。

中空纤维的孔隙度(空隙率)(%)被测量中空纤维的密度估计(例如,样品的重量除以体积)。然后,中空纤维膜的孔隙度计算方程(1)如下:

在哪里PES的密度(g厘米³),1.370 (g厘米³),是中空纤维密度(g厘米吗³)。

表面形态的特点和制备PES膜的其他规范显示在表中1。模拟废水制备硝酸溶解盐的Cd^{2 +}离子(Cd(没有₃)₂.6H₂O),有限公司^{2 +}离子(Co(没有₃)₂.6H₂O)、Pb^{2 +}离子(Pb(没有₃)₂.6H₂O)离子在蒸馏水和在室温下储存在聚乙烯容器。金属离子的浓度的解决方案准备在10 - 250 ppm。刺激废水的pH值调整使用1 M盐酸和1 M氢氧化钠在5.5 - -6.5的范围(5),和解决方案的温度被维护 。PES的过程被选为运行在1酒吧在清除过程中由于低浓度的金属离子。

每个中空纤维加压60分钟前3条致密纤维测量横向气流过滤模式的渗透通量。方程(1)是用来计算渗透通量(J_VL / m²h)。

在哪里(L)的渗透,(h)是时候收集渗透,(m²)是膜的表面积。每个中空纤维模块有7中空纤维的有效面积 , ,和 ,分别为PES1 PES2, PES3。进料流率在0.6 (l / min)饲料温度 。此外,方程(2()是用来计算拒绝百分比 )的金属离子。

在哪里是金属离子的浓度(ppm)的渗透,然后呢(ppm)的平均体积浓度的金属离子在提要( ,ppm)和集中/滞留物( ,使用方程(ppm)和计算3)。

清洗安装,使用蒸馏水冲洗后60分钟4条压力每组实验。渗透纯水的测量,以确保初始膜通量的恢复。

样品中金属离子的浓度测量由aas - 6200原子吸收火焰发射分光光度计(日本岛津制作所的公司)。本设备是经常校准之前开始测量每组样本。

3所示。结果与讨论

3.1。PES纤维为二进制的分离性能的解决方案

分离公司的性能^{2 +}、Cd^{2 +}和铅^{2 +}离子从二进制解决方案使用PES中空纤维膜,研究了通过测量渗透通量(如图24)和金属排斥(数字5- - - - - -7)。渗透通量的比较纯净的蒸馏水(PWP)中给出的结果数据2- - - - - -4显示所有类型的PES纤维渗透通量低于纯水渗透。PES2中通量明显高于其他类型时用于模拟废水。这些结果可以说明,中空纤维的功效高度取决于膜的结构特性等壁厚的纤维、孔隙度、孔隙大小、孔隙大小分布在纤维表面表所示1。PES2的表征,PES1 PES3前面讨论(35)表明,PES2降低厚度,孔隙大小分布,较大的孔隙大小、孔隙度;因此,它给了更高的渗透通量。

图2显示初始铅的影响^{2 +}离子和Cd^{2 +}离子浓度对渗透通量的三种类型的PES膜用于分离二元溶液的pH值 30分钟的一段时间。三种类型的纤维,改变Pb的集中度^{2 +}离子Cd^{2 +}离子渗透通量没有变化,尽管减少铅的浓度^{2 +}提要中的离子10 ppm解决方案,略上升通量。在这种情况下获得的最大渗透通量为23.7 L / m²·h。

图3显示初始有限的影响^{2 +}离子和铅^{2 +}离子浓度对渗透通量的三种类型的PES膜用于分离二元溶液的pH值 30分钟的一段时间。比较基于渗透通量,相同的结果的三种类型的纤维当Pb的集中度^{2 +}离子有限公司^{2 +}改变了离子在饲料的解决方案。同时,减少铅的浓度^{2 +}提要溶液中离子10 ppm引起轻微增加了渗透通量达到的最大渗透通量18.9 L / m²·h。

同样的结果在图4显示初始Cd的效果^{2 +}离子和有限公司^{2 +}PES1离子浓度对渗透通量和PES3膜用于分离二元溶液的pH值 30分钟的一段时间。渗透通量通过PES2显然改变了Pb^{2 +}离子浓度对有限公司^{2 +}提要溶液中离子浓度改变,而获得的最大渗透通量为24.7 L / m²h·当铅的浓度^{2 +}提要中的离子解决方案是10 ppm。

