脂进行表面改性, 并用其处理模拟乳化油废水. 通 过 Washburn 法测量其改性前后的润湿性差别, 探讨 阳离子表面活性剂对苯乙烯树脂润湿性和对废水处
理效果的影响, 进一步研究粗粒化材料的润湿性与 处理效果的关系, 以期为筛选合适的粗粒化材料提 供理论依据.
第 5期
周彦波等: 阳离子表面活性剂改性树脂润湿和除油性能研究
其斜率( K ) 为:
K = cos
( 2)
从而可得润湿接触角( ) :
= arccos( K )
( 3)
式中, 和 均可从相关手册查得. 而与颗粒本身 性质有关的参数 , 由于颗粒的粒径、形状系数差别 较大及填充造成的孔隙率不同, 实际上很难确定, 导 致准确测定润湿接触角很困难. 因此, 分别采用去 离子水和正己烷作为润湿液体, 通过润湿产生的压 差( P) 来考察改性前后树脂颗粒的相对润湿能力, 反映其亲水、亲油性能的变化.
用红外光谱仪测定样品的红外光谱, KBr 压片, 扫描范围为 350~ 4 000 cm- 1. 先将待测样品 R - H 和 R- CTAB 抽滤后自然干燥 1 h, 用综合热分析仪
测量样品热失重, 氮气气氛, 升温速率为 10 min, 反应温度为 50~ 800 . 废水 ( 油) 采用紫外 可见 分光光度计( 尤尼柯 UV- 2100 型) 测定; 浊度使用 浊度仪( 美国 Orion AQ2010 型) 测定.
填充床中的气体所引起压差( P ) 的平方是时间 t
的函数:
( P) 2 = cos t
( 1)
式中, P 为某一时刻管内压力的变化值; 为与颗 粒本身性质有关的参数; 为液体的表面张力; 为
液体黏度; 为润湿接触角; t 为液体渗入毛细管的
时间. 将( P ) 2 与 t 作图, 得到一条近似的线性直线,
改性前后的样品 R- H 和 R- CTAB 在相同的 升温速率 下的热失 重曲线如 图 1 所 示. 从图 1 可 见, R- H 和 R- CTAB 随着温度的升高而发生失重.
JK006 型阳离子交换树脂先经过预处理转化成 H 型( R- H) , 用去离子水洗至中性. 将 CTAB 和树 脂按一定比例加入具塞磨口烧瓶中, 在恒温水浴中 60 下反应 5 h, 通过 CTAB 阳离子与树脂磺酸基上 氢离子的交换反应, 将季铵盐基团接枝到树脂颗粒 上. 反应结束 后, 冷 却至室温, 用去 离子水洗 涤干 净, 得到改性树脂( R- CTAB) . CTAB 改性树脂的反 应方程式见下式:
废水. 采用热失重法( TG) 对改性前后的树脂进行 热稳定性分析, 并用 Washburn 压差法 研究了水 和正己 烷在改 性树脂 表面上
的润湿压差. 结果表明, 经过 CTAB 改性的 树脂颗粒( R- CTAB) 比未改性树脂( R- H) 吸水量少且失水 更加迅速, 疏水性 增强,
在200 时, R- CTAB 比 R- H 的失重低 9 40% . 润湿性试验表明, 经过 CTAB 改性后 树脂的水的 润湿性降低 , 正己 烷的润湿
3 结果与讨论
3. 1 改性前后样品的红外光谱分析
12
环境科学研究
第 21 卷
改性树脂的制备是利用季铵盐阳离子取代树脂
磺酸基团上的氢离子. 通过红外谱图( 图略) 对比发 现, 经 CTAB 改性后的树脂在2 854 cm- 1处出现了由 烷基的对称 伸缩 振动引 起的特 征吸收 峰, 在2 925 cm- 1 处出现了由烷基的不对称伸 缩振动引起的特 征吸收峰, 这些与未改性的树脂基本相似. 典型的 差异是改性后的树脂在1 473 cm- 1处出现了由季铵 基团烷基 C H 键弯曲变 形振动引起的 特征吸收 峰, 表 明 在 改 性 过 程 中 十 六 烷 基 三 甲 基 溴 化 铵 ( CTAB) 确实被接枝到了树脂上. 3. 2 改性树脂的热失重分析
2 试验
2. 1 试剂与仪器 十六烷基三甲基溴化铵( CTAB) , 分析纯; 正己
烷, 分析纯; JK006 型阳离子树脂( 上海华震科技有 限公司 ) . HHS - 4 型 电热 恒 温水 浴锅; 电 子天 平 (MP5002 型) ; 傅立 叶红 外光 谱仪 ( 美 国热 电集 团 Nicolet 5700 ) ; 综 合 热 分 析 仪 ( Labsys STA, 法 国 SETARAM 公司) ; 粉体接触角测量仪 ( JA99A, 上海 中晨数字技术设备公司) ; 紫外 可见分光光度计( 尤 尼柯 UV- 2100 型) ; 浊度仪( 美国 Orion AQ2010 型) . 2. 2 树脂改性反应
性提高, 改性树脂的表面润湿性能得以改变, 疏水性更突出. 处理含乳化油废水的试验表明, 改性后树脂对油 和浊度的去除率
分别高于未改性树脂 6 3% 和 9 5% .
