膜萃取处理高浓度苯胺废水膜传质动力学_周集体

第50卷第1期2010年1月大连理工大学学报JournalofDalianUniversityofTechnologyVol.50,No.1Jan.2010文章编号:1000-8608(2010)01-0020-06膜萃取处理高浓度苯胺废水膜传质动力学周集体,吴丽丽,张爱丽＊,杨桦(大连理工大学环境与生命学院,辽宁大连116024)摘要:采用膜萃取新工艺处理高浓度苯胺废水.工艺中料液侧苯胺分子透过无孔硅橡胶膜与萃取液侧的HCl反应生成苯胺盐酸盐达到分离富集的目的.实验考察了料液流量、反应温度等因素对膜萃取性能的影响,分析了萃取回收率、HCl质量分数及萃取液pH等对系统的影响,并考察了该工艺对绿源药业工业含苯胺废水的应用效果.实验发现:无孔硅橡胶膜对苯胺分子有较稳定的透过性和较高的渗透通量;总传质系数与温度之间符合Arrhenius关联式.对系统进行物料衡算,发现苯胺的回收率维持在93%以上.在进水流量Fw=3.05L·d-1,T=323K,pH≈1,膜管长L=18m的条件下,模拟废水苯胺去除率可达97%.在上述操作条件下,处理绿源药业工业苯胺废水,苯胺去除率亦在97%以上.关键词:硅橡胶膜;膜萃取;传质系数;苯胺废水中图分类号:TQ028.8文献标志码:A收稿日期:2007-12-03;修回日期:2009-11-25.作者简介:周集体(1956-),男,教授,博士生导师;张爱丽＊(1958-),女,副教授,E-mail:zal58@163.com.0引言苯胺是典型的芳香胺类物质,毒性很强,国家规定工业废水中苯胺类物质的最高允许排放浓度为3mg·L-1,所以高浓度苯胺废水在排放之前必须进行回收.常用的回收方法主要有溶剂萃取法、活性炭吸附法、液膜法等.但这些方法都存在一些缺点,如溶剂萃取法有溶剂损失,需二次处理,工艺繁琐;吸附法中吸附剂需再生,再生设备庞大,成本较高;液膜法对操作要求高,且总存在不稳定性.这些限制了其在工业上的应用.固体膜萃取是膜分离与液-液萃取相结合的一种新型分离技术,相对于传统的液-液萃取,有其独特的优势[1].硅橡胶膜是一种均相聚合物材料无孔膜,它作为分离膜既可以避免有孔膜存在的相分离和不稳定的缺点,又因其本身的疏水性,对疏水性小分子有较高的渗透性,且价廉易得[2、3],受到人们的广泛关注.Ferreira等[4～7]将硅橡胶膜应用于膜萃取中,使两相浓度维持在不同水平,该工艺具有处理污染物效率高,能量消耗低,可以回收有用物质,且回收产品纯度高等优点.目前这方面的研究在国内鲜有报道,为此本文采用无孔硅橡胶膜作为分离膜,通过膜萃取处理高浓度苯胺废水的实验研究,探索不同工艺参数对传质过程的影响,以期为膜萃取工艺实际工业设计和应用提供依据.1理论分析无孔硅橡胶膜的膜萃取过程可分为5步[8]:渗透分子(Ⅰ)由料液相扩散进入膜界面;(Ⅱ)膜表面的吸附;(Ⅲ)膜内扩散;(Ⅳ)膜-萃取液界面分子解吸;(Ⅴ)由膜-萃取液界面扩散进入萃取液主体相.膜萃取传质示意图见图1.图1膜萃取传质示意图Fig.1Schematicdiagramofmasstransferofmembraneextraction图1中,Pm/f为膜进水侧苯胺分配系数;Pm/s为膜萃取液侧苯胺分配系数;C＊f、C＊s分别为进水侧和萃取液侧界面苯胺浓度,mg·L-1;Cf为废水中苯胺浓度,mg·L-1;Cs为萃取液中分子态的苯胺浓度,mg·L-1;Cf-Cs为驱动力,mg·L-1.假设渗透分子在膜内和边界层中没有积累,利用双膜理论和串联阻力模型可得以下关系式.传质速率J=Q/A=Kov(Cf-Cs)(1)式中:A为膜有效面积,m2;Kov为总传质系数,m·s-1.总传质系数1Kov=1kf+riln(ro/ri)DK+riEroks(2)式中:kf为进水侧液膜传质系数,m·s-1;ri为膜管内径,mm;ro为膜管外径,mm;D为溶质在膜内的扩散系数,m2·s-1;K为分配系数;E为化学增强因子;ks为萃取液侧液膜传质系数,m·s-1.系统达到稳定时有-FwCfX=Kov(2πri)(Cf-Cs)(3)其中Fw为苯胺进水流量,L·d-1.沿管长积分得到lnCf,out-CsCf,in-Cs=-2πriFwKovL(4)式中:Cf,in、Cf,out分别为进水和出水中的苯胺浓度,mg·L-1;L为膜管长度.苯胺为弱碱,在萃取液中分子态的苯胺浓度可表示为Cs=Cts1+10-pH/Ka(5)式中:Cts为萃取液中总的苯胺浓度,g·L-1;Ka为苯胺离解常数,2.34×10-5.将式(5)代入式(4)得Kov=-Fw2πriLlnCf,out-Cts1+10-pH/KaCf,in-Cts1+10-pH/Ka(6)根据酸碱解离平衡,分子态苯胺、离子态苯胺占总苯胺的摩尔分数