通过结合聚酰胺膜过滤和电容去离子工艺的混合方法，高效去除水中的铅（II）

《Journal of the Indian Chemical Society》：Hybrid Approach by Integrating Polyamide Membrane Filtration and Capacitive Deionization Process for High-Efficiency Lead (II) removal from Aqueous Feed

　　

Mahendra S. Gaikwad

印度恰蒂斯加尔邦赖布尔国家技术学院化学工程系，赖布尔 492010

摘要

废水中的铅(II)离子的存在导致了多种环境和健康问题。本研究探讨了使用高压膜搅拌池和电容去离子（CDI）过程实验系统单独或串联结合聚酰胺膜去除铅(II)离子的可行性。通过FTIR和接触角对聚酰胺膜进行了表征。制备了不同浓度（10 mg/L至200 mg/L）的Pb(NO₃)₂水溶液，并使用高压膜搅拌池研究了其去除效果。在1 MPa的压力下，对于10 mg/L的进料浓度，铅(II)离子的最大去除率为93.01%。在CDI单元中，使用活性炭制备了电极，并通过循环伏安法对其进行了表征。为了提高铅(II)的去除效率，将高压膜搅拌池与CDI实验装置串联连接。这种串联连接的方法在10 mg/L的进料浓度下实现了99.81%的去除率。

引言

铅的极端毒性使其成为重要的环境问题。其在多个领域的广泛应用——包括冶炼、电池生产以及曾作为汽油添加剂——导致其从工业和自然来源释放到环境中[1]”。铅暴露对人体健康有严重影响，尤其对儿童造成危害[2]。作为回应，美国环保署（USEPA）规定饮用水中的铅浓度不得超过15 μg/L[3]。铅的毒性很强，即使浓度在0.01至5 mg/L的范围内也会对人体健康产生负面影响[4]。迄今为止，已经采用了多种方法来开发有效且经济可行的处理工艺以提高废水质量。传统的重金属去除方法包括溶剂萃取[5]、离子交换[6,7]、化学沉淀[8]、吸附[9]和金属氧化物[10]以及膜分离[11,12]。

基于先前的研究，聚酰胺膜能有效去除铜[11]、镉[11]、镨(III)[13]和镍[12]等金属离子。因此，在本研究中选择聚酰胺膜来评估其去除水溶液中铅(II)离子的效果。另一种选定的方法是CDI，这是一种低压、低成本且环保的方法，因其具有缓解水资源紧张的潜力而受到广泛关注。CDI不使用化学物质，不产生二次污染物，所需的外部电源仅为1-2 V。CDI是一种有前景的海水淡化技术，可用于生产饮用水[14,15,16]。由于碳基材料具有高比表面积和优异的导电性，因此被认为适用于电极材料。研究人员已成功使用多种碳材料（如活性炭粉末、碳纳米管、碳气凝胶、石墨烯、碳纤维和碳布）开发出高效CDI电极[17,18,19]。膜分离是去除重金属离子的有效方法之一，而CDI在低浓度重金属情况下也表现出低能耗的优势。结合这两种有效方法将有助于提升铅(II)的去除效率。在这项创新研究中，分别使用高压膜搅拌池并与CDI实验系统串联，以探讨利用聚酰胺膜和活性炭电极去除铅离子的可行性。

章节摘录

材料

本研究使用的聚酰胺平板膜购自印度马哈拉施特拉邦纳希克的Aarvi Energy Filtrex & Environmental Solutions Private Limited公司。所有实验用试剂均为分析级。为了制备所需浓度的进料溶液，将硝酸铅[Pb(NO₃)₂溶解在去离子水中。商业化的活性炭、硝酸铅（Sigma-Aldrich Chemicals Pvt Ltd.）和聚乙烯醇。

膜的FTIR分析

通过FTIR分析确定了聚合物膜的功能基团及其拉伸和弯曲振动，如图2所示。FTIR峰的详细信息和描述见表1。

聚酰胺膜的接触角

接触角分析仪（Model phoanl x300，序列号112814p30021）是一种常用的表面润湿性测定技术，可提供有关材料亲水或疏水特性的有用信息。膜片被安装在玻璃上。

结论

本研究探讨了使用高压膜搅拌池单独或与CDI过程实验系统串联结合聚酰胺膜去除铅离子的可行性。与单独使用膜相比，聚酰胺膜与CDI的组合显著提高了铅离子的去除效率。当进料浓度为10 mg/L时，膜本身可去除93.01%的铅；当进料浓度为200 mg/L时，可去除75.89%的铅。

利益冲突声明

作者声明本人没有已知的可能影响本文研究工作的财务利益或个人关系。

利益冲突声明

我提交的手稿题为“通过集成聚酰胺膜过滤和电容去离子过程实现高效去除水中的铅(II)”，希望能在《印度化学会杂志》上发表。

代表所有作者，我声明我们没有已知的可能影响本文研究工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢NIT Raipur的主任提供的研究设施和资金支持（项目编号：NITRR/Seed Grant/2021-22/29）。