图5显示了Pb的拒绝^{2 +}离子和光盘^{2 +}从二元水溶液离子使用三种类型的PES中空纤维膜。一般来说,Cd的拒绝^{2 +}铅离子高于^{2 +}离子对不同浓度使用所有三种类型的膜。乳糜泻的拒绝^{2 +}离子的初始浓度较高时Cd^{2 +}离子的初始浓度低于Pb^{2 +}离子(即。,50 ppm Pb^{2 +}离子:10 ppm Cd^{2 +}离子)。同时,Pb的拒绝^{2 +}离子初始浓度增大时,在下列顺序: 。因此,拒绝Cd就越高^{2 +}离子(61.3%)获得了使用PES2当初始浓度50 ppm的铅^{2 +}离子和10 ppm的Cd^{2 +}离子;但是,它是55.4% Pb^{2 +}的铅离子初始浓度10 ppm时^{2 +}离子和50 ppm的Cd^{2 +}使用PES2离子。

图6显示公司的拒绝^{2 +}离子和光盘^{2 +}从二元水溶液离子使用三种类型的PES中空纤维膜。结果表明,公司的拒绝^{2 +}离子高于的Cd^{2 +}离子对不同浓度使用所有三种类型的膜,除了最初的饲料含有50 ppm有限公司^{2 +}离子:10 ppm Cd^{2 +}离子,金属都是收敛的拒绝。乳糜泻的拒绝^{2 +}离子保持上述同样的行为获得的初始浓度高,Cd^{2 +}离子在下列顺序:50 ppm 公司的拒绝^{2 +}离子初始浓度以下时上升序列: 。根据这一点,拒绝Cd就越高^{2 +}离子(44.5%)获得了使用PES2初始浓度50 ppm时有限公司^{2 +}离子:10 ppm的Cd^{2 +}离子;但这是公司为47%^{2 +}离子初始浓度10 ppm时有限公司^{2 +}离子和50 ppm的Cd^{2 +}使用PES2离子。

现在拒绝Pb的结果^{2 +}离子和有限公司^{2 +}离子从一个二进制的解决方案包含使用三种类型的PES中空纤维膜在图所示7。金属离子都有同样的行为之前,当他们把Cd^{2 +}离子在二进制的解决方案。Pb的最大拒绝^{2 +}离子(60.3%)是通过使用PES2当初始浓度10 ppm Pb^{2 +}离子:50 ppm有限公司^{2 +}离子,而公司的最大拒绝^{2 +}离子(58%)是通过使用PES2当初始浓度10 ppm Pb^{2 +}离子:50 ppm有限公司^{2 +}离子。

简而言之,双星系统使用PES纤维分离,获得的更高的金属可以拒绝其初始浓度降低时的初始浓度小于其他金属呈现相同的解决方案。远的影响的研究金属离子半径的删除过程基于筛选属性膜结构,这个结果可以与金属在水溶液中的溶解度。由于金属盐的溶解度取决于金属离子浓度和溶液的pH值,很可能单个金属溶液的pH值变化时另一种金属离子添加改变了溶液中金属离子的溶解度(36,37]。增加金属离子的溶解度由于pH值变化导致增加的趋势金属附着水分子和渗透通过膜孔。因此,使用准备PES的拒绝单一金属纤维明显高于他们的拒绝注册时在二进制的解决方案在当前的研究中35]。

3.2。PES的分离性能纤维三元解决方案

图8显示性能的三个准备PES膜在分离过程中金属离子的三元溶液的两种不同初始金属浓度(10到50 ppm)。PES2给膜渗透通量高于其他PES3和PES1紧随其后,这可以归因于PES2的杰出的纹理特性。的渗透通量PES2为21.6 (L / m²·h)最初的金属浓度时10 ppm;然而,它明显下降到17.2 (L / m²·h)当最初的金属浓度增加到50 ppm。的渗透通量和PES1 PES3没有显著变化时最初的金属浓度从10到50 ppm。

