丁金成,周舟,左夢(mèng)荷,陳浩

(鹽城師范學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,江蘇 鹽城 224007)

1 引言

1.1 實(shí)驗(yàn)背景

黨的二十大報(bào)告指出要推進(jìn)美麗中國(guó)建設(shè),統(tǒng)籌水資源、水環(huán)境、水生態(tài)治理,這勢(shì)必會(huì)給廢水的排放和處理提出更高要求。相較于傳統(tǒng)的水處理技術(shù)例如物理、化學(xué)和生物法,無法滿足需求且容易產(chǎn)生二次污染,以納濾為代表的膜分離技術(shù)憑借其高效、節(jié)能和環(huán)境友好等特點(diǎn)正受到人們廣泛關(guān)注。目前納濾技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在脫鹽、污水處理、飲用水凈化和食品醫(yī)藥等領(lǐng)域[1-3]。那么納濾技術(shù)是如何實(shí)現(xiàn)其對(duì)各類污水的分離效果呢?例如:如何讓直飲水機(jī)里的水能夠直接飲用?如何讓印染廢水重新變的澄清?海島的居民又是如何實(shí)現(xiàn)海水淡化獲得淡水?解決這些問題的關(guān)鍵在于納濾膜。納濾膜看上去像紙一樣,但從微觀角度我們發(fā)現(xiàn)其是一種具有納米級(jí)微孔結(jié)構(gòu)(孔徑約為0.5～2 nm)的荷電分離膜(通常帶負(fù)電性)[4]。也歸因于納濾膜上述的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),才賦予納濾膜分離技術(shù)優(yōu)異的分離性能。如此神奇的納濾膜,勢(shì)必會(huì)引起中小學(xué)生和大眾的興趣,同時(shí)納濾膜分離技術(shù)也是實(shí)現(xiàn)國(guó)家綠色發(fā)展和水生態(tài)治理的關(guān)鍵,因此我們通過簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)演示納濾膜及其分離性能測(cè)試為大眾進(jìn)行科普很有必要性。

1.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

本次科普實(shí)驗(yàn)的目的簡(jiǎn)單歸納為以下幾點(diǎn):

1)讓中小學(xué)生及普通大眾認(rèn)識(shí)一種前沿分離技術(shù)-納濾膜分離技術(shù);

2)借助直觀實(shí)驗(yàn)演示讓中小學(xué)生及普通大眾了解納濾膜制備的基本方法和基本分離原理;

3)通過展示納濾膜對(duì)不同種類的染料及硫酸鈉鹽的分離效果,傳遞和踐行綠色發(fā)展理念。

1.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及意義

本科普實(shí)驗(yàn)主要包含如下兩個(gè)部分:

1)納濾膜的制備:采用當(dāng)下最成熟的界面聚合法進(jìn)行納濾膜的制備。選擇哌嗪作為水相單體,均苯三甲酰氯作為油相單體,聚砜超濾膜作為基底膜。通過簡(jiǎn)單的“泡一泡”,“晾一晾”和“烘一烘”,來進(jìn)行納濾膜制備展示。

2)納濾膜分離測(cè)試:為了直觀展示納濾膜的分離性能,我們選擇剛果紅、甲基藍(lán)、活性黑以及維多利亞藍(lán)等四種常見染料來模擬印染廢水,選擇硫酸鈉鹽水溶液模擬含鹽廢水,來進(jìn)行納濾膜的分離性能展示。

通過直觀的實(shí)驗(yàn)展示并輔以機(jī)理解讀,讓中小學(xué)生和普通大眾對(duì)納濾膜及納濾技術(shù)有了初步的了解,明白了納濾膜分離技術(shù)在污水處理上發(fā)揮的巨大作用。有助于激發(fā)中小學(xué)生對(duì)前沿技術(shù)的學(xué)習(xí)興趣,同時(shí)也有助于加深大眾對(duì) “綠水青山就是金山銀山”和“綠色發(fā)展”等重要理念的理解。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

