分离净化（共3篇）
分离净化 篇1
1 引言
城市河道和小区等景观水体是城市人居环境中重要的组成部分,由于生活污水、雨水及垃圾等原因,导致水体富营养化,造成水体缺氧而呈黑臭状态[1,2]。目前用于河水净化的主要方法是超滤和渗析,但去除有机污染物的能力较差[3],为此决定探索其它改善河水水质方法。
通过实验筛选了各种细菌,对污染河水进行处理,再采用重铬酸钾法、纳试试剂比色法、重量法及稀释倍数法分别对水中的COD、氨氮、悬浮物和色度进行测定,得到处理效果最较好的菌种,
2 材料与方法
材料选用牛肉膏蛋白胨培养基[4],污水检测所用试剂均为分析纯试剂。实验所用水样取自江苏农林职业技术学院南门河,泥样取自学院南门河的淤泥。
2.1 菌种的筛选
将0.5g泥样转入装有4.5mL无菌生理盐水的试管中,混匀后,静止10min,上清液即为10-1稀释液;将0.5mL 10-1稀释液转入装有4.5mL无菌生理盐水的试管中,即为10-2稀释液,以此类推。分别将10-3、10-4、10-53个浓度的稀释液各0.1mL涂布在牛肉膏蛋白胨固体培养基中,放入37℃的恒温培养箱中培养2d。将形态、颜色不同的菌落,分别进行划线分离培养,直至菌种纯化为止。
2.2 菌液的处理
将已纯化好的单菌落接入装有5mL牛肉膏蛋白胨液体培养基的试管中,在37℃,120r/min的摇床上培养2d。将培养好的菌液在4 500r/min条件下离心10min,去上清液,用无菌生理盐水混匀菌体沉淀,再离心。如此反复3次,直至将残留的液体培养基去除。
2.3 水样的处理
在33个250mL三角瓶中,分别装入100mL水样,121℃灭菌20min,冷却后备用。测定污水的COD、氨氮、SS和色度。将处理的10个菌种悬液(OD600nm=1.65)按1%的接种量分别加入上述三角瓶中,每个菌种设3个平行,另设3个对照(不接菌)。所有样品在37℃,120r/min条件下培养5d,取出后,测其COD、氨氮、SS和色度。
2.4 样品测定
2.4.1 COD的测定
采用重铬酸钾法,参照文献,根据公式可得水样中COD含量。
COD(mg·
式中C为硫酸亚铁铵标准滴定溶液的浓度(mol·L-1);V1为空白试验所消耗的硫酸亚铁铵标准滴定溶液的体积(mL);V2为试料测定所消耗的硫酸亚铁铵标准滴定溶液的体积(mL);8为氧(1/2 O)摩尔质量(g·mol-1);V0为试料的体积(mL)。
2.4.2 氨氮的测定
采用纳氏试剂比色法,先绘制标准曲线,再将水样测得的吸光度减去空白实验(以无氨水代替水样)的吸光度,根据标准曲线查得氨氮含量m,根据下式可得水样中氨氮含量。
氨氮(N,mg·L-1)=m×1 000/V。
式中m为由校准曲线查得样品管的氨氮含量(mg);V为水样体积(mL)。
2.4.3 SS的测定
采用重量法,将经蒸馏水洗涤后的滤纸放在干燥的称量瓶中,105℃烘干2h后冷却,称重为A;取50mL混匀的水样,用干燥过的滤纸过滤,用少量蒸馏水冲洗,再放入原称量瓶中,105℃烘干2h后冷却,称重为B,根据下式可得水样中SS含量。
SS(mg·L-1)=(B-A)×1 000×1 000/V。
式中A为滤纸+称量瓶(g);B为滤纸+滤渣+称量瓶(g);V为水样体积(mL)。
2.4.4 色度的测定方法
取每一处理过的水样10mL,置于比色管中,用蒸馏水稀释至50mL;以白色瓷板为背景,由上向下观察稀释后水样的颜色,并与等量蒸馏水相比较,直至澄清度一致,记录稀释倍数[9]。
3 实验结果与分析
3.1 菌种筛选
3.1.1 平板菌落形态
通过划线分离、纯化,共筛选出10种形态各异的菌株,见图1。
3.1.2 形态特征
通过对培养基上菌落形态观察及革兰氏染色,结果见表1。
