聚合物包覆膜-电渗析耦合体系强化重金属离子迁移及分离性能研究

With the rapid industrialization of human society, the increasing discharge of heavy metal contaminated wastewater becomes a real threat to the environment and public health. Therefore, it is necessary to study novel environmental-friendly and effective materials and approaches for the treatment of heavy metal wastewater. In this project, a coupling system converging the advantages of polymer inclusion membrane (PIM) and electrodialysis (ED) is proposed for intensifying heavy metal ions removal and separation from electroplating wastewater. Various parameters which could affect the transfer and separation of metal ions in the intensification process would be investigated in detail. The mass transfer coefficients and the mass transfer kinetics will be analyzed and verified. The PIM-ED coupling system will be further optimized by the selection of the organic carriers, screen the composition of PIM and design of ED device configurations, etc. The inner mechanism and stability of the coupling system will be also investigated by comparing the change in the composition and physicochemical property of the PIMs before and after metal ions transfer. The results of this project will not only promote the separation and recovery heavy metal ions, but also provide useful information for the separation of other kinds of ions and organic compounds from industrial wastewater.

工业经济的迅速发展导致重金属废水排放日益增多，对环境及人类健康造成严重威胁，因此开发绿色高效的分离材料和方法处理重金属废水具有重要意义。项目提出一种新型聚合物包覆膜-电渗析（PIM-ED）耦合分离技术，将聚合物包覆膜高选择性和高稳定性的特点以及电场对离子传输和分离的增效作用相互结合起来。主要探索耦合体系理化性质对金属离子迁移和分离的影响，研究离子的传输行为及内部机理，推导并验证金属离子在耦合体系中的传质动力学方程。项目将通过研究有机载体性质、聚合物包覆膜材料结构及组成、电渗析器构型与耦合体系传输分离性能的构效关系，优化并确定最佳分离体系。并通过研究反应前后膜相组成和理化性质的变化揭示影响耦合体系传递性能和稳定性的机理。本项目的实施不仅对重金属废水处理提供一条新的途径，并且为该技术将来用于工业废水中其他种类离子和化合物的分离提供理论和实践依据。

本项目提出一种新型聚合物包覆膜-电渗析（PIM-ED）耦合分离技术，将PIM高选择性和高稳定性的特点以及电场对离子传输和分离的增效作用相互结合起来用于重金属离子的混合废水中金属离子的传输与分离中。主要探索耦合体系理化性质对金属离子迁移和分离的影响，研究离子的传输行为及内部机理。通过研究PIM材料结构及组成、电渗析器构型与耦合体系传输分离性能的构效关系，优化并确定最佳分离体系。研究发现（1）不同电流密度会影响Cr(VI)在CTA基PIM的传输机理，当电流密度高于阈值时，其传输机理会由固定位点跃迁机制转变为一种连续通道迁移的机制。在最优条件下，Cr(VI)的渗透系数能达到23.5μm/s，是不加电传输的38倍。后续以PIM-ED体系为基础进行多膜堆传输Cr(VI)实验，结果证明通过增加膜堆数量可以进一步提高体系对Cr(VI)的传输效率。（2）在Zn(II)的传输中发现PIM中载体含量也会影响Zn(II)在膜中的传输机理，只有当膜中载体浓度高于阈值（40wt%）时，膜内充足的载体数量才能保证离子以固定位点跳跃机理传输。在10个循环总计100个小时的使用时间里，系统传输Zn(II)的渗透系数一直保持稳定。（3）通过优化反应构型，运用两步分离法最终可以实现Cr(VI)、Zn(II)、Ni(II)三种金属的100%分离；运用一步分离法，在保证100%的Ni(II)保留在进料液中的同时，95.9%的Cr(VI)和95.2%的Zn(II)被选择性分离去除。本项目的开展将为聚合物包覆膜电渗析耦合技术在重金属及其他离子的高效分离提取的应用提供理论和设计指导，为其将来用于工业废水中其他种类离子和化合物的分离提供理论和实践依据。