2.1.1 納濾膜的制備方法及原理

納濾膜是納濾技術(shù)的關(guān)鍵組成部分,當(dāng)下納濾膜通常采用界面聚合法進(jìn)行制備[5]。如圖1所示為典型的界面聚合示意圖。簡(jiǎn)單來說,界面聚合法是基于 Morgan的相界面聚合原理,使兩種反應(yīng)物分別溶于互不相溶的兩相中,在支撐膜表面發(fā)生界面聚合反應(yīng),復(fù)合上一層超薄選擇層,這層超薄膜決定了納濾膜的最終性能[6-7],如圖2為納濾膜結(jié)構(gòu)示意圖。為方便科普,本實(shí)驗(yàn)我們選擇哌嗪作為水相單體,溶劑為水,得到水相溶液,選擇均苯三甲酰氯作為油相單體,溶劑為環(huán)己烷,得到油相溶液,基底膜選擇商品化的聚砜超濾膜。

圖1 界面聚合過程示意圖

圖2 納濾膜結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.2 納濾膜分離原理

在壓力推動(dòng)下,待分離料液透過納濾膜,完成膜分離過程。從微觀角度來看,納濾膜表面呈現(xiàn)致密結(jié)構(gòu),其孔徑僅為0.5 ～ 2 nm,截留相對(duì)分子質(zhì)量為200～1 000 Da,且表面帶有負(fù)電荷,能夠有效截留二價(jià)和高價(jià)陰離子。因此,如圖3所示,對(duì)于納濾膜的分離機(jī)理可總結(jié)為:孔徑篩分和靜電排斥的協(xié)同作用。

圖3 納濾膜分離原理示意圖

2.2 試劑與材料

試劑:哌嗪(分析純AR,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)、1,3,5-苯三甲酰氯(分析純AR,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)、環(huán)己烷(分析純AR,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)、無水硫酸鈉(分析純AR,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)、甲基藍(lán)、剛果紅、活性黑以及維多利亞藍(lán)(分析純AR,阿拉丁試劑有限公司)。

材料:聚砜超濾膜(截留相對(duì)分子質(zhì)量:20 000Da,三達(dá)膜分離技術(shù)有限公司)

2.3 儀器和表征方法

實(shí)驗(yàn)儀器:電導(dǎo)率儀(FE-80,梅特勒托利)、紫外可見分光光度(UV-2600,島津)和自行設(shè)計(jì)的膜性能測(cè)試儀(流程圖及實(shí)物圖如圖4所示)、鼓風(fēng)烘箱、超聲儀。表征方法:將納濾膜分離硫酸鈉鹽水溶液的料液和膜濾出液,用電導(dǎo)率儀進(jìn)行測(cè)試。將納濾膜分離各種染料溶液的料液和膜濾出液,用紫外-可見分光光度計(jì)進(jìn)行吸收光譜測(cè)定,其中剛果紅、甲基藍(lán)、活性黑以及維多利亞藍(lán)的最大紫外吸收峰波長(zhǎng)分別為:499,664,599,600 nm。

圖4 (a)測(cè)試裝置流程圖和(b)實(shí)物圖

2.4 實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象

2.4.1 實(shí)驗(yàn)步驟

本科普實(shí)驗(yàn)主要包含如下步驟:

1)納濾膜的制備過程如圖5所示,具體過程為:稱取0.3 g哌嗪試樣于潔凈的燒杯中,加入一定量去離子水,超聲溶解后得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的哌嗪水相溶液,之后稱取0.15 g均苯三甲酰氯于另一潔凈燒杯中,加入一定量的環(huán)己烷溶劑,超聲溶解后配制得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%的均苯三甲酰氯油相溶液。剪取一張大小合適的聚砜超濾膜作為基底膜,首先將此基底膜浸泡到水相溶液中,記時(shí)5 min,泡好后取出,并在空氣中晾干,待膜表面無明顯水痕跡后,將此吸附水相單體膜再次浸泡到油相溶液中,記時(shí)1 min,反應(yīng)結(jié)束后取出膜,并放置到溫度為60 ℃的烘箱中,烘干10 min,結(jié)束后取出便可得到納濾膜。此外,對(duì)于納濾膜的制備,我們簡(jiǎn)單總結(jié)為:“泡一泡”,“晾一晾”和“烘一烘”。