3.2 COD的测定
由图2可知,与原水样中的COD(197.76mg·L-1)相比较,菌种A、B、D、E、F、G、H、I对污水的降解率均为40%以上,B和I两菌种的处理效果相对较好,尤其菌株B对污水的降解率为48.33%。然而,经过5d培养的对照水样,其COD降解到135.96mg·L-1,水体的自然降解率达31.25%,菌株B与对照相比,其降解率仅为24.84%。
3.3 氨氮的测定
3.3.1 标准曲线
将测得的数据绘制标准曲线见图3。
3.3.2 氨氮的测定结果
经菌种处理后的污水测得吸光度值见表2。
将表2中吸光度带入氨氮标准曲线,得各处理样品试管中的氨氮含量,经计算水样中氨氮的含量见图4。
在自然情况下污水中氨氮值为83.18mg·L-1,对照组培养5d之后,水体中的氨氮量为73.50mg·L-1,降解率为11.64%。菌种B、C、D、F、H对污水的处理能力相对较强,尤以菌种F处理效果最佳,经菌种F处理后,水体中氨氮的含量为28.24mg·L-1,与原水样相比,其降解率达66.05%,与对照相比,其降解率为61.58%。
3.4 SS的测定
如图5所示,10种细菌对污水处理5d后,菌种D和I所产生的悬浮物较多。经培养,在接菌种D的三角瓶中可发现明显的絮凝及团状悬浮物,经烘干称重,计算出SS的重量为204mg·L-1;接菌种I的污水中,SS的重量为198mg·L-1,与对照组的SS重量(114mg·L-1)相比,悬浮物分别增加了78.95%和73.68%。
3.5 色度的测定
由表3可知,样品处理前后没有一定的规律可循,有的菌体使水体色度增加,可能是由于加入菌体后使水体中的悬浮物增加导致的。但从实验结果可以看出,菌株D对水体色度处理效果相对比较好,处理后只需稀释40倍即可。
4 结语
通过分离纯化,筛选出10种细菌A～J,采用重铬酸盐氧化法、纳氏试剂比色法、过滤和稀释倍数法,对污水的COD,氨氮,悬浮物和色度进行了测定和分析。污水经过菌株B处理之后,COD由135.96 mg·L-1降低到102.176mg·L-1,降解率为24.84%;经过菌株F处理,氨氮值由73.50mg·L-1降解到28.24mg·L-1,降解率达61.58%;经菌株D和I处理后,所测水体的悬浮物的质量分别为204mg·L-1、198mg·L-1,悬浮物分别增加了78.95%和73.68%;菌株D对色度的处理效果较好,由处理前的100倍降到了40倍。
污水中氨氮的净化主要通过植物吸收、微生物净化和沉淀作用3条途径[10]。通过数据比较,可以看出,水体本身具有很好的自净能力,可能是通过水体本身所含有的化合物,促进水体中颗粒物的絮凝,导致沉降;同时,通过菌株F的作用,使水体中氨氮的降解率较高。
本实验只对单个菌种进行单因素实验,在今后的研究中,应进行正交试验,发现最佳组合,为城市富营养化河水的净化提供理论依据。
参考文献
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新型分离系统可迅速净化采矿废水 篇2
采矿公司用水来处理矿石、抑制粉尘并用于浆料运输, 完成这些作业后, 水中会含有大量矿物副产品微粒, 形成泥浆。这些跟牛奶一样浓的泥浆遍布佛罗里达州的磷酸盐矿区, 它们会被注入面积约一平方英里、深40 英尺的沉淀池, 等待矿物微粒沉到水底。单在佛罗里达州, 这种沉淀池的总面积就超过150 平方英里, 约半个纽约市大小。
但微粒带电, 这会使它们互相排斥而悬浮在水中, 沉淀到水底是个漫长的过程。采矿公司每次只能重新使用最上面的少量水, 满含微粒的水不仅不能用, 还占用了大片土地。早在上世纪90 年代, 人们就用电场来分开泥浆中的泥和水, 但这种方法被认为很不经济。
