纳滤膜去除水中五价砷的研究 幸运魔剑士女主角_中华水网
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纳滤膜去除水中五价砷的研究

来 源:中华水网   发布时间:2011-04-29 移动版

(As) 广泛存在于自然界中 , 是有毒的致癌物质。 调查显示 , 摄入砷的 致癌风险在逐渐加大 。因此 , 世界卫生组织 (WHO) 将安全饮用水标准中砷的指标由 50  g/L 更改为 10  g/L 。 随后 , 欧盟、美国等国家也分别将各自的饮用水标准定为 10  g/L, 我国 ! 生活饮用水卫生标准 GB5749- 2006 中砷的指标也规定是 10  g/L 。 不断严格的饮用水标准对砷的去除技术有更高的要求。

砷在水体中以三价 (As( # )) 、 五价 (As( )) 及有机砷存在 , 三价砷毒性比五价砷强。 三价砷在水体中的常见形式为 H 3 AsO 3 H 2 AsO -3 , 五价砷的常见形式为 H 2 AsO -4 HAsO 2-4 。 当 pH < 7 , As( ) As( # ) 主要以 H 2 AsO -3 H 3 AsO 3形式存在。有研究表明 , 带负电荷的纳滤膜对五价砷的去除效率很明显的高于对三价砷的去除 , 因此 , 将三价砷氧化成五价砷 , 再去除的途径将达到很好的效果 。本试验主要研究低压错流过滤含砷水 (As( )), 探讨膜进水浓度、 水中无机离子、 水的 pH 值、膜进水温度、 操作压力、 水中天然有机物浓度等对膜除砷效率的影响。

1  试验装置及方法

1  1  试验装置

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试验装置见图 1, 装置主 要有原水箱、 膜组件、 恒温水箱等组成。 自 配的含砷水经泵的作用 , 由原水箱进入纳滤膜组件 , 形成的膜出水和浓缩水 再回流到 原 水箱。 恒温水浴装置为 精宏 DKB -1615 。本试验采用纳 滤膜 NF90 由 美国陶 氏公 司提供 , NF90 膜的主要性能参见下表。 纳滤膜在使用前用去离子水预先浸泡最少一天 , 每次实验更换一张新膜 , 恒温水浴将原水箱水温控制在 25 1 % , 利用 2L 去离子水压膜一小时后换上自 配置原水进行实验。每次实验时间均为 6  5 个小时 , 定时取样等待测定。

1  2  试验试剂

试验所用 As( ) 储备液由 N a 3 AsO 4  7H 2 O( 分析纯 ) 配置 , 用去离子水稀释作为原水即含砷水进行实验。 其他试剂均采用分析纯。

1  3  分析方法

As 浓度采用硼氢化钾 & 原子荧光分光光度法测定 , AFS- 230E 双道原子荧光光度计 , TOC 测定仪 TOC - VCPH 测定水样 TOC

2  结果与讨论

2  1  膜进水浓度对膜除砷效率及膜通量的影响

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考虑不同的进水砷的浓度对砷的 去除率的影响 , 实验中 用 NF90 膜去除 As( ) 浓度 分别 为 50  g/L, 250  g/L, 500  g/L 的含砷水 , 试验结果见图 2 、 图 3

从图 2 中可以看出 , 在实验开始 的前 150min , NF90 膜对砷的去除率在 90% ~ 99% ; 150min 后砷的去除率随着膜进水浓度的升高有增大 , 且浓度为 250  g/L, 500  g/L 时 的 去 除率 明 显 高于 50  g/L, 运行 6 个小时后去除率都在 90% 以上。 NF90 膜为带负电膜 , 水中 As( ) 以带负电的形式存在 , 同性电荷相斥有利于砷的去除。 Sergio Perez  

Sicairos 等 研究指出水中氢离子 (H + ) 会对纳滤膜表面的负电荷基团有屏蔽作用 , 使得膜表面负电强 度降低。这使随着时间的延长 , 砷的去除低的趋势。 纳滤膜对砷有筛分去除作用 , , 膜表面拦截砷越多 , 去除率越高。

见图 3 所示 , 不同的砷的进水浓度对响没有明显的变化。 在膜除砷的过程中 , 时间的延长 , 膜表面拦截物的增加 , 膜污生 , 膜通量在逐渐减小。 在大约 6 个小时间后 , 膜通量降低约 15L/(m 2 hM Pa)

2  2  水中 pH 值对膜除砷效率及膜通量的影响

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膜除砷效率在很大程度上受进水中物质的存在形态和膜的表面性质 ( 膜孔径、 膜表面带点荷 ) 的影响。 水环境中五价砷的常见形式为 H 2 AsO -4 HAsO 2-4 , pH < 7 ,As( ) 主要为 H 2 AsO -3, 在高 pH 值时 , As( ) 主要为 HAsO 2-4。 实验中 ,50  g/L 的含砷水中加入 1mmol/LNaHCO 3 pH 分别为 5 7 9 10, 研究 pH 对膜除砷效率的影响。实验结果见图 4 、 图 5

从图 4 可知 , 随着 pH 的升高 , 膜对砷的去除率有上升的趋势。 这可以解释为 : (1) pH 升高 , 砷由一价带电离子 H 2 AsO -4 转化为二价带电粒子 HAsO 2-4 , 增强了与膜表面的电性斥力 , 砷的去除率升高。 (2) pH 升高 , 加快了 H 3 AsO 4 (pK 1 =2  25, 25 % ) 的水解 , 减少了中性分子 H 3 AsO 4 的浓度。 (3) pH < 7 , 砷以单价离子 H 2 AsO -4 的形式存在 , 而且低 pH 时高的氢离子浓度降低膜表面的有效带点 密 度 , 降低 膜对负 电 离 子的去 除率 。 pH = 9, 10 时纳滤膜对砷的去除率均大于 90% 。 这说明纳滤膜除砷的最佳水环境为碱性 , 此时膜除砷的效率最高 , 文献 [7~ 13] 都得出了相同的结论。

