表面活性剂抑制VOCs挥发进入光热蒸馏冷凝淡化水的方法

摘要

本发明公开了一种表面活性剂抑制VOCs挥发进入光热蒸馏冷凝淡化水的方法，包括如下步骤：步骤1)：将碳黑分散在水中进行超声分散得到碳黑悬浊液，碳黑与水的投料比为15mg：20ml；步骤2)：将碳黑悬浊液于无尘布上真空抽滤，抽滤完成后将无尘布放置在室温环境下自然干燥；步骤3)：向石英蒸馏装置中加入海水，并加入表面活性剂CTAB，海水与CTAB的投料比为40ml：0.5‑10g/l；将步骤2)中附着有碳黑的无尘布贴在蒸馏组件上，并将蒸馏组件安装在石英蒸馏装置上部，然后进行光照蒸馏淡化海水。本发明的有益效果在：对水中可能存在的挥发性有机污染物挥发进入冷凝淡化水具有明显的抑制效果，并且在海水中使用时抑制效果更强，填补了现有技术的空白。

权利要求

1.一种表面活性剂抑制VOCs挥发进入光热蒸馏冷凝淡化水的方法，包括如下步骤：步骤1)：将碳黑分散在水中进行超声分散得到碳黑悬浊液，碳黑与水的投料比为15mg：

20ml；

步骤2)：将碳黑悬浊液于无尘布上真空抽滤，抽滤完成后将无尘布放置在室温环境下自然干燥；

步骤3)：向石英蒸馏装置中加入海水，并加入表面活性剂CTAB，海水与CTAB的投料比为

40ml：0.5‑10g/l；将步骤2)中附着有碳黑的无尘布贴在蒸馏组件上，并将蒸馏组件安装在石英蒸馏装置上部，然后进行光照蒸馏淡化海水。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤1)中水采用超纯水，超声分散时间为30min，碳黑粒径为30nm。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤2)中所述无尘布直径为4cm，真空抽滤时的真空度为0.02MPa；无尘布下设有0.45μm水系滤膜进行真空抽滤；自然干燥时间为24h。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤3)采用氙灯进行照射，光照强度2

为1kW/m。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤3)中海水与CTAB的投料比为

40ml：5g/l。

6.一种表面活性剂抑制VOCs挥发进入光热蒸馏冷凝淡化水的方法，包括：步骤1)：将碳黑、表面活性剂CTAB、无尘布置入盛有水的容器中进行超声分散，然后将容器在60℃干燥,得到附着上碳黑和表面活性剂的无尘布，其中，碳黑与表面活性剂CTAB和水的投料比为15mg：50‑250mg：20ml；

步骤2)：在石英蒸馏装置中加入40ml海水，将步骤1)处理后的无尘布设在蒸馏组件上，将蒸馏组件安装在石英蒸馏装置上部，然后进行光照蒸馏淡化海水。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述的步骤1)中水采用超纯水，超声分散时间为30min，碳黑粒径为30nm，无尘布直径为4cm。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述的步骤1)中60℃干燥的时间为12h。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述的步骤2)采用氙灯进行照射，光照强2

度为1kW/m。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述的步骤1)中碳黑与表面活性剂CTAB和水的投料比为15mg：100mg：20ml。

说明书

表面活性剂抑制VOCs挥发进入光热蒸馏冷凝淡化水的方法

技术领域

[0001] 本发明属于饮用水处理领域，具体涉及一种表面活性剂抑制VOCs挥发进入光热蒸馏冷凝淡化水的方法。

背景技术

[0002] 相比于其他淡水获取方式如大陆引水、雨水利用等，海水淡化被认为是一种因地制宜的解决海岛淡水短缺问题的最有效方法。目前工程中最常用的海水淡化技术是热法(如多级闪蒸、低温多效蒸馏)和膜法(如反渗透)。但是，这两种方法能耗高、成本高，还可能存在淡化水中硼超标的问题。更重要的是，现行的海水淡化工艺需要建立复杂的运行操作系统，对于电网系统未能覆盖、陆域面积有限的海岛并不适用。