佛罗里达大学赫伯特·韦特海姆工程学院化工教授马克·奥拉热姆设计的分离系统与以往不同, 有上下两层板作为电极, 可以持续不断地向其中注入泥浆。电极间通电产生电场, 带电微粒会向底部移动, 形成膏状固体。在泥膏脱水区微粒无法移动, 将水迫到顶部来。脱水后的泥膏可用于填补采矿留下的坑洞, 净化后的水也可以重新利用, 处理开采出的矿石。
“与其建造这么多沉淀池把水封起来, 不如将水处理后循环利用。”奥拉热姆说。他的团队已建了一个实验室规模的原型, 下一步将逐步扩大规模到临界点, 使其在现实中切实可行。
膜法分离净化煤层气的基础研究 篇3
煤层气是一种新兴能源, 其主要成分是CH4, 但只有当CH4浓度达到一定值 (80%以上) , 才能作为高效、洁净的能源和化工原料, 而一般抽放煤层气中的甲烷浓度较低 (20%~45%) 。近年来, 国内外十分重视煤层气的开发利用。我国是产煤大国, 煤层气资源十分丰富, 储量居世界第三位, 但其利用率却很低, 究其原因是煤层气中甲烷的提纯分离问题没有得到有效地解决[1]。如果对其合理利用, 则不仅可以减小矿井瓦斯的威胁, 减缓地球温室效应, 同时还可以得到廉价、洁净、高效的能源。但目前受安全、技术等因素制约, 只有高浓度瓦斯 (甲烷浓度大于30%) 才能在符合安全要求的情况下被利用。所以煤层气利用的关键是甲烷的浓缩与净化。本文介绍的是膜法分离煤层气。与传统的分离技术相比, 膜分离技术具有无相变、高效、节能、设备和操作简便、无二次污染等优点, 是解决目前资源危机和环境恶化问题的有效手段。
1 膜分离的机理
膜法气体分离的基本原理是根据混合气体中各组分在压力的推动下透过膜的传递速率不同而进行的膜分离过程, 主要用来从气相中制取高浓度组分 (如从空气中制取富氧、富氮) 、去除有害组分 (如从天然气中脱除CO2、H2S等气体) 、回收有益成分 (合成氨弛放气中氢气的回收) 等, 从而达到浓缩、回收、净化等目的。
气体通过膜的渗透情况非常复杂, 对不同的膜其渗透情况不同, 气体通过膜的传递扩散方式不同, 因而分离机理也各异。目前常见的气体通过膜的分离机理有两种:努森扩散, 表面扩散。多孔介质中气体传递机理包括分子扩散、粘性流动、努森扩散及表面扩散等。由于多孔介质孔径及内孔表面性质的差异使得气体分子与多孔介质之间的相互作用程度有所不同从而表现出不同的传递特征。
首先是膜与气体接触, 接着是气体向膜的表面溶解 (溶解过程) , 其次是因气体溶解产生的浓度梯度使气体在膜中向前扩散 (扩散过程) , 然后气体就到达膜的另一面, 此时, 过程始终处于非稳定状态, 一直到膜中气体的浓度梯度沿膜厚方向变成直线时才达到稳定状态。从这个阶段开始, 气体由另一膜面脱附出去的速度也就变为恒定[2], 如图1所示。
气体通过均质高分子膜的渗透, 在很大程度上取决于高分子是“橡胶态”还是“玻璃态”。橡胶态聚合物具有较高的链迁移性和对透过物溶解的快速响应性。可以看到, 气体与橡胶之间形成溶解平衡的过程, 在时间上要比扩散过程快得多。
膜材料的性能对气体渗透的影响是十分明显的, 例如:氧在硅橡胶中的渗透性要比在玻璃态的聚丙烯晴中大几百倍。气体分利用聚合物膜的选定通常是在其选择性和渗透性之间取“折中”的方法, 即两性兼顾进行的。因为选择性和渗透性是成反比的关系, 选择性增大, 则渗透性减小, 反之亦然。
2 膜法分离净化煤层气
