均质硅橡胶膜萃取含酚水溶液传质特性研究_肖敏

第49卷第3期2009年5月大连理工大学学报JournalofDalianUniversityofTechnologyVol.49,No.3May2009文章编号:1000-8608(2009)03-0333-07均质硅橡胶膜萃取含酚水溶液传质特性研究肖敏＊1,2,周集体1,张爱丽1,殷国监1(1.大连理工大学环境与生命学院,辽宁大连116024;2.沈阳大学生物与环境工程学院,辽宁沈阳110044)摘要:构造了卷绕式及管束式两种膜组件,采用均质硅橡胶膜材料,以氢氧化钠溶液为萃取液,研究了含酚水溶液的膜萃取过程.基于液-膜-液的串联传质阻力模型,通过实验测定了体系的总传质系数.分析讨论了苯酚溶液浓度、流动状态和温度因素对膜萃取传质过程的影响,得出了总传质系数与料液流动状态及温度之间关系的数学模型.实验值与理论值的相对偏差在10%以内,表明所得的关联式可信、有效.关键词:均质硅橡胶膜;苯酚;膜萃取;传质;数学模型中图分类号:TQ028.8文献标志码:A收稿日期:2007-03-04;修回日期:2009-01-04.作者简介:肖敏＊(1978-),女,博士,E-mail:xyz012263@163.com;周集体(1956-),男,教授,博士生导师.0引言含酚废水来源于石油化工、煤化工、苯酚、酚醛树脂等生产过程,是一种水量大、污染范围广、危害严重的工业废水.传统分离回收高浓度(>1000mg/L)含酚废水使用溶剂萃取、吸附、离子交换等技术[1、2].近年来出现的膜萃取[3～5]技术,优于传统的溶剂萃取,其传质过程不存在液滴的分散和聚合,具有溶剂夹带少、传质比表面积大、可以抑制“返混”、无“液泛”限制、可放宽对萃取剂物性的要求等优点,是处理含酚废水的新型技术.采用均质硅橡胶膜的膜萃取技术,优于使用微孔膜材料的膜萃取技术,其对挥发性有机化合物有选择透过性,且耐溶胀[5～7].目前,Han等已利用均质硅橡胶膜对酚类化合物的选择透过性,研发了一种从工业废水中分离回收酚类化合物的新型膜分离技术[8、9].但该技术的传质机理与过程还有待进一步的深入研究.苯酚与其他酚类化合物有相近的物性,可作为酚类化合物代表.因此,本文以苯酚为目标污染物,开展高浓度含酚水溶液的均质硅橡胶膜萃取传质机理及特性研究,以期为分离回收苯酚的新型膜萃取工艺设计和运行实践提供理论依据.1传质机理分析及数学模型的建立液体通过均质无孔膜的传递基本上可用溶解-扩散机理来描述:假设溶质和溶剂都能溶解于均质膜表面,然后在化学势推动下扩散通过膜,再从膜下游侧解吸.两种物质的溶解度参数(单位体积分子内聚能的平方根[5])越接近,则互溶性越好.硅橡胶、苯酚及水的溶解度参数分别为15.7、25.3与47.9MPa1/2.均质硅橡胶膜的膜萃取传质过程如图1所示,分为3个过程:与膜溶解度参数相近的苯酚在膜表面上有选择地被吸附并溶解;在浓度差的作用下,苯酚在膜内扩散;在膜的透过侧与萃取液反应生成离子态酚钠盐,离子态的酚无法再渗透过膜,从而与膜分离.因苯酚与氢氧化钠的化学反应平衡常数适中(104),而其在硅橡胶膜内的渗透系数较低(1.34×10-10m2/s),且萃取液侧保持湍流状态,可认为渗透过膜的苯酚立即与氢氧化钠反应,被萃取液迅速移走,其传质阻力可忽略不计;又因苯酚的解离常数Ka较高(1.29×10-10),化学反应对传质的增强作用可忽略[10].因此,苯酚在硅橡胶膜萃取操作中的总传质阻力由膜面上的对流传质阻力以及膜内的扩散传质阻力组成.为描述膜萃取的传质过程,作如下简化及假设:稳态操作;组分在液相边界层内及膜内的扩散遵循Fick第一定律,膜内传质为一维传质过程;在膜表面,组分的溶解处于平衡状态;膜内温度为常数;在本实验的浓度范围内,在固定温度下,溶质在料液相和膜相间的分配系数及其在膜中的扩散系数不变;传质过程中膜不发生形变;膜中任意位置扩散相的总密度恒定;忽略水相中溶质分子的缔合.图1膜萃取过程浓度分布Fig.1Concentrationprofileinmembraneextraction当膜萃取过程处于稳态时,基于液-膜-液的串联传质阻力模型,以料液和管内表面积为基准,对管式膜可推导出一个两段传质动力学方程J=Kov(Cf-Cs)(1)1Kov=1kt+1km=δDi,w+riln(ro/ri)KDi,m(2)kt=aRebtμρDi,wcdLeDi,wd=αRebt(3)km=KDi,mriln(ro/ri)=Priln(ro/ri)(4)式中:Cf、Cs分别为料液相、萃取相中分子态酚浓度,mg/L;Ci,m、C′i,m、Ci,w分别为料液侧与膜界面处膜侧、膜界面处与萃取液侧膜侧、料液侧与膜界面处料液侧酚浓度,mg/L;Di,m、Di,w分别为苯酚在膜中与水溶液中的扩散系数,m2/s