圖5 納濾膜制備過程

2)納濾膜分離性能測(cè)試:①本次科普實(shí)驗(yàn)我們選擇四種染料分別為剛果紅、甲基藍(lán)、活性黑和維多利亞藍(lán),進(jìn)行模擬納濾膜對(duì)印染廢水的處理;選擇硫酸鈉,進(jìn)行模擬納濾膜對(duì)含鹽廢水的處理。首先進(jìn)行染料溶液的配制:分別配制質(zhì)量濃度為25,50,100,300 mg/L的剛果紅溶液;之后分別配制100 mg/L的甲基藍(lán)溶液、活性黑溶液、維多利亞藍(lán)溶液;最后配制質(zhì)量濃度為1 g/L的硫酸鈉鹽水溶液。②將納濾膜裝載到膜性能測(cè)試儀的膜池中,將不同濃度剛果紅溶液以及甲基藍(lán)、活性黑、維多利亞藍(lán)和硫酸鈉溶液分別作為料液,調(diào)控儀器壓力為0.6 MPa,分別進(jìn)行膜分離過程,并收集膜濾出液。

3)納濾膜性能表征:納濾膜對(duì)不同染料的分離性能表征,采用紫外分光光度計(jì)測(cè)試料液和膜濾出液的特征吸收值,并計(jì)算截留率;對(duì)于硫酸鈉鹽溶液的分離性能表征,采用電導(dǎo)率儀測(cè)試料液和濾出液電導(dǎo)率值,并計(jì)算截留率。

2.4.2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

首先展示納濾膜對(duì)不同質(zhì)量濃度剛果紅溶液(25,50,100和300 mg/L)的分離效果,結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出:憑借納濾膜致密結(jié)構(gòu)以及荷電性,納濾膜對(duì)不同濃度的剛果紅都具有優(yōu)異能,截留率都超過98%,濾出液都為無色且紫外光吸收接近0。說明憑借納濾膜獨(dú)特的孔結(jié)構(gòu)和表面負(fù)荷電性能夠有效截留不同濃度的剛果紅溶液,也說明納濾膜同樣可以應(yīng)對(duì)不同濃度的印染廢水。

圖6 納濾膜對(duì)不同濃度剛果紅染料分離效果以及紫外可見光光譜圖

緊接著我們對(duì)質(zhì)量濃度相同(100 mg/L)但種類不同(剛果紅溶液、甲基藍(lán)、活性黑、維多利亞藍(lán))的染料溶液進(jìn)行納濾膜分離測(cè)試,膜分離效果如圖7所示。從圖7可以看出:納濾膜對(duì)不同種類染料同樣都具有優(yōu)異的分離性能,截留率都超過96%,濾出液都為無色且紫外光吸收接近0。也說明納濾膜能夠有效應(yīng)對(duì)不同類型的印染廢水。

圖7 納濾膜對(duì)不同種類染料分離效果以及紫外可見光光譜圖

最后我們分析了納濾膜對(duì)硫酸鈉鹽溶液的分離效果,通過電導(dǎo)率儀測(cè)試料液和濾出液的電導(dǎo)率如圖8所示分別為:1 482 μS/cm 和88.79 μS/cm,計(jì)算截留率為94%。說明借助納濾膜獨(dú)特的結(jié)構(gòu),尤其表面荷負(fù)電性,能夠有效截留二價(jià)陰離子鹽,適用于海水淡化。

圖8 硫酸鈉鹽溶液料液和納濾膜濾出液電導(dǎo)率結(jié)果

現(xiàn)將納濾膜對(duì)不同染料和硫酸鈉鹽溶液的分離性能總結(jié)如下表1所示。通過這些直觀展示,讓大眾對(duì)納濾膜及其性能有了更加直觀的認(rèn)識(shí),也實(shí)現(xiàn)了對(duì)前沿技術(shù)的科普。

表1 納濾膜分離性能總結(jié)

3 科普展示和互動(dòng)方案

3.1 展示條件及對(duì)象

科普應(yīng)該來源于生活,并作用于生活。納濾膜分離技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到我們生活的方方面面,例如:家用凈水器等。但其中的奧秘值得去解讀,也能讓人們進(jìn)一步體會(huì)材料之美。展示地點(diǎn):中小學(xué)教室、實(shí)驗(yàn)室或科技館、廣場(chǎng)、公園等均可作為展示地點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)試劑較為安全,測(cè)試裝置簡(jiǎn)易,方便移動(dòng),安全可靠無污染,所以可適用于絕大多數(shù)教學(xué)或展示場(chǎng)所。