由气体膜分离原理可知, 膜对混合物中的任何一个分离组分都不可能理想地全部通过, 必定有其它组分一并通过, 只是数量不同而已。从井下抽采的煤层气的浓度一般比较低在30%左右, 甲烷浓度超过80%才能作为高效燃料并入城市天然气供应网。煤层气中含有H2O (气) 、N2、CO2、H2S等气体, 水蒸气和CO2、H2S酸性气体的存在会给煤层气的运输带来不便, 对设备、管道会造成腐蚀, 氮量过高会降低煤层气的热值和管输能力, 煤层气中的氦气为特别有用的稀有贵重气体。因此必须研究煤层气的浓缩净化问题, 以满足用户对商品化产品的要求。
分离煤层气的技术是利用煤层气中不同的组分, 在压差作用下, 通过膜时的渗透速度的差异来分离煤层气的各种组分。水蒸汽、硫化氢、二氧化碳等气体比烃类气体容易穿透膜, 故渗透过膜的气体是渗透气 (“废气”) , 而余下来的则是渗余气 (净气) , 其分离原理图如图2所示[3]。
由于膜分离存在两个缺点:回收率较低;产品纯度不高。因此, 若要制取高纯产品, 则需采用多级操作。对于煤层气这种含有多种杂质气体的复杂气体, 可以采用多级膜对混合气中的杂质气体逐级分离, 如图3所示。80%~90%以上煤矿瓦斯含量低于5%, 风排瓦斯一般在0.2%~0.75%范围内。极低的瓦斯浓度, 加大了瓦斯利用的难度。一般对于低瓦斯浓度的提纯比较困难, 分离系数一般都小于6, 所以采取除去杂质气体的方法, 因为在混合气体中氧氮等杂质的含量相对于比较高。
从煤层气中脱除H2O、CO2、H2S、N2是利用由于各种气体通过膜的速率各不相同这一原理, 从而达到分离的目的。气体渗透过程可分三个阶段:气体分子溶解于膜表面;溶解的气体分子在膜内活性扩散、移动;气体分子从膜的另一侧解吸。气体分离是一个浓缩驱动过程, 它直接与进料气和渗透气的压力和组成有关。
膜法脱水是近年来发展起来的新技术, 它克服了传统净化的许多不足, 表现出较大的发展潜力。以膜分离为主要技术内容的天然气干法净化技术近年来在美国等发达国家发展迅速。美国Separeax、Grace和Air Product等公司相继研制开发出了适合其市场需求的膜技术、膜产品及工艺装置, 并进行了大量的工业性试验, 在美国、加拿大、日本等国家已进入工业应用。膜法脱水材料主要有聚砜、醋酸纤维素、聚酰亚胺等, 制备成中空纤维或卷式膜组件。
由李辉等研究的聚酰亚胺致密中空纤维膜, 在实验室条件下, 用配以不同含量H2S的CH4气体模拟, 得到很好的实验结果[4]。流量较小时, 脱硫率保持在较高水平, 当进气流量变大时, 脱硫效率降低。当膜两侧压差为0.2 MPa时, 脱硫率最大可以达到97%。所以我们可以把其应用在煤层气脱硫上。
Centeno等人制备的酚醛树脂炭分子筛膜在25℃时, CO2/CH4的分离系数达到160, 可以采用酚醛树脂炭分子筛膜来分离混合气中的CO2[5]。
我国中科院大连化物所研究的硅橡胶-聚砜中空纤维膜分离器用于从含氮0.5%的天然气中浓缩氮, 氮的回收率达30%[6]。美国Union Carbide公司采用聚醋酸纤维平板膜分离器, 对氮浓度5.8% (体积) 的天然气二级膜分离, 产品中氮浓度达到82%左右。
3 前景和展望
目前, 有待改进膜分离技术的几个问题是:高性能膜材料的开发, 特别是制膜过程中聚合物结构的控制;提高膜组件的设计水平;膜分离工艺设计的最优化;进一步深入研究膜分离的机理。
影响煤层气的分离效果的主要因素在于膜材料的选择以及制膜工艺。膜分离适合于提浓, 不适合于提纯, 因此, 如果我们想得到纯度比较高的甲烷气体, 需要将膜处理技术和其它技术集成, 实现最优的工艺组合和最低的经济投资是煤层气膜法处理技术的发展方向。据报道, 在碳氢化物和酸性气体分离中, 将膜分离法和其他常规精馏法相结合, 可节省投资25%, 节约操作费用20%左右。
参考文献
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