[0003] 根据世界太阳能的分布情况，海岛地区拥有丰富的太阳能资源。太阳能海水淡化被认为是解决能源和环境危机下偏远海岛供水问题的新途径。因此，近年来兴起了基于气液界面加热的太阳能光热蒸馏海水淡化技术研究。由于我国近海海域(也是我国海岛分布最广的区域)水质劣四类水占比高，主要超标因子有石油类、挥发酚、化学需氧量等，这些物质都涵盖挥发性有机物(VOCs)。由于光热蒸馏过程中，蒸馏组件表面温度可达40‑65℃，VOCs不可避免的会随水蒸气挥发进入冷凝淡化水，造成淡化水水质不合格。因此，必须采用适当的技术手段抑制或削减VOCs进入冷凝淡化水。

[0004] 表面活性剂是具有亲水亲油特性的物质，其独特的结构使其活跃于液面，少量加入就能使溶液的表面张力大大的降低，产生乳化、增溶等作用。目前，关于使用表面活性剂抑制海水蒸馏过程中VOCs进入冷凝水还未见报告。因此，本发明使用表面活性剂作为海水VOCs的抑制剂，从而得到高品质的冷凝淡化水。

发明内容

[0005] 针对现有技术中存在的技术问题，本申请提供了一种表面活性剂抑制VOCs挥发进入光热蒸馏冷凝淡化水的方法。

[0006] 一种表面活性剂抑制VOCs挥发进入光热蒸馏冷凝淡化水的方法，包括如下步骤：

[0007] 步骤1)：将碳黑分散在水中进行超声分散得到碳黑悬浊液，碳黑与水的投料比为15mg：20ml；

[0008] 步骤2)：将碳黑悬浊液于无尘布上真空抽滤，抽滤完成后将无尘布放置在室温环境下自然干燥；

[0009] 步骤3)：向石英蒸馏装置中加入海水，并加入表面活性剂CTAB，海水与CTAB的投料比为40ml：0.5‑10g/l；将步骤2)中附着有碳黑的无尘布贴在蒸馏组件上，并将蒸馏组件安装在石英蒸馏装置上部，然后进行光照蒸馏淡化海水。

[0010] 作为进一步改进方案，所述的步骤1)中水采用超纯水，超声分散时间为30min，碳黑粒径为30nm。

[0011] 作为进一步改进方案，所述的步骤2)中所述无尘布直径为4cm，真空抽滤时的真空度为0.02MPa；无尘布下设有0.45μm水系滤膜进行真空抽滤；自然干燥时间为24h。

[0012] 作为进一步改进方案，所述步骤3)采用氙灯进行照射，光照强度为1kW/m2。

[0013] 作为进一步改进方案，所述步骤3)中海水与CTAB的投料比为40ml：5g/l。

[0014] 一种表面活性剂抑制VOCs挥发进入光热蒸馏冷凝淡化水的方法，包括：

[0015] 步骤1)：将碳黑、表面活性剂CTAB、无尘布置入盛有水的容器中进行超声分散，然后将容器在60℃干燥,得到附着上碳黑和表面活性剂的无尘布，其中，碳黑与表面活性剂CTAB和水的投料比为15mg：50‑250mg：20ml；

[0016] 步骤2)：在石英蒸馏装置中加入40ml海水，将步骤1)处理后的无尘布设在蒸馏组件上，将蒸馏组件安装在石英蒸馏装置上部，然后进行光照蒸馏淡化海水。

[0017] 作为进一步改进方案，所述的步骤1)中水采用超纯水，超声分散时间为30min，碳黑粒径为30nm，无尘布直径为4cm。

[0018] 作为进一步改进方案，所述的步骤1)中60℃干燥的时间为12h。

[0019] 作为进一步改进方案，所述的步骤2)采用氙灯进行照射，光照强度为1kW/m2。

[0020] 作为进一步改进方案，所述的步骤1)中碳黑与表面活性剂CTAB和水的投料比为15mg：100mg：20ml。

[0021] 下面对本申请做进一步说明：

[0022] 本申请涉及利用光热转换材料和表面活性剂之间的如何组合来抑制挥发性有机污染物(VOCs)进入光热蒸馏冷凝淡化水。

[0023] 本发明针对现有技术的不足，提供表面活性剂的两种使用方式，即：A.表面活性剂直接投加到待蒸馏海水中、B.表面活性剂和蒸馏组件混合，在保证海水蒸发速率的同时，抑制海水VOCs挥发进入冷凝淡化水。

[0024] 方式A的步骤如下：

[0025] (1)向装有20ml超纯水的烧杯中加入15mg碳黑，超声分散30min得到碳黑悬浊液；

[0026] (2)将(1)中得到的碳黑悬浊液于直径4cm的无尘布上真空抽滤(真空度为0.02MPa)，无尘布下垫一片0.45μm水系滤膜以减少碳黑在抽滤过程中的损失。抽滤完成后将无尘布放置在室温环境下自然干燥24h。

