纳滤去除水中微量铅的研究.doc

纳滤去除水中微量铅的研究注：本文是江苏省环境保护科技发展基金项目，典型行业污泥重金属污染源解析与预警体系研究铅的工业污染来自矿山开采、冶炼、橡胶生产、染料、印刷、陶瓷、铅玻璃、焊锡、电缆及铅管等生产废水和废弃物。铅对人体有多个方面的危害：一是慢性中毒，长期接触铅及其化合物会导致心悸，易激动，血象红细胞增多，铅侵犯神经系统后，出现失眠、多梦、记忆减退、疲乏，进而发展为狂躁、失明、神志模糊、昏迷，最后因脑血管缺氧而死亡；二是致癌、致突变，对人来说铅是一种潜在性泌尿系统致癌物质，而且会对人体dna造成不同程度的损伤；三是急性中毒，人体如果短时间内摄入大量铅则会胃疼，头痛，颤抖，神经性烦躁，在最严重的情况下，可能人事不省，直至死亡。更为严重的是，铅慢性中毒的初期症状很不明显，血液铅浓度如果低于一定浓度则毫无症状，因此发病的时候往往中毒已经很深，尤其是对儿童危害甚大。1因此，世界各国都对水中铅的含量进行了严格规定，我国国家饮用水卫生标准规定的安全浓度为10g/l。目前去除水中铅的主要方法包括离子交换、沉淀过滤和生物吸附等方法。2纳滤技术作为一种较为新型的水处理技术，具有操作方便，能耗低，无需添加药剂等多种优点。本章的主要工作就是将纳滤技术应用于水中铅的去除，测试自制膜，海德能esna1纳滤膜和陶氏nf200纳滤膜对微量铅的去除效果，以期为铅污染较为严重的地区的用水安全提供一定的技术支持。1 试验部分1.1 试验材料和设备以下为本章试验所用试剂和设备表1-1 试验所用试剂table1-1 materials and reagents原料名称化学式或缩写规格产地硝酸铅pb(no3)a.r北京化工厂铅标准液1000mg/l环保部标准物质研究所硝酸hno3a.r北京化工厂氢氧化钠naoha.r北京化工厂表1-2试验所用设备table1-2 equipments and instruments仪器名称型号生产厂家电子天平bs110s北京赛多利斯天平有限公司电热恒温鼓风干燥箱dhg-9053a上海精宏实验设备有限公司纳滤测试装置自制原子吸收分光光度计aa-6300日本shimadzu公司r公司表1-3 试验所用纳滤膜table1-3 nanofiltration membranes used in experiments纳滤膜生产商膜材料工作压力(mpa)500ppmcacl2截留nf自制芳香聚酰胺0.53-5%esna1nitto芳香聚酰胺0.550-55%nf200filmtec哌嗪聚酰胺0.550-60%1.2 试验与分析方法试验方法：本试验所用料液为实验室配制的模拟料液，分析纯的硝酸铅固体溶于一定量去离子水中，配制成1mg/l的pb()储备溶液，使用时稀释成所需浓度即可。试验使用的料液浓度范围在20100g/l。纳滤测试装置如图1-1，所有纳滤膜使用之前在1mpa压力下预压半个小时。图1-1 纳滤测试装置fig.1-1 scheme of the experimental setup.分析方法：料液和渗滤液pb()采用石墨炉原子吸收分光光度法进行检测。截留率和水通量计算如下。膜通量为单位时间单位膜面积通过的水的体积，计算公式为：（1）式中v为渗透液体积，l；s为有效膜面积，m2；t为运行时间，h。截留率计算公式为：(2)式中cf为原料液浓度，cp为透过液浓度。2 结果讨论2.1三种纳滤膜的截留率对比配制60g/l浓度的pb()料液进行三种膜的截留率对比试验，运行压力0.5mpa，温度25，ph7，试验结果如图2-1所示。结果表明只有nf200纳滤膜对pb()的截留效果较好，约为80%左右，而自制膜和esna1纳滤膜的截留效果都较差，尤其是自制膜，对pb()几乎没有截留能力，esna1的截留率也只有60%左右。两种商业膜的截留率远高于自制膜还有一个原因，就是自制膜的孔径较大，截留分子量较高，从表5-3可以看出，三种纳滤膜对分子量较低的二价阳离子ca2+的截留效果更差，说明纳滤膜对阳离子的截留还受筛分效应的影响，因此孔径较小的纳滤膜截留效果更好。