图9显示了拒绝研究重金属从三元溶液的三种类型的PES膜的分离过程在一个提要温度25°C, ,和跨膜压力的酒吧。根据对金属离子的增加,细胞膜是按照以下顺序: 。尽管这些金属的离子半径(有限公司^{2 +}79点的离子,Cd^{2 +}97点的离子,Pb^{2 +}133点)的离子(38),每一个选定膜对金属离子的趋势如下: 。这个结果可以归因于存在的Cd^{2 +}离子和有限公司^{2 +}离子溶液中含有铅^{2 +}离子导致改变溶液的pH值和增加铅的溶解度^{2 +}离子溶液中。同时,增加初始金属浓度降低了拒绝所有金属使用三种类型的PES膜。这种行为很明显对PES2膜有限公司^{2 +}离子和光盘^{2 +}离子;然而,很明显PES3 Pb^{2 +}离子。

图10显示了三种类型的渗透通量PES纤维与三元水溶液的分离。图中显示稍微减少渗透通量的三种类型的PES纤维与操作时间可由于金属离子沉积在纤维表面。

图11显示公司的拒绝^{2 +}离子,光盘^{2 +}离子和铅^{2 +}从三元离子解决方案包含每个金属和pH值的100 ppm 使用三种不同的PES膜和操作时间。乳糜泻的拒绝^{2 +}离子和有限公司^{2 +}离子PES2和PES3大幅减少;然而,Pb的拒绝^{2 +}三种膜离子减少类似。获得的最大拒绝PES2是60%股份有限公司^{2 +}离子,54.4%的Cd^{2 +}对铅离子,43%^{2 +}离子后50分钟。最低拒绝通过PES2是公司为50%^{2 +}离子,46%的Cd^{2 +}对铅离子,37%^{2 +}300分钟后离子。

从目前的工作的结果,它可以观察到公司的拒绝^{2 +}离子高于Pb^{2 +}离子。这两个公司^{2 +}和铅^{2 +}同离子;然而,铅^{2 +}比公司有更大的能力吗^{2 +}下穿过细胞膜电势梯度的影响,因此拒绝低铅^{2 +}离子。这可能是由于Pb的扩散系数越高^{2 +}离子(例如,DPb^{2 +}, 和DCo^{2 +}, )。同时,公司的拒绝^{2 +}离子高于Cd^{2 +}离子由于慢运动有限公司^{2 +}在膜比Cd^{2 +}在电势梯度的影响;因此,低镉拒绝了。这一趋势可以因为Cd的扩散系数越高^{2 +}离子(例如,以便决定^{2 +}, 和DCo^{2 +}, )。关于铅的排斥机制^{2 +}/ Cd^{2 +}溶液,可以注意到,降低铅的拒绝^{2 +}比Cd^{2 +}因为较低的水化Pb的能量^{2 +}离子(例如, )。竞争的重金属去除膜减少了初始金属离子浓度的增加,由于唐南效果。当pH值高于等电点(例如,pH > 5.5),膜表面的负电荷,而金属离子是带正电荷的增加它们之间的吸引力。同时,增加金属离子初始浓度会增加膜的表面离子的积累导致堵塞的毛孔,形成蛋糕层,增加浓度极化,因此低离子排斥。

3.3。比较研究

表2显示当前工作之间的比较结果和其他膜在文献中发现,用于金属离子去除,考虑不同的参数。另外,这个表提供了最重要的操作参数如饲料溶液pH值、初始浓度的重金属离子,和反式膜的压力。的性能因素三个PES膜用于目前的工作同时金属离子(Pb的合理值^{2 +}、Cd^{2 +}、有限公司^{2 +})拒绝相比,从文献中选择不同的膜分离过程。此外,它可以观察到,大多数重金属存在的拒绝同时在溶液中以同样的方式减少排斥反应的解决方案,他们单独存在。

4所示。结论

当前研究的公司工作^{2 +}离子,光盘^{2 +}离子和铅^{2 +}离子与二元和三元解决方案使用三种类型的PES膜。PES2证明其性能的分离过程中二元和三元的解决方案在不同初始浓度。的性能选择金属离子分离过程中改变当他们被纳入二元或三元水解决方案。二进制文件解决方案,所有的金属都高拒绝当他们的初始浓度低于其他金属的初始浓度出现在相同的解决方案。然而,对于三元溶液中,三种类型的纤维的趋势倾向于消除金属离子根据这个序列: 。同时,金属离子的拒绝时更高的初始浓度从50 ppm减少到10 ppm。最后,包含有限的地下水^{2 +}离子,光盘^{2 +}离子和铅^{2 +}离子可以有效地治疗使用PES中空纤维过滤过程。

数据可用性

底层数据用于支持当前工作的结果包括文本内的手稿。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。