海藻酸鈣納濾膜的制備及對甲基橙的截留研究

魏廣, 單鳳君, 孔祥玉

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海藻酸鈣納濾膜的制備及對甲基橙的截留研究

魏廣, 單鳳君, 孔祥玉

（遼寧工業(yè)大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

印染廢水一直以排放量大、處理難度高而成為廢水治理工藝研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文采用海藻酸鈣納濾膜對模擬印染廢水中的甲基橙進(jìn)行截留研究。以截留性能為指標(biāo)，通過單因素實(shí)驗(yàn)研究海藻酸鈣納濾膜的制備條件和制備工藝，并對海藻酸鈣納濾膜進(jìn)行了表征。結(jié)果表明，海藻酸鈉濃度、尿素濃度和氯化鈣濃度顯著影響海藻酸鈣納濾膜對模擬廢水中甲基橙的截留性能。

海藻酸鈣納濾膜；模擬印染廢水；截留性能

紡織印染廢水具有水量大、成分復(fù)雜多變、色度大、COD高、毒性強(qiáng)等特點(diǎn)，屬于難處理的工業(yè)廢水之一[1]。吸附、催化氧化和膜技術(shù)等方法由于其均具有對印染廢水脫色效率高、處理效果好等優(yōu)點(diǎn)，在對印染廢水進(jìn)行深度處理方面越來越受到關(guān)注[2]，尤其膜技術(shù)因其高效、能耗低和投資成本小等優(yōu)點(diǎn)，在水處理方面得到了廣泛應(yīng)用[3]，但是，膜污染加速了膜在使用過程中的通量衰減，嚴(yán)重限制了膜行業(yè)的發(fā)展。海藻酸鈉(SA)作為一種水溶性碳水化合物具有可塑性、無毒性、生物相容性、及生物降解性等優(yōu)點(diǎn)[4]。SA與鈣離子結(jié)合形成的海藻酸鈣(CA)具有良好的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和可降解性的納濾膜，本文重點(diǎn)研究納濾膜的制備條件對模擬印染廢水中甲基橙的截留性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)儀器

主要試劑：海藻酸鈉、尿素、氯化鈣、甲基橙。

主要儀器：721型可見分光光度計(jì)(上海儀電分析儀器有限公司)； SHZ-D型循環(huán)水式真空泵（上海羌強(qiáng)實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司）；78-1型磁力加熱攪拌器（江蘇金壇城東光芒儀器廠）； TENSOR 27型紅外光譜儀（德國Bruker）。

1.2 CA納濾膜制備

首先，將一定量的海藻酸鈉和尿素在磁力攪拌下溶解于20 mL去離子水中配成鑄膜液。然后，將鑄膜液倒在干凈的玻璃板上，用直徑為0.40 mm銅絲纏繞的玻璃棒刮膜后，將玻璃板及膜放置在一定濃度氯化鈣溶液中交聯(lián)一段時(shí)間。最后，用去離子水清洗膜以去除殘留的尿素，得到海藻酸鈣鈉濾膜并保存在1%氯化鈣溶液中備用。

1.3 甲基橙截留實(shí)驗(yàn)

將制備好的納濾膜平鋪在布氏漏斗中，注入一定濃度的50 mL甲基橙進(jìn)行抽濾，然后，采用分光光度法測定抽濾前后的甲基橙溶液的吸光度，計(jì)算截留率。

1.4 CA納濾膜的表征

采用掃描電子顯微鏡(SEM)，加速電壓為10 kV對樣品進(jìn)行形貌測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 CA納濾膜制備條件對甲基橙截留率的影響

2.1.1 海藻酸鈉濃度的影響

由圖1可知，當(dāng)SA濃度≤25.5 g/L時(shí)，隨著SA濃度的增加，甲基橙去除率逐漸增加，當(dāng)SA濃度為25.5 g/L時(shí)，甲基橙的截留率達(dá)到23.87%。

圖1 海藻酸鈉濃度對甲基橙去除率的影響

當(dāng)SA濃度>25.5 g/L時(shí)，隨著SA濃度的增加，對甲基橙的截留率迅速降低。分析認(rèn)為，當(dāng)SA濃度較低時(shí)，CA納濾膜較薄，膜通量較大，截留率較低。當(dāng)SA增大到一定濃度時(shí)，CA納濾膜的結(jié)構(gòu)越來越致密且膜的通量降低，改變了連通孔的形狀，連通孔發(fā)生了形變，孔的大小發(fā)生了變化，從而導(dǎo)致CA納濾膜的通量發(fā)生變化致使甲基橙的截留率降低。