图2-1 三种纳滤膜对pb()的截留fig.2-1 rejection of pb with self-prepared membrane, esna1 membrane and nf200 membrane本文后续工作主要采用esna1和nf200两种商业膜进行试验，测试料液浓度、运行压力和ph值对pb()截留效果的影响。2.2料液浓度对pb()截留效果的影响配制不同pb()浓度的料液进行纳滤试验，运行压力均为0.5mpa，温度控制为25，ph7，实验结果如图2-2所示。从图2-2可以看出，esna1纳滤膜和nf200纳滤膜对pb()的截留率随料液浓度增加基本没有明显变化，分别维持在80%和60%左右。同样pb2+浓度增加也会屏蔽膜表面的负电荷，降低电负性，但与阴离子不同的是：膜表面负电荷密度的下降反而有利于二价阳离子的截留，因此pb()的截留率随料液浓度的增加几乎没有下降。图2-2 esna1和nf200纳滤膜对pb()的截留随料液浓度的变化fig.2-2 influence of feed concentration on rejection of pb() with esna1 membrane and nf200 membrane另外，从图2-2还可以看出，浓度较高的情况下，纳滤出水中的pb()浓度很难降到国家饮用水卫生标准规定的10g/l，因此当水中含铅量较高的时候，纳滤不是一个理想的去除手段，但浓度较低的时候，以nf200为代表的低电负性，小孔径纳滤膜仍不失为一种方便有效的除铅技术。2.3操作压力对pb()截留效果的影响配制pb()浓度为60g/l的料液，在温度为25，ph7的条件下，改变操作压力进行纳滤试验，结果如图2-3所示。从结果可以看出，随压力升高，esna1和nf200对pb()的截留率都有不同程度的上升，这种趋势和cr()类似，都是水通量大幅上升导致的。不过在很高的压力下，cr()的截留率几乎为100%，而pb()的截留率却仍不是很高，这种现象应该和纳滤膜对pb()的截留机理有一定关系。对于pb(no3)2来说，这两种作用都不是很强，因为no3-是一价阴离子，而pb2+的分子量也不是很高，因此，水通量上升的同时，溶质扩散通量虽然变化不大，但对流通量很可能会大幅上升，导致截留率没有明显升高。图2-3 esna1和nf200纳滤膜对pb()的截留随操作压力的变化fig.2-3 influence of operating pressure on rejection of pb() with esna1 membrane and nf200 membrane2.4 ph值对截留效果的影响配制pb()浓度为60g/l，在温度为25，操作压力为0.5mpa的条件下，改变ph值进行纳滤试验，结果如图2-4所示。图2-4 esna1和nf200纳滤膜对pb()的截留随ph值的变化fig.2-4 influence of ph on rejection of pb() with esna1 membrane and nf200 membrane试验结果表明ph值是影响pb()截留的一个重要因素。在ph值3-7的范围内，随着ph值的降低，esna1和nf200纳滤膜对于pb()的截留率不断升高，nf200的截留率从80%升高到90%，而esna1的截留率也升高到70%以上。这和ph值对cr()、as()截留率的影响明显相反。ph7的时候，料液中开始出现pb(oh)2沉淀，因此试验主要是在酸性范围内进行。3结论1、esna1纳滤膜对pb()截留效果较差，中性条件下约为60%；nf200纳滤膜的截留率则较高，达到80%左右。自制膜对pb()几乎不截留，低于10%。2、试验测试的浓度范围内， esna1和nf200对pb()的截留率随着浓度的增加，没有明显变化