关键词: 十六烷基三甲基溴化铵; 改性树脂; 热失重; 润湿性
中图分类号: X703
文献标志码: A
文章编号: 1001- 6929( 2008) 05- 0010- 04
石油化工、机械加工、食品和金属冶炼等行业每 年都会产生大量的含油废水[ 1 2] . 含油废水本身对 水生动植物和微生物有毒害[3] , 此外还在水面形成 油膜覆盖层, 削弱了水体自净功能. 目前国内外常 用的处理方法有气浮法、絮凝法、膜法、吸附法及生 物法等[4 9] , 这些方法存在能耗高、操作条件苛刻等 不足. 含油废水由于其成分复杂及含表面活性剂等 原因, 非常难处理. 因此迫切需要对传统工艺进行 革新, 开发一种可以高效破乳并使含油废水资源化
传感器测量因润湿液体在颗粒填充床毛细孔中上升
引起的气体压力变化, 来反映润湿液体的上升高度, 而且从压力考虑, 由于其变化较大, 误差较小, 比
仅从液体上升的高度上考虑能更加灵敏地反映出树
脂的润湿性变化. 根据 Washburn 方程, 液体由于毛细作用渗入半
径为 r 的颗粒毛细管中, 液体渗透过程中压缩颗粒
第 21 卷 第 5 期
环境科学研究 Research of Environmental Sciences
Vol. 21, No. 5, 2008
阳离子表面活性剂改性树脂润湿和除油性能研究
周彦波, 胡晓蒙, 鲁 军*
华东理工大学 资源与环境工程学院, 上海 200237
摘要: 以十 六烷基三甲基溴化铵( CTAB) 对苯乙烯离子交换树脂进行改性, 制备 CTAB 改性树脂, 并用改 性树脂处理 含乳化油
用粉体接触角测量仪测量样品的润湿压差, 水 和正己烷作为润湿液体, 树脂装样量1 500 0 g, 床高 6 cm, 装样时不断振打, 以保证每次试验时床 的高 度、密度尽量相同, 如果填料 床密度偏差超过 1% , 应重新装样. 测量时间为 0~ 1 200 s, 室温 20 下 进行, 每个样品的润湿试验均进行 6 次.
收稿日期: 2007- 12- 29
修订日期: 2008- 01- 16
基金项目: 国家自然 科学基 金项 目( 50578170) ; 上海市 重点学 科资
助项目( B506)
作者简介: 周 彦 波 ( 1982 - ) , 男, 内 蒙 古 赤 峰 人, 博 士 研 究 生,
yanbo- zhou@ yahoo. com. cn. * 责任作者, 鲁军( 1949- ) , 男, 上海人, 教授, 博士生导 师, 主要研究
Wettability and Oil Removal Performance of Modified Resin by Cationic Surfactant
ZHOU Yan bo, HU Xiao meng, LU Jun
College of Resource & Environmental Engineering , East China University of Science & Technology, Shanghai 200237, China
方向为环境工程, lujun@ ecust. edu. cn
利用的技术. 许多研究者都尝试对传统废水处理材 料进行改性[ 10 12] . 国内外对表面活性剂改性无机材 料如有机膨润土的研究已开展了多年, 但鲜有学者 采用表面活 性剂 对离子 交换树 脂进 行改 性研 究. Roques 等[ 13] 用十六烷基氯化吡啶对一类苯乙烯树 脂进行改性, 发现改性树脂与未改性的树脂相比能 提高粗粒化材料油水分离效率; 改性材料对乳化油 的去除效果在很大程 度上取决于材料本身的 润湿 性, 其主 要影响油水分 离效率及材料 的再生[ 14 15] . 鉴于此, 笔者在进行了表面活性剂的前期初选后, 采 用十六烷基三甲基溴化铵对苯乙烯类阳离子交换树
( 4)
2. 3 废水处理试验 配制模拟乳化油废水, 将十二烷基苯磺酸钠溶
入柴油, 加一定量的水, 用高速搅拌器搅拌 5 min, 转 速为4 000 r min. w ( 乳化剂) 为 0 1% . 分别将一定 体积的 R- H 和 R- CTAB 填入直径为 1 5 cm 的玻 璃柱, 装填过程中不停搅动以排掉气泡使床层密实. 乳化油废水由蠕动泵从下至上通过树脂床层. 取同 一时刻的进水和出水水样, 测定 ( 油) 和浊度. 2. 4 分析测试
11
1 理论
接触角是反映物质与液体润湿性关系的重要尺
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
度. Washburn 法通过测量液体渗入颗粒填充床中的
毛细孔的高度来计算液体在固体颗粒上的接触角. YANG 等[16] 验证了 Washburn 方程用于粒径为0 45~ 0 90 mm 的水处理滤料表面润湿性研究的可行性.
笔者研究的树脂也属于上述粒径范围. 通过用压力
Abstract: A modified resin was prepared by immobilization of cetyltrimethyl ammonium bromide ( CTAB) and polystyrene resin and then used to treat emulsified oily wastewater.Thermal stability and wettability of the modified resin ( R CTAB) and un modified resin ( R H) were studied by TG analysis and Washburn capillary pressure method, respectively. Water and hexane were used as wetting liquid for capillary pressure measurement. The TG results showed that the R CTAB adsorbed less water and lost water faster than the R H. The weight loss of R CTAB was lower than R H by 9. 40% at 200 which indicated that R CTAB is more lipophilic. The wettability results indicated that R CTAB wetting ability for hexane is increasing while water wetting ability is decreasing. The R CTAB could remove more emulsified oil than R H, and the oil removal efficiency and turbidity removal efficiency of R CTAB are respectively 6 3% and 9 5% higher than that of R H. Key words: cetyltrimethyl ammonium bromide ( CTAB) ; modified resin; TG; wettability