2.1.2 尿素濃度的影響

由圖2所示，當(dāng)尿素濃度≤15.5 g/L時(shí)，隨著尿素濃度的增加，CA納濾膜對甲基橙的截留率逐漸增加，當(dāng)尿素濃度為15.5 g/L時(shí)，甲基橙的截留率達(dá)到11.02 %。當(dāng)尿素濃度>15.5 g/L時(shí)，隨著尿素濃度的增加，甲基橙的截留率迅速降低。分析認(rèn)為，當(dāng)尿素增大到一定濃度時(shí)，會(huì)增加膜孔隙率，但降低了CA納濾膜的強(qiáng)度和疏水性，使CA納濾膜的膜通量發(fā)生變化致使甲基橙的截留率降低。

圖2 尿素濃度對甲基橙去除率的影響

2.1.3 氯化鈣濃度的影響

由圖3所示，當(dāng)氯化鈣濃度≤25 g/L時(shí)，隨著綠化濃度的增加，甲基橙去除率先下降后上升，當(dāng)氯化鈣濃度為25 g/L時(shí)，海藻酸鈣納濾膜對甲基橙的去除率達(dá)到20.45 %。

圖3 氯化鈣濃度對甲基橙去除率的影響

而當(dāng)氯化鈣濃度>25 g/L時(shí)，隨著氯化鈣濃度的增加，海藻酸鈣納濾膜對甲基橙的去除率迅速降低。

2.1.4 交聯(lián)時(shí)間的影響

由圖4所示，當(dāng)交聯(lián)時(shí)間≤12 h時(shí)，隨著交聯(lián)時(shí)間的增加，甲基橙去除率逐漸先下降后上升，當(dāng)交聯(lián)時(shí)間為12 h時(shí)，海藻酸鈣納濾膜對甲基橙的去除率達(dá)到28.69 %。而當(dāng)交聯(lián)時(shí)間>12 h時(shí)，隨著交聯(lián)時(shí)間的增加，海藻酸鈣納濾膜對甲基橙的去除率迅速降低。

圖4 交聯(lián)時(shí)間對甲基橙去除率的影響

2.2 CA納濾膜SEM分析

圖5為海藻酸鈣納濾膜數(shù)碼以及SEM圖片從圖5(a)可以看出，CA納濾膜表面呈現(xiàn)白色半透明、均勻一致，膜厚約為0.21~0.35 mm，膜表面具有大量肉眼可見微孔。從圖5(b)可以看到，膜表面出現(xiàn)很多褶皺，由于制樣過程中水分的蒸發(fā)使微孔收縮，微孔已明顯縮小。

圖5 CA納濾膜的形貌圖

(a) 數(shù)碼照片；(b) SEM圖

3 結(jié)論

當(dāng)SA濃度25.5 g/L、尿素濃度15.5 g/L、氯化鈣濃度25 g/L、交聯(lián)時(shí)間12 h時(shí)，所制備的CA納濾膜對模擬印染廢水中甲基橙的截留率為28.69%。CA納濾膜是均勻一致，膜表面具有大量肉眼可見微孔且厚度可控。

[1] 岳秀, 唐嘉麗, 于廣平,等.雙氧水協(xié)同生化法強(qiáng)化處理印染廢水[J].環(huán)境科學(xué), 2017, 38 (9): 3769-3780.

[2] 劉晴, 楊蘭, 王東田, 等. 凈水污泥為載體的生物膜法在印染廢水處理中的應(yīng)用[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào), 2017, 11 (1): 188-197.

[3] 張新新. 海藻酸鈣基水凝膠過濾膜制備及其性能研究[D]. 天津: 天津工業(yè)大學(xué), 2016.

[4] 趙清, 常青, 楊金龍, 等. 碳點(diǎn)嫁接海藻酸鈣復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備及其對Cu2+的檢測[J]. 發(fā)光學(xué)報(bào), 2013, 25 (3): 387-392.

Research on Preparation of Calcium Alginate Nanofiltration Membrane and ItsInterception Effect on Methyl Orange

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(School of Chemical and Environmental Engineering, Liaoning University of Technology, Liaoning Jinzhou 121001, China）

Printing and dyeing wastewater has been the focus and difficulty of wastewater treatment field because of its large discharge amount and high treatment difficulty. In this paper, calcium alginate(CA) nanofiltration membrane was prepared by using sodium alginate as monomer and urea as pore-forming agent via cross-linking of CaCl2. The surface morphology and rejection performance to methyl orange of CA nanofiltration were discussed. The interception performance was taken as a index, the preparation conditions and technology of CA nanofiltration membrane were researched by single factor experiments. The results showed that concentrations of sodium alginate, urea and calcium chloride significantly affected the retention effect of methyl orange in simulated wastewater.

calcium alginate nanofiltration membrane; simulated printing and dyeing wastewater; rejection performance

2017-11-20

魏廣（1995-），男，滿族，遼寧省興城市人，研究方向：環(huán)境材料的制備與性能研究。

單鳳君（1971-），女，副教授，博士，研究方向：廢棄物的資源化和環(huán)境材料研究。

遼寧省教育廳大學(xué)生實(shí)踐教育基地建設(shè)項(xiàng)目，項(xiàng)目號(hào)：2015029。

TQ 085

A

1004-0935（2017）12-1156-03