[0027] (3)向石英蒸馏装置中加入40ml溶解有一定浓度模型污染物(苯酚、对甲酚、对氯酚)的人工配置海水，并加入一定量的表面活性剂。将(2)中附着上碳黑并干燥好的无尘布2
贴在吸水饱满的蒸馏组件上，并依靠蒸馏组件自身弹性卡在石英蒸馏装置上部，在1kW/m的氙灯照射下进行太阳能海水蒸发实验。环境温度25±2℃，湿度60％±10％。

[0028] 作为优选，步骤(1)中的粒径为30nm的碳黑作为光热转换材料，该种材料光热转换效率高，价格低廉，对有机物吸附性差；

[0029] 作为优选，步骤(3)中使用的模拟太阳光强为1kW/m2，接近自然界中的实际光强；

[0030] 作为优选，步骤(3)中选用的表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)，作为典型的阳离子型表面活性剂，其抑制酚类挥发的效果比阴离子型表面活性剂和非离子型表面活性剂的效果更好；

[0031] 作为优选，步骤(3)中CTAB添加的浓度为5g/L(该CTAB的浓度是以40ml人工海水为基础计算的)，既保证有较高的有机物挥发抑制效果，又不至于自身过量地进入冷凝淡化水中。

[0032] 方式B的步骤如下：

[0033] (1)向装有20ml超纯水的烧杯中加入15mg碳黑、50‑250mg表面活性剂和一片直径4cm的无尘布，放入超声清洗仪中超声分散30min，之后将烧杯放入60℃烘箱中，12h后取出可得到同时附着上纳米碳黑和表面活性剂的无尘布；

[0034] (2)向石英蒸馏装置中加入40ml溶解有一定浓度模型污染物的人工配置海水，将(1)中同时附着上碳黑和表面活性剂并干燥好的无尘布贴在吸水饱满的蒸馏组件上，并依2
靠蒸馏组件自身弹性卡在石英蒸馏装置上部，在1kW/m的氙灯照射下进行太阳能海水蒸发实验。环境温度25±2℃，湿度60％±10％。

[0035] 上述两种表面活性剂的使用方式中，溶解有表面活性剂和模型污染物的人工海水依靠虹吸作用到达碳黑表面，碳黑作为光热转换材料保证蒸发速率，表面活性剂聚集在碳黑表层液面抑制有机物的挥发。

[0036] 作为优选，步骤(1)中的碳黑选用粒径30nm碳黑作为光热转换材料，该种材料光热转换效率高，且价格较为低廉，并且吸附性不强，无需担心循环使用后抑制有机物挥发的效果下降；

[0037] 作为优选，步骤(1)中选用的表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)，作为典型的阳离子型表面活性剂，其抑制酚类挥发的效果比阴离子型表面活性剂和非离子型表面活性剂的效果更好；

[0038] 作为优选，步骤(1)中CTAB添加的质量为100mg，既保证有较高的有机物挥发抑制效果，又不至于自身过量地进入冷凝淡化水中；

[0039] 作为优选，步骤(2)中使用的模拟太阳光强为1kW/m2，接近自然界中的实际光强。

[0040] 本方法初期还尝试过除CTAB以外的10余种表面活性剂，但是其他表面活性剂要么抑制苯酚挥发的效果不好，要么自身大量挥发进入冷凝淡化水，成为新的污染源，只有CTAB有较好的抑制苯酚挥发效果，且自身进入冷凝淡化水的含量较低，浓度满足《生活饮用水卫生标准》(GB5749‑2006)中“阴离子合成洗涤剂”指标的要求。

[0041] 与现有技术相比，本方法的有益效果体现在：

[0042] (1)对水中可能存在的挥发性有机污染物挥发进入冷凝淡化水具有明显的抑制效果，并且在海水中使用时抑制效果更强，填补了现有技术的空白；

[0043] (2)不仅适用于河水、湖水等盐度不高的水体，还适用于海水，相比现有的蒸馏收集冷凝淡化水的同时抑制有机物挥发的方法，更能有效应对盐析问题；

[0044] (3)含有表面活性剂的蒸馏组件使用的材料简单、廉价、可循环使用。

附图说明

[0045] 首先需要说明的是：本方法中定义了“蒸馏率”这一概念，表示冷凝水中有机物浓度占原水初始浓度的百分比。即其他条件相同时，蒸馏率越低，冷凝水中有机物浓度越低。