展示對(duì)象:中小學(xué)生,低年級(jí)大學(xué)本科生。

中小學(xué)階段人群:對(duì)科學(xué)知識(shí)有初步了解,對(duì)有顏色變化的化學(xué)過程感興趣,但不具備了解化學(xué)原理的能力,因此側(cè)重讓他們體驗(yàn)制作納濾膜并進(jìn)行實(shí)操納濾膜的染料分離過程,感受化學(xué)之美與實(shí)驗(yàn)之趣。同時(shí)也激發(fā)他們對(duì)前沿技術(shù)的學(xué)習(xí)興趣,有助于后續(xù)基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)與聯(lián)動(dòng)。

低年級(jí)大學(xué)本科生:這個(gè)階段剛開始接觸專業(yè)知識(shí),對(duì)于前沿技術(shù)興趣濃,但又局限于知識(shí)面過窄,無法更進(jìn)一步。因此側(cè)重對(duì)相關(guān)機(jī)理進(jìn)行科普,比如納濾膜的制備方法和分離機(jī)理。有助于后續(xù)專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)以及提升他們后續(xù)參與科學(xué)研究的能動(dòng)性。展示形式:演示實(shí)驗(yàn)+志愿者講解+現(xiàn)場(chǎng)互動(dòng)。

3.2 互動(dòng)展示方案

提供超濾膜和納濾膜和配制好的染料溶液,在校園開展科普活動(dòng),邀請(qǐng)學(xué)生們?cè)诳破照叩膸ьI(lǐng)下學(xué)習(xí)納濾膜分離原理,進(jìn)行相關(guān)的染料分離過程。方案如下:

1)通過視頻和PPT形式對(duì)納濾技術(shù)背景、納濾膜、納濾膜制備方法以及相關(guān)分離測(cè)試裝置進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹和說明。

2)現(xiàn)場(chǎng)展示相關(guān)的納濾膜和實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置。

3)邀請(qǐng)學(xué)生進(jìn)行納濾膜的裝載,并進(jìn)行染料分離測(cè)試,觀察透過液顏色,并進(jìn)行對(duì)比。

4)現(xiàn)場(chǎng)提問,解答學(xué)生的問題。

5)也可以把相關(guān)視頻發(fā)布在媒體上,讓學(xué)生在課外享受到化學(xué)的趣味,同時(shí)幫助學(xué)生了解納濾膜分離的現(xiàn)象及原理,感受化學(xué)之美,激發(fā)學(xué)生對(duì)于化學(xué)的學(xué)習(xí)興趣。

通過本次科普,同學(xué)們都表現(xiàn)出濃厚的興趣,現(xiàn)場(chǎng)氛圍活躍,我們也積極回答同學(xué)們所提出的問題。也通過讓同學(xué)們自己動(dòng)手組裝納濾膜測(cè)試裝置,近距離觀察模擬的染料污水的處理過程,極大激發(fā)了他們對(duì)前沿科技的研究興趣。相關(guān)現(xiàn)場(chǎng)照片如圖9所示。

圖9 科普現(xiàn)場(chǎng)照片

4 結(jié)語

納濾膜分離技術(shù)作為一種前沿分離技術(shù),其如何實(shí)現(xiàn)分離?以此問題為出發(fā)點(diǎn),我們通過簡(jiǎn)單的方法(“泡一泡”,“晾一晾”和“烘一烘”)展示納濾膜的制備以及對(duì)模擬廢水的分離效果,為大眾科普納濾膜分離的相關(guān)知識(shí)。本實(shí)驗(yàn)藥品綠色、實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單,不涉及危險(xiǎn)操作,參與者可以親手參與納濾膜的制備以及膜分離的全過程。通過原理解讀以及直觀展示納濾膜對(duì)模擬的印染廢水以及含鹽污水的分離效果,一方面激發(fā)大眾對(duì)前沿技術(shù)的學(xué)習(xí)興趣,另一方面有助于大眾對(duì)綠色發(fā)展、節(jié)能環(huán)保等理念的理解。

5 實(shí)驗(yàn)特色與創(chuàng)新點(diǎn)

1)體現(xiàn)綠色化學(xué),所選材料無毒無害,可循環(huán)使用,實(shí)驗(yàn)過程安全。

2)膜分離效果明顯富有趣味性,結(jié)果具有吸引力,與生活現(xiàn)象聯(lián)系緊密。

3)有助于培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力與實(shí)踐創(chuàng)新能力,有很好的科普教育意義。