环境工程学报第 卷 净化液相主体的目的 泡沫分离具有过程操作简单 投资小 能耗低 无二次污染 处理对象广及处理效果显著等优点 目前 泡沫分离法在处理废水中的重金属离子方面 所添加的表面活性剂有十二烷基硫酸钠 :B: 十二烷基苯磺酸钠 :B*: 十六烷基三甲基氯化铵 ) 和烷基糖苷 等 它们均属

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1 第 卷 第 期环境工程学报 年 月!" #$% & " ' #% "! 泡沫分离法去除废水中的 离子 陈志刚 乔 丹 许小红 张 波 吴智仁 江苏大学环境与安全工程学院 镇江 摘 要 以绿色表面活性剂酪蛋白为起泡剂 采用间歇式泡沫分离法去除废水中高浓度 " 离子 考察了 2 值 空气流量 酪蛋白的添加量 搅拌速度和装液体积 个因素对 " 离子去除率的影响 结果表明 当 " 离子初始浓度为 ', - 处理时间为 时 最佳分离工艺条件为 2E1 空气流量,' -, - 的酪蛋白的添加量 ', 搅拌速度 "' - 装液体积 ', 去除率可达 11. 在最佳工艺条件下 用常规表面活性剂十二烷基苯磺酸钠 :B*: 代替酪蛋白进行对比实验 酪蛋白可以使废水中 " 离子去除率提高. 酪蛋白是一种环境友好型物质 作为绿色生物表面活性剂适用于泡沫分离工艺中 关键词 酪蛋白 十二烷基苯磺酸钠 间歇式泡沫分离法 表面活性剂 " 中图分类号 / 文献标识码 ) 文章编号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铬 " 来源极广 在电镀 鞣革 印染 医药 颜料 有机合成以及金属缓蚀等工业领域广泛应用 " 主要以 " 和 " 形式存在于土壤和水体中 其中 " 具有强氧化性 是一种毒性较大的致畸 致突变剂 是美国 %@) 公认的 1 中重点污染物之一 对环境和人体危害极大 虽然 " 毒性较小 只有 " 的. 不到 但是其对鱼类的危害性更大 因此 去除水体中的 " 尤为重要 目前 去除废水中 " 的常规处理方法有化学沉淀 法 电解法 离子交换法 膜分离法 生物法以及吸附法等 0 而这些方法存在投资大 维修设备复杂 并有二次污染等的缺点 泡沫分离是利用表面活性剂的界面性质产生气泡来吸附待分离物质的一种新型分离技术 0 根据表面吸附的原理 向溶液中加入能产生气泡的表面活性剂 使废水中的金属离子与表面活性剂形成络合沉淀吸附在气泡的表面 随着气泡的不断上浮至溶液主体上方 形成泡沫层 排出泡沫 从而达到 基金项目 镇江市科技支撑计划 社会发展 :2 江苏省博士后基金资助项目 收稿日期 - - 修订日期 - - 作者简介 陈志刚 1 男 博士 教授 研究方向 环境污染防治及水处理技术 %0'# > ' 通讯联系人 %0'# #8> '

2 环境工程学报第 卷 净化液相主体的目的 泡沫分离具有过程操作简单 投资小 能耗低 无二次污染 处理对象广及处理效果显著等优点 目前 泡沫分离法在处理废水中的重金属离子方面 所添加的表面活性剂有十二烷基硫酸钠 :B: 十二烷基苯磺酸钠 :B*: 十六烷基三甲基氯化铵 ) 和烷基糖苷 )@ 等 它们均属于化学表面活性剂 此类表面活性剂制备复杂 有刺激性 有二次污染以及难回收等缺点 大量使用会造成严重的生态破坏和环境污染 酪蛋白是一种无臭 无味的白色至黄色粉末物质 是哺乳动物的乳蛋白的最主要成分 占牛奶中蛋白质含量的.?. 人奶中蛋白质含量的.?. 具有很高且丰富的营养价值 01 目前 酪蛋白广泛用于造纸 皮革及木材等工业的粘合剂 涂层 塑料 食品添加剂 微生物的培养基等 但在水处理领域却未见涉及 酪蛋白常用等电点沉淀法制备 将新鲜牛奶 或羊奶 脱脂 加酸 乳酸 乙酸 盐酸或硫酸 将 2 调至? 