[0046] 图1为添加和不添加CTAB的蒸馏实验图，其中，鉴于《中国近岸海域环境质量公报》显示我国近海海水有挥发酚超标的现象，实施实例1使用人工海水分别配置1mg/L的苯酚、2
对甲酚、对氯酚溶液，并在1kW/m 模拟太阳光下分别进行不添加、添加5g/LCTAB的蒸馏收集冷凝水的实验；

[0047] 图2为使用不同浓度的CTAB进行1mg/L苯酚溶液的蒸馏实验，比较不同情况下的蒸馏率；

[0048] 图3为在舟山群岛沿海采集水样，24h内进行蒸馏实验效果图1(其中，图a、b、c、d中部分没有显示的柱状图部分对应数值为0)

[0049] 图4为在舟山群岛沿海采集水样，24h内进行蒸馏实验效果图2，图中显示了海水蒸馏前后的TOC变化。

[0050] 图5为在舟山群岛沿海采集水样，作为溶剂配置1mg/L苯酚溶液进行蒸馏实验效果图3，图中显示了使用15mgCB，0‑250mgCTAB蒸馏前后苯酚的浓度变化。

具体实施方式

[0051] 使用方式A

[0052] 实施例1

[0053] 一种表面活性剂抑制VOCs挥发进入光热蒸馏冷凝淡化水的方法，包括如下步骤：

[0054] 步骤1)：向装有20ml超纯水的烧杯中加入15mg碳黑，超声分散30min得到碳黑悬浊液，其中，碳黑的粒径为30nm；

[0055] 步骤2)：将步骤1)中得到的碳黑悬浊液于直径4cm的无尘布上真空抽滤(真空度为0.02MPa)，无尘布下垫一片0.45μm水系滤膜以减少碳黑在抽滤过程中的损失，抽滤完成后将无尘布放置在室温环境下自然干燥24h；

[0056] 步骤3)：向石英蒸馏装置中加入40ml溶解有一定浓度模型污染物(苯酚、对甲酚、对氯酚)的人工配置海水，并加入3.5％NaCl以模拟实际海水的盐度，以及加入5g/L的CTAB；将步骤2)中附着上碳黑并干燥好的无尘布贴在吸水饱满的蒸馏组件上，并依靠蒸馏组件自
2
身弹性卡在石英蒸馏装置上部，在1kW/m的氙灯照射下进行太阳能海水蒸发实验。

[0057] 其中，将污染物浓度配置为：1mg/L的苯酚、对甲酚、对氯酚溶液，分别进行不加CTAB和加入5g/LCTAB的蒸馏对照实验，并加入3.5％NaCl以模拟实际海水的盐度。图1显示CTAB对3种不同的酚类都有较好的挥发抑制效果，在直接蒸馏已有蒸馏率的基础上，添加5g/LCTAB后可使蒸馏率进一步明显下降。

[0058] 实施例2

[0059] 一种表面活性剂抑制VOCs挥发进入光热蒸馏冷凝淡化水的方法，包括如下步骤：

[0060] 步骤1)：向装有20ml超纯水的烧杯中加入15mg碳黑，超声分散30min得到碳黑悬浊液，其中，碳黑的粒径为30nm；

[0061] 步骤2)：将步骤1)中得到的碳黑悬浊液于直径4cm的无尘布上真空抽滤(真空度为0.02MPa)，无尘布下垫一片0.45μm水系滤膜以减少碳黑在抽滤过程中的损失，抽滤完成后将无尘布放置在室温环境下自然干燥24h；

[0062] 步骤3)：向石英蒸馏装置中加入40ml溶解有1mg/L苯酚溶液的人工配置海水，并加入3.5％NaCl以模拟实际海水的盐度，以及加入0.5‑10g/L的CTAB；将步骤2)中附着上碳黑并干燥好的无尘布贴在吸水饱满的蒸馏组件上，并依靠蒸馏组件自身弹性卡在石英蒸馏装2
置上部，在1kW/m的氙灯照射下进行太阳能海水蒸发实验。

[0063] 其中，所述分别配置1mg/L的苯酚溶液，在蒸馏实验时加入3.5％NaCl以模拟实际2
海水的盐度，1kW/m 光强下照射。图2显示，随着CATB投加浓度的上升，蒸馏率也在逐步下降。

