乳状液膜分离法脱除废水中的污染物

【数据记录与处理】
1.数据处理方法 1.1 柠檬黄标准曲线 c/mg/l 100 20 10 5 2.5 1.25 0.625
T% 2.2 21.5 45.2 67 81.5 90 94.2
A 1.657577319 0.66756154 0.344861565 0.173925197 0.088842391 0.045757491 0.025949097
乳状液膜分离法脱除废水中的污染物
黄心权
1153643 同济大学化学工程与工艺专业
【摘要】 乳状液膜分离技术综合了固体膜分离法和溶剂萃取法的特点, 是一种新兴的节能型分离手段。介绍了 乳状液膜的组成和分类, 并对其传质机理和分离过程中的影响因素进行了分析。 【实验目的】 （1）掌握液膜分离技术的机理和操作过程； （2）了解两种不同的液膜传质机理； （3）用液膜分离技术脱除废水中的污染物； （4）用电破乳技术回收浓缩液。 【关键词】 乳状液膜、分离、污染物
【实验部分】
1.实验装置： 制乳搅拌器、传质搅拌器和电破乳器 2.药品： 膜相（煤油、膜增强剂、流动载体） 、内相（氢氧化钠溶液等）和表面活性剂。外相料
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液为柠檬黄燃料溶液。 3.测试仪器： 分光光度计 4. 实验步骤 4.1 制乳 加料时，应将搅拌器转速档置“0” ，电源开关置“关” 。待加料完毕，乳化开始时搅拌 器转速慢慢加快至所需转速。转速最高不宜超过 2000 转/分。由于制乳转速较快，操作时手 不能碰装置。乳化结束，关闭电源后，才能卸下装置出料。制乳时，在一定的油内比 Rio 下，内相和膜相总体积应控制在 100ml 左右。 4.2 传质 传质操作时，按所需的乳水比 Rew，在一定的转速下进行。最低转速的确定应以乳状液 与外相料液能充分混均匀为前提来选择。取样时间间隔的确定原则是：转速越快，取样时间 间隔越短。靠近起始阶段，取样点应密集。转速最高一般不超过 400 转/分。传质过程中乳 状液和外相料液的总体积应控制在 400-500ml 左右。 取样采用长针注射器抽取样品， 样品放 入离心管中离心澄清。 4.3 破乳 本实验采用静电破乳方式。 从电压分可分为低压和高压静电场； 从电源频率分可以分为 直流与交变电场。为了安全起见，搭装置时应切断电源。通电后，应离装置一定的距离，以 防被点击。待切断电源并在两极高压放电后才能卸下装置，出料。 电破乳器功能调节：可用变压器改变电压或改变电极间距，达到调节电场强度的目的。 破乳过程也可以用显微镜观察，用作破乳机理的研究。 4.4 样品分析 所取样品应充分静置。 待乳液层与水层分层完毕后， 再抽取水层用分光光度计进行分析。 4.5 结束实验 实验结束后， 关闭仪器开关， 做好仪器使用记录， 关闭电源； 清晰玻璃仪器， 清洁环境。 待实验教师签字后方可离开。
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1.2 回收率 η =
c 0 −c t c0
（式中c0 为外相料液的初始浓度c0 =100mg/L，ct 为时间为 t 时的外相料液浓度） 1.3 破乳率 ε =
V 1 +V 2 V0
（V0 为待破乳乳状液的体积，V1 为破乳后所得的油相体积，V2 为破乳后所得的水相体积） 2.数据记录与处理 2.1 第一组： 制乳：
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保乳状液的稳定性， 但含有表面活性剂的油相， 容易与水形成加溶现象， 使乳状液溶胀。 [4] 表面活性剂加入使得体系表面张力降低， 分散度增加， 膜稳定性增加， 传质接触表面积增加。 但达到一定量后不再增加。 3.2 传质过程的影响因素 3.2.1 乳水比 Rew 乳水比 Rew 为乳化液膜的体积与被处理料液的体积之比。 反映了液膜一次性处理料液的 能力，其比值越小，液膜处理料液的能力越强。乳水比越大，对应着较大的接触比表面积， 有利于传质。但在处理相同量的料液时，消耗的乳液增多，处理成本也变高。