5 为不同 pH 条件下的膜通量变化情况 , 随着运行时间的延长 , pH = 5~ 10 变化膜通量变化趋势相同 , pH 对膜通量没有影响。

2  3  膜进水温度对膜除砷效率及膜通量的影响

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研究温度对膜除砷效率的影响 , 砷的起始质量浓度均为 50  g/L, 设置温度 10 1 % , 17  5 1 % ,25 1 % , 32  5 1 % 。 实验结果见图 6 、 图 7

6 中 砷的去除率为前 90min 内的平均 去除率。 图中明显的反应出砷的去除率随温度的升高而降低 , 这正是因为温度升高 , 砷的扩散程度增强 , 流动性变大 , 砷 透过膜的 机率变大 , 去 除率降低 。 热胀冷缩 , 膜孔径也会随温度的升高变大 , 促使膜通量变化。 膜通量随温度的变化见图 7 所示 , 膜通量随温度 升高 , 起始 通量由 60L/( m 2 hMPa) 93L/(m 2 hM Pa) 变化。 砷的去除率与膜通量的变化趋势相关 , 膜通量随温度增加 , 砷去除率降低。

2  4  操作压力 对膜除砷效率及膜通量的影响  

 

低压错流过滤去除水中砷 , 压力的变化对砷的去除率会有影响。 有研究发现 当压力提高 , 纳滤膜对砷的去除效果略有升高 , 这是因为压力增大 , 水渗透过膜量增加 , 导致砷的出水浓度减小 , 砷的去除率增大。 但是 Sergio Perez-Sicairos 等 研究发现 , 压力升高 , 纳滤膜对 As( ) 的去除率并没有影响。

本研究结果见图 8 、 图 9, 从图中可以看出随着压力增大 , NF 膜的通量升高 , 砷的去除率降低。在压力 的 变化范围 内 , 经过 6  5 个小 时的 运行 ,NF90 膜对砷的去 除率范 围 :77% ~ 99% 。 压力由 0  3~ 0  6MPa 变化 ,NF90 膜在 6  5 个小时前后通量减小 14  4~ 16  4L/m 2  h  M Pa

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2  5  水中有机物浓度对膜除砷效率及膜通量的影响

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考察水中天然有机物对膜除砷效率的影响 , 砷的起始质量浓度均为 50  g/L, 设置温度 25 1 % , 有机物采用腐殖酸 , 含砷水中加入腐殖酸 , TOC 分别为 2  052mg/L, 4  104mg/L 8  208mg/L 。 试验结果见图 10 、图 11

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从图 10 可看出 , 天然有机物 TOC = 2  052mg/L TOC= 4  104mg/L , 砷的去除率延时下降 ; 高浓度天然有机物 TOC = 8  208mg/L, 砷的去除率均保持在 90% 以上。 有研究发现 , 水中大分子的带有负电基团的有机物聚集在膜表面 , 增强膜与砷的静电排斥作用 , 因此增强膜对砷的去除率。 这能解释高浓度天然有机物时 , 砷的去除率趋势的原因 , 但是对低浓度有机物时砷去除率下降的现象 , 很难被解释。 [19] 指出有研究表示 , 砷可能会与腐殖酸结合 , 生成大尺寸的络合物 , 腐殖酸越多生成的络合物越多 , 从而使砷的去除率升高。 天然有机物对纳滤膜除五价砷的影响应综合考虑膜表面凝聚层的作用和有机物与砷的络合作用 , 天然有机物随纳滤膜除砷的影响作用较复杂。 NF90 膜对腐殖酸的去 除 效 果 很 好 , TOC 分 别 为 2  052mg/L,4  104mg/L 8  208mg/L 所对应的去除率最终约为 79%, 89% 93%, 膜出水 TOC 均小于 1mg/L

11 表明 , 原水中天然有机物随浓度的增加 , 膜通量下降快。 这正是因为天然有机物在膜进水一侧形成了凝聚层 , 从而降低了膜通量。

3   

本文研究了低压错流过滤对 As( ) 去除效率受膜进水浓度、水的 pH 值、膜进水温度、操作压力、水中天然有机物浓度等的影响 , 得出以下结论 :

(1) 纳滤膜是很好的去除水中砷方法 , 其对 As( ) 有很高的去除率 , 且随着进水浓度 的升高而增大 ; 砷进水浓度对膜通量没有明显的影响。

(2) 碱性条件有利于纳滤膜对砷的去除 , pH 对膜通量没有影响。 原水 pH 对纳滤膜除砷效率有很大的影响 , pH 的升高 , 去除率得到提升。

(3) 原水温度通过影响膜通量进而影响纳滤膜对砷的去除率 , 低温膜进水通量低 , 砷的去除率反升高。

(4) 进水压力对砷 的去除有影响 , 进水压力 高 , 膜通量大 , 导致纳滤膜除砷效率降低。

(5) 天然有机物造成的膜污染降低了膜的过水通量 , 低浓度有机物使膜除砷效率降低 , 高浓度的有机物。 天然有机物随纳滤膜除砷的影响作用较复杂 , 应综合考虑膜表面凝聚层的作用和有机物与砷的络合作用。

 

 

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