[0064] 实施例3

[0065] 一种表面活性剂抑制VOCs挥发进入光热蒸馏冷凝淡化水的方法，包括如下步骤：

[0066] 步骤1)：向装有20ml超纯水的烧杯中加入15mg碳黑，超声分散30min得到碳黑悬浊液，其中，碳黑的粒径为30nm；

[0067] 步骤2)：将步骤1)中得到的碳黑悬浊液于直径4cm的无尘布上真空抽滤(真空度为0.02MPa)，无尘布下垫一片0.45μm水系滤膜以减少碳黑在抽滤过程中的损失，抽滤完成后将无尘布放置在室温环境下自然干燥24h；

[0068] 步骤3)：向石英蒸馏装置中加入40ml真实海水，加入5g/L的CTAB；将步骤2)中附着上碳黑并干燥好的无尘布贴在吸水饱满的蒸馏组件上，并依靠蒸馏组件自身弹性卡在石英2
蒸馏装置上部，在1kW/m的氙灯照射下进行太阳能海水蒸发实验。

[0069] 在舟山群岛沿海采集真实海水进行实验，1kW/m2光强下照射。如图3所示，检测结果表明这批海水中含有苯乙烯、六氯丁二烯、环氧氯丙烷、二氯甲烷。按照我国卫生部发布的《生活饮用水卫生标准》(GB5749‑2006)规定的限值，环氧氯丙烷在该批海水中、直接蒸馏后的冷凝水中都存在超标现象，但投加CTAB之后再蒸馏可使冷凝水中的环氧氯丙烷浓度降至标准限值以下。此外，检出的其他有机物没有超过标准限值，但相比不添加的情况，投加CTAB再蒸馏得到的冷凝水依然可使相应有机物的浓度进一步降低。

[0070] 使用方式B

[0071] 实施例4

[0072] 一种表面活性剂抑制VOCs挥发进入光热蒸馏冷凝淡化水的方法，包括如下步骤：

[0073] 步骤1)：向装有20ml超纯水的烧杯中加入15mg碳黑、100mg表面活性剂和一片直径4cm的无尘布，放入超声清洗仪中超声分散30min，之后将烧杯放入60℃烘箱中，12h后取出可得到同时附着上纳米碳黑和表面活性剂的无尘布，该表面活性剂采用CTAB；

[0074] 步骤2)：向石英蒸馏装置中加入40ml真实海水，将步骤1)中同时附着上碳黑和表面活性剂并干燥好的无尘布贴在吸水饱满的蒸馏组件上，并依靠蒸馏组件自身弹性卡在石2
英蒸馏装置上部，在1kW/m的氙灯照射下进行太阳能海水蒸发实验。

[0075] 其中，在舟山群岛沿海采集真实海水进行实验，1kW/m2光强下照射。总有机碳(TOC)以碳的数量表示水中含有机物的总量，可以作为评价水体有机物污染程度的重要依据。如图4所示，把碳黑和CTAB一起附着于无尘布上再进行蒸馏，可以使得冷凝水的TOC进一步下降。

[0076] 实施例5

[0077] 一种表面活性剂抑制VOCs挥发进入光热蒸馏冷凝淡化水的方法，包括如下步骤：

[0078] 步骤1)：向装有20ml超纯水的烧杯中加入15mg碳黑、50‑250mg表面活性剂和一片直径4cm的无尘布，放入超声清洗仪中超声分散30min，之后将烧杯放入60℃烘箱中，12h后取出可得到同时附着上纳米碳黑和表面活性剂的无尘布，该表面活性剂采用CTAB；

[0079] 步骤2)：向石英蒸馏装置中加入40ml真实海水作为溶剂配置的1mg/L苯酚溶液，将步骤1)中同时附着上碳黑和表面活性剂并干燥好的无尘布贴在吸水饱满的蒸馏组件上，并2
依靠蒸馏组件自身弹性卡在石英蒸馏装置上部，在1kW/m的氙灯照射下进行太阳能海水蒸发实验。

[0080] 在舟山群岛沿海采集真实海水进行实验。使用真实海水作为溶剂配置1mg/L苯酚2
溶液，1kW/m 光强下照射。如图5所示，相比直接蒸馏，使用碳黑‑CTAB组合的蒸馏方式可使苯酚的蒸馏率明显下降。