因此，在工程 上有一个权衡的问题。 3.2.2 流动载体 流动载体种类及数量对液膜的稳定性有一定影响 , 有时一种适当的载体可以几十甚至 上百倍地提高分离效率。载体常常是某种萃取剂, 必须具备溶解性、络合性和选择性。载体 一般分为 3 类: 酸性络合萃取剂, 如 P- 204 等; 中性络合萃取剂, 如 T BP ,醇、酮, 酯 类等; 离子缔合萃取剂, 如三辛胺、锌盐等。一般来说, 酸性络合萃取剂的液膜最易破碎, 离子缔合萃取剂次之, 而中性络合萃取剂的液膜不易破碎。[5] 3.2.3 搅拌速率 搅拌速率增高，能强化外相与模界面外侧的对流传质。但搅拌速率过高，对一定稳定性 的膜容易产生破损。 3.2.4 传质推动力 过程速率为总推动力与过程的总阻力之比，提高过程推动力的途径：提高外相浓度、提 高内相浓度和选择与外相物质反应化学反应平衡常数大的内相物质等。 3.2.5 传质阻力 传质阻力主要表现在膜的厚度和黏度上。影响因素主要有：表面活性剂的量、油内比 Rio、温度等。 3.2.6 液膜稳定性 影响液膜稳定性的因素主要有：油内比 Rio、表面活性剂量、搅拌速率、温度、膜黏度 等。有的是系统因素、有的是操作因素。稳定性与膜阻力往往是一对矛盾，在工程上存在一 个优化的选择。 3.3 破乳 静电破乳是借电场的作用使膜强度削弱或破坏， 由于乳液中液珠带有电荷， 在静电场的 极化作用下，乳液中液珠在介质阻力的作用下，由圆珠变成了椭球形，表面形状的改变使膜 各处的张力不等而强度被削弱甚至破坏。特别是在交流电场中，液珠的运动方向不断变化， 在电场中往复扭动使膜削弱而破坏。液滴相互结合而沉降，从而破坏了膜体系。所需静电场 电压越高，破乳越完全。 影响静电破乳的因素主要有：静电压、交直流电场及波形、电极间距、油内比、表面活 性剂量、膜黏度、内相的电解质浓度、制乳转速、温度、乳液老化时间等。
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方面取得了相当显著的成果，展示出了良好的应用前景。[1] 2.实验原理 液膜分离技术(Liquid membrane permeation ,LMP) ,利用这种分离原理分离、纯化， 属于物理分离过程，是一种有效的工业化分离技术。 2.1 乳状液膜的组成 液膜模拟生物膜的结构,通常由膜溶剂、表面活性剂和流动载体组成。它的原理是受生 物膜选择透过性运输功能和固膜技术的启发,将膜分离与溶媒萃取相结合,使选择性渗透、 膜 相萃取和膜内相反萃取 3 个传质环节同时完成。它利用选择透过性原理,以膜两侧的溶质化 学浓度差为传质动力,使料液中待分离溶质在膜内相富集浓缩,分离待分离物质。 一般认为膜两侧相界面上传质分离过程存在简单扩散、化学反应、选择性渗透、萃取和 反萃取及吸附等。液膜的分离效率,关键在于其稳定性和选择性载体的选择。液膜分离涉及 三种液体:通常将合有被分离组分的料液作连续相，称为外相接受被分离组分的液体，称为 内相;成膜的液体处于两者之间，称为膜相。在液膜分离过程中，被分离组分从外相进入膜 相，再转入内相，浓集于内相。如果工艺过程有特殊要求，也可将料液作为内相，接受液作 为外相。这时被分离组分的传递方向，则从内相进入外相。 当乳状液分散到第 3 相时,形成许多直径为 0105~0120cm 的乳珠。在乳珠与第 3 相间有 巨大的接触面积,同时每个乳珠内部又包含无数个直径非常小的内水相微滴 ,分隔水相的有 机液膜最薄可以达到 1~10Lm。 这样具有巨大的接触面积和很薄的液膜,决定了分散体系有很 快的传质速度,具有高效快速的优点。[2] 液膜分离技术是将液膜溶液和反萃取剂在表面活性剂的作用下， 将反萃取剂利用液膜溶 液包裹，制成球形的油包水（W/O）乳状液。其膜很薄（约 10 微米） ，且表面积极大，因此， 它具有极大的处理能力（通量） 。 配制 W/O 乳液选用 HLB315~6 的油溶性表面活性剂,而配制 O/W 乳液则宜选用 HLB8~18 的水溶性表面活性剂,在实际应用中往往是用油溶性和水溶性表面活性剂或离子型和非离子 型表面活性剂复配,使表面活性剂在油水界面形成较高强度的界面膜 ,提高液膜的稳定性。 [3] 溶质透过液膜的迁移过程， 可以根据膜相中是否加入流动载体而分为促进迁移 I 型或促 进迁移 II 型传质。 促进迁移 I 型传质，是利用液膜本身对溶质有一定的溶解度，选择性地传递溶质。促进 迁移 II 型传质，是在液膜中加入一定的流动载体（通常为此溶质的萃取剂） ，选择性地与溶 质在界面处形成络合物， 然后此络合物在浓度梯度的作用下向内相扩散， 至内相界面处被内 相试剂解络（反萃） ，解离出溶质载体，溶质进入内相而载体则扩散至外相界面处再与溶质 络合。这种形式，更大地提高了液膜的选择性及应用范围。 综合上述两种传质机理， 可以看出， 液膜传质过程实际上相当于萃取与反萃取两步过程 同时进行：液膜将料液中的溶质萃入膜相，然后扩散至内相界面处，被内相试剂反萃至内相 （接受相） 。 因此， 萃取过程中的一些操作条件 （如相比等） 在此也同样影响液膜传质速率。 3.影响因素 3.1 乳化过程的影响因素 影响乳化的因素主要有油内比 Roi，即油相和内相的体积比。油内比主要影响液膜的稳 定性和渗透率。油内比小时，制得的乳液粘度差、膜薄、容易破损；油内比增加、稳定性提 高、回收率提高，但是当其较大时，液膜太厚导致传质过程受影响，提取率下降。 乳状液的特点之一就是在油膜中必须使用具有双亲基团的表面活性剂。 表面活性剂能确
透光率 69 69.2 70 67.2 59.5 58.7 54.2 52 48 45.2
吸光度 0.161151 0.159894 0.154902 0.172631 0.225483 0.231362 0.266001 0.283997 0.318759 0.344862
Emulsion Liquid Membrane Removal of Pollutants in Waste Water
XinQuan Huang
Chemical Engineering and Technology of Tongji University
【Summary】 Emulsion liquid membrane separation technology combines feature of the solid membrane separation and solvent extraction. It’s a new energy-efficient means of separation. It describes the composition and classification of Emulsion Liquid Membrane and analyzes the influence of mass transfer mechanism and separation process. 【keyword】 Emulsion Liquid Membrane, Separate, Pollutants
【引言】
1.实验背景介绍 乳状液膜分离技术是膜技术的重要分支之一， 它综合了固体膜分离法和溶剂萃取法的特 点，与生物细胞膜具有相似的作用原理。其显著特点是：高效、专一和条件温和。这是一种 绿色节能的分离方法。 20 世纪 60 年代末，美籍华人黎念之博士在用 du Nuoy 环法测定含表面活性剂水溶液与 油溶液之问的界面张力时，观察到了相当稳定的界面膜，由此开创了研究乳状液膜的历史； 70 年代初 Cussler 在液膜中加人流动载体，使液膜的分离选择性得到了很大的提高；80 年 代中后期， 澳地利格拉兹工业大学的 Marr 等 从粘胶废液中回收锌获得成功， 从而标志着液 膜分离技术进入了实际应用阶段。从此，液膜分离技术得到世界各国的重视，在机理和应用
膜相体积 30 HCl 体积 41
内相体积 60 NaOH 浓度 2
柠檬黄体积 300 HCl 浓度 6
油内比 1.0:2.0 搅拌时间 10
乳水比 1.0:3.0 搅拌转速 1500
样品分析：
组号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
时间 30 45 62 85 111 140 171 228 365 653