液膜萃取法處理冶金工業(yè)廢水
冶金工業(yè)是重要的原材料工業(yè)部門,也是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。冶金工業(yè)產(chǎn)品繁多,其工業(yè)廢水排放量大、成分復(fù)雜,重金屬離子、鹽分等含量高,不僅是污染環(huán)境的主要廢水之一,還是水處理領(lǐng)域全球性難題。因此,探討對(duì)于冶金廢水的處理顯得尤為重要。目前液膜分離技術(shù)在冶金廢水處理中的研究發(fā)展迅速,為此,本文主要探討液膜萃取法處理冶金工業(yè)廢水氨氮的研究。
1、液膜分離技術(shù)及其在工業(yè)廢水處理中的應(yīng)用
1.1 液膜分離技術(shù)
液膜分離技術(shù)是20世紀(jì)60年代問(wèn)世的一種新型膜分離技術(shù)。液膜分離的實(shí)質(zhì)是通過(guò)所謂的“離子泵”效應(yīng),濃縮廢水中的陰陽(yáng)離子,以提取相應(yīng)的元素。目前,液膜分離傳質(zhì)過(guò)程分為化學(xué)反應(yīng)促進(jìn)和載體促進(jìn)兩種。其中,化學(xué)反應(yīng)促進(jìn)又叫促進(jìn)輸送,無(wú)載體液膜傳質(zhì)分離,或是Ⅰ型促進(jìn)遷移,其機(jī)理為利用一個(gè)選擇性不可逆反應(yīng),從而使封閉相中的滲透物的濃度實(shí)質(zhì)上為0;無(wú)載體液膜的分離機(jī)理主要有選擇性滲透、化學(xué)反應(yīng)和吸附等。載體促進(jìn)又叫載體輸送,有載體液膜傳質(zhì)分離,或是Ⅱ型促進(jìn)遷移,其機(jī)理為利用一個(gè)流動(dòng)選擇性可逆反應(yīng),從而增大膜內(nèi)濃度梯度,進(