或 使干酪素微胶粒失去电荷而凝固沉淀 即可得到所需要的酪蛋白 具有制备过程简单 技术成熟 原料绿色 来源丰富 无毒无害的优点 0 酪蛋白属于生物表面活性剂 是一种天然可再生资源 其性质温和 安全 高效 易生物降解 是一种绿色的生物表面活性剂 0 目前 关于泡沫分离的研究集中在去除低浓度的 " 离子废水 而本研究选用酪蛋白这一绿色生物表面活性剂作起泡剂 对高浓度的 " 离子废水进行泡沫分离实验 通过控制 2 值 空气流量 酪蛋白的添加量 搅拌速度以及装液体积等工艺参数 确定最佳工艺条件 为泡沫分离去除废水中高浓度 " 的工业应用提供实验依据和技术支撑 同时为拓宽酪蛋白在水处理领域的应用奠定基础 实验部分 装置和方法本实验采用的装置如图 所示 泡沫分离装置为内径 ' 高 ' 容积为, 的有机玻璃柱 实验采用间歇式泡沫分离法处理 先将配制好的高浓度的 " 离子废水加稀硫酸和氢氧化钠溶液调节 2 然后加入酪蛋白溶液均匀搅拌 最后注入分离柱内 调节空气流量 通过底部曝气产生气泡 图 实验装置图 4 % " ' ## #"#!$"$#' $"# # 在液面上方形成的泡沫层通过泡沫收集器收集 达到净化废水的目的, 材料和仪器 实验用水 含 " 废水采用硫酸钾铬配制 初始浓度均为 ', - 试剂和仪器 试剂 硫酸钾铬 酪蛋白 配制成, - 稀硫酸 氢氧化钠溶液 :B*: 仪器 原子吸收分光光度计 北京普析通用仪有限责任公司 电子天平 诸暨市超泽衡器设备有限公司 2 计 杭州奥立龙仪器有限公司 电热恒温鼓风干燥箱 上海齐欣科学仪器有限公司 ) 系列电磁式空气泵 浙江森森实业有限公司 B 0 增力电工搅拌器 金坛市大地自动化仪器厂 离心机 金坛市科析仪器有限公司 超声波清洗机 深圳市洁康超声波清洗机有限公司. 性能参数 去除率 指在一定条件下 气泡对待分离物质能力的定量量度 计算公式如下 ( 1 式中 ( 表示去除率. 为废水中 " 离子的初始浓度 ', - 为废水中 " 离子的残夜浓度 ', -, 结果与讨论, 单因素实验 2 对分离效果的影响 2 是泡沫分离的一个重要的影响因素 它不仅影响溶液中 " 离子的存在形态 也会对表面活性剂酪蛋白的表面活性产生影响 0 进而对分离效果产生影响 考虑到能使溶液中 " 离子最

3 第 期 陈志刚等 泡沫分离法去除废水中的 " 离子 大程度 4 地形成 " 2 沉淀 将 2 控制在? 的范围内 实验条件为 " 离子的初始浓度为 ', - 装液体积为 ', 空气流量为, ' -, - 酪蛋白溶液的添加量为 ', 搅拌速度为 "' - 实验结果如图 所示 图 空气流量对分离效果的影响随时间的变化曲线 4 %$ $ #$ #"# # #8 7 &#"7 ' # #!"& 图 2 对分离效果的影响 4 %$ $ 2 #"# # #8 7 由图 可知 在碱性条件下 " 离子的去除率均随时间的增加而增大 最后趋于稳定 且在 2E 和 2E1 时 去除率达到 11. 这与铬 离子本身的性质有关 在 2 为? 的范围内 " 2 沉淀大量产生 有利于废水中的 " 离子以氢氧化铬沉淀的形式吸附于泡沫表面 通过不断地向溶液中鼓入空气 氢氧化铬随着泡沫一起排出 空气流量对分离效果的影响表面活性剂在无外界干扰的情况下会稳定存在 不会自行产生气泡 实验需要将压缩的空气通过底部曝气装置鼓入溶液中 而气体的鼓入量将会直接影响表面活性剂酪蛋白泡沫的产生量 气泡的大小以及泡沫在溶液中的停留时间 将空气流量控制在?, ' - 的范围内 实验条件为 " 离子的初始浓度为 ', - 装液体积为 ', 2E, - 酪蛋白溶液的添加量为 ', 搅拌速度为 "' - 实验结果如图 所示 从图 可以看出 随着气流量的增加 " 离子的去除率呈现先上升后下降的趋势 这是由于在空气流量较低时 酪蛋白产生的泡沫数量少 不集中 泡沫层稀松 不稳定 导致 " 离子的去除效果差 随着气流量的增加 气泡增多 泡沫层稳定 吸附作用的表面积增加 大量 " 2 附着于泡沫表面 " 离子得到有效去除 数据显示 当气流量 为, ' - 时 铬 离子去除率可达到 11. 气流量过大时 气泡在溶液中停留时间短 两相接触传质不充分 一方面 " 2 不能被及时带出液相 另一方面泡沫层含水率高 富集率下降 使得去除率下降 酪蛋白添加量对分离效果的影响泡沫分离去除废水中金属离子时 金属离子本身不具有表面活性 需要外加试剂 表面活性剂是一种起着起泡剂和捕集剂双重作用的重要的媒介 可以明显降低水的表面张力 提高去除效果 本实验选用绿色环保的生物表面活性剂酪蛋白作为起泡剂 酪蛋白的添加量对 " 离子的去处效果有重要影响 将酪蛋白的添加量控制在? ', 的范围内 实验条件为 " 离子的初始浓度为 ', - 装液体积为 ', 2E 空气流量为,' - 搅拌速度为 "' - 实验结果如图 所示 图 酪蛋白的添加量对分离效果的影响随时间的变化曲线 4 %$ $ # #"#

4 环境工程学报第 卷 从图 可以看出 当酪蛋白的添加量为 ', 时 " 离子有最佳去处理效率 11. 当酪蛋白添加量较少时 不能产生足够的气泡量 且产生 装液体积对分离效果的影响装液体积也即液面高度会直接影响泡沫在液相中的停留时间 气 0 液两相的接触时间和泡沫的高 的气泡容易破裂 使已捕集到的 " 离子重新回 度 将装液体积控制在? ', 范围内 流至溶液中 影响去除效果 若酪蛋白投加量过多 会使产生的气泡细小 气泡量多且密实 不易消泡 泡沫携水量多 降低富集效果 多余的泡沫也会造成酪蛋白投加量的浪费 实验条件为 " 离子的初始浓度为 ', - 装液体积为 ',, - 酪蛋白溶液的添加量为 ', 2 E 空气流量为, ' - 实验结果如图 所示 搅拌速度对分离效果的影响 当一定量的酪蛋白溶液投加到废水中时 需要 通过搅拌使溶液混合均匀 搅拌速度会影响 " 离子与酪蛋白分子之间的相互作用力以及溶液的表 面张力 也会影响酪蛋白的存在状态 本实验设定搅 拌时间为 ' 在时间一定的情况下 搅拌速度决 定了溶液的混合充分程度 将搅拌速度控制在? "' - 的范围内 实验条件为 " 离 子的初始浓度为 ', - 装液体积为 ',, - 酪蛋白溶液的添加量为 ', 2 E 空气流量为, ' - 实验结果如图 图 装液体积对分离效果的影响随时间的变化曲线 4 %$ $$! 9 &!' #"# 所示 从图 可以看到 装液体积的不同对 " 离 子的去除效果有很大差异 当装液体积为 ', 时 " 离子的去除率为. 当装液体积为 ', 时 " 离子的去除率为 11. 装 液体积较少时 液面高度低 产生的气泡在液相中的 停留时间短 气相和液相相互接触时间不足 使 " 离子不能有效被吸附 此时泡沫层高度会持 续增加 产生的泡沫不能得到及时收集 气泡破裂后 回流到液相中 最终导致大量的 " 离子仍停留 图 搅拌速度对分离效果的影响随时间的变化曲线 4 %$ $ " 9 #"# 在液相中 装液体积较多时 液面高度高 虽然延长了气泡在溶液中的停留时间 气 0 液两相接触也够充分 但是泡沫层的停留时间不足 来不及消泡富集就 已排出 使得溶液的大量水分流失 " 离子的 图 直观地表明了搅拌速度对去除效果的显著影响 可以看到泡沫分离对 " 离子的去除率都 富集率降低 装液体积的多少也决定着泡沫分离装置是否被充分利用 在 1. 以上 当搅拌速度为 " ' - 时 ",, 正交实验 离子的去除效果最好 出水浓度为 ', - 搅拌速度较低时 酪蛋白溶液与 " 离子溶液混合不匀 分子间作用力小 影响酪蛋白的表面活性 搅拌速度过大时 会因为空气的融入产生大量的气泡漂浮于溶液的表面 而这些预先漂浮的泡沫层在实验刚开始时候就会被后续产生的泡沫直接推出分离柱 进而影响酪蛋白在废水中浓度 单因素确定了 2 值 空气流量 酪蛋白的添加量 搅拌速度和装液体积对 " 离子去除效果的影响 为探究各因素间交互作用对去除效果的影响 设计了 因素 水平正交实验 见表 确定最佳工艺条件 正交实验结果可知 因素的极差大小顺序为 1 1 即 因

5 第 期 陈志刚等 泡沫分离法去除废水中的 " 离子 素对模拟废水中 " 离子去除率的影响程度依次为气流量 搅拌速度 2 装液体积 酪蛋白添加量 最终确定 当 " 离子初始浓度为 ', - 处理时间为 时 模拟废水中 " 离子去除效果最好时的工艺条件为 2E1 空气流量,' - 浓度为, - 的酪蛋白的添加量 ', 搅拌速度 "' - 装液体积 ', 去除率可达 11. 表 因素与水平 * # " 5 因素 水平气流量 酪蛋白添搅拌速度 装液体积 2,' - 加量 ', "' - ', 1 1,. 对比实验为了比较酪蛋白与常规表面活性剂对高浓度 " 离子的去除效果 现选定常用表面活性剂十二烷基苯磺酸钠 :B*: 代替酪蛋白在上述最佳工艺条件下进行实验 结果如图 所示 :B*: 略好 提高了. 这与酪蛋白本身的性质有密切的关系. 结 论 单因素实验结果表明 在设定的变化范围内 2 值 空气流量 酪蛋白的添加量和搅拌速度这 个因素对 " 离子去除率均出现先增大后减小的变化趋势 在中间有最佳去除效果 去除效果最好时的条件分别为 2E 和 2E1 空气流量为,' - 酪蛋白的添加量为 ', 搅拌速度为 "' - 装液体积对 " 离子去除率出现了先减小后增大的变化趋势 去除效果最好时的装液体积为 ', 通过正交优化实验确定了 个因素的影响程度依次为气流量 搅拌速度 2 装液体积 酪蛋白添加量 当 " 离子初始浓度为 ', - 处理时间为 时 最佳分离工艺条件为 2 E1 空气流量,' -, - 的酪蛋白的添加量 ', 搅拌速度 "' - 装液体积 ', 去除率可达 11. 可直接达标排放 从处理高浓度的 " 离子废水方面来说 酪蛋白的处理效果要比 :B*: 好 在相同工艺条件下 酪蛋白对废水中铬 离子的去除率为 11. 而 :B*: 对废水中铬 离子的去除率为 1. 从添加的表面活性剂本身的性质来说 :B*: 作为化学表面活性剂 从制备 产品 应用 每一环节都会产生二次污染 而酪蛋白属于生物表面活性剂 是天然的 可再生的资源 作为一种营养物质 亦可生物降解 是一种安全 高效 新型的绿色表面活性剂 具有广阔的发展前景 参考文献 图 表面活性剂的种类对去除效果的影响随时间的变化曲线 4 %$ $ 7 $!"$# # #"# 通过图 的曲线得知 添加不同的表面活性剂 :B*: 和酪蛋白 " 离子有不同的去除率 分别为 1. 和 11. " 离子出水浓度分别为 1 ', - 和 ', - 这说明 在处理高浓度的 " 离子废水中 酪蛋白的去除效果比 B3 ),3 B 25( +3; )<*%;% N) ' #"!97$ # # 9 # "7 " 09 & '"8#9 # &# 9 #"8 # "'!' 5 "8 ' #% "!" #,4 4 0 徐衍忠 秦绪娜 刘祥红 等 铬污染及其生态效应 环境科学与技术,44, : 01 /3 # A5 /! #,53 / # #!97 $ "'!'! # 9 #$ % & " ' # : 7,44, : 01 周青龄 桂双林 吴菲 含铬废水处理技术现状及展望 能源研究与管理,4 4 10

6 环境工程学报第 卷 +2 3A 35:!# <3 4! "!# # 9 " " "#$ $" " 5 0 # # # " "# ' % " 7 #" # 9 (# # ', 邓小红 宋仲容 电镀含铬废水处理技术研究现状与发展趋势 重庆文理学院学报 自然科学版,44 0 B% / # : + "#"!#0 # 9 9& ' " 9 $ "# ' $ " # "'!'0 # # # "!" #$ &" 7$)" # 9 : #!"#: %9,44 0 李志洲 间歇式泡沫分离法去除废水中 " 的研究 工业水处理,4 0,5+! '&#$ "'!' $"' # "87 8# 0 7 $#' #"# 5 9! " #<# " "# ',4 0 (2:3 ( # '&# $!@8 # $#' $"# # # 9 # # " $"' #' # 9 9! " #! # 8"70 9" &9 # ) ' #"# &$ & #' ' ", 曾庆坤 杨炳壮 任发政 等 水牛乳蛋白质的组成 中国乳品工业,44 0 +% A! ) *!# % 4# ' $8! $#' #B# "75 9! "7,44 0 王秋韫 庞广昌 陈庆森 牛乳酪蛋白来源的生物活性肽 天津商学院学报,44 01 <) # 2% A * 0 # & 9$"' ' #!" #$ # 3 &"0 7$ ''", 唐萍 田晶 佘振宝 等 奶制品中蛋白质测定的毛细管电泳法研究 分析科学学报,44 0 5) :2%+ 8# #B "' # $' " 87 # #"7 " "!" #$) #0 7 #:,44 0 张兰威 乳与乳制品工艺学 北京 中国农业出版社,44 杨同香 陈俊亮 吴孔阳 等 水牛奶酪蛋白胶束结构的 荧光光谱研究 食品科学,4 / 0 ) # 2%! # <3 ; 7# # : "!!"$ # ' $"' 8! $#' 9 "' 9 87 $!" " 749 :,4 / 0 武莹浣 牛乳中乳脂 酪蛋白和乳糖的分离鉴定 大众 科技,4 4 0 <3!# "#'7 #"# # 9 9 $ # $ # # 9 # 7,4 4 0 宋宏新 张歌 李红心 等 牛羊乳酪蛋白制备及电泳分 析比较 中国酿造,4, 0 : 2 +2),52 #@" #"#0 # 9 " " # #7 $ # # 9 # ' #*",4, 0 :3+3;5 () 3 )() '&#$! #!# # 9 $#' #"#!!"$# 0# 0 & " <# " #",44, 刘俊莉 马建中 鲍艳 绿色表面活性剂的研究进展 皮 革科学与工程,4 4 0,53! () # *) # #" # 9 9&0 ' $ "!"$# #,# ": # 9 % 0 ",4 4 0 <) < 3%2 3) A) " '#"7!97 #"0 #!" $ # $7 7'$"'! $#' #"# ' 9* 7 * # %6! ',44 0 魏宣彪 刘桂敏 吴兆亮 等 2 对酪蛋白 十二烷基硫 酸钠体系泡沫性能及泡沫分离酪蛋白的影响 高校化学工程学报, <%5/!# 8 #,53! ' <3 + # # # $ $ 2 $#' " " $ # 9!' 99 7!$# 7 '# 9 $#' #"# $ #!" #$ ' #% " $ 3 &", 唐金库 泡沫稳定性影响因素及性能评价技术综述 舰 船防化,44 0 )! & $! $# "# 9 '#!"0 ' 6!$$#' #8 7 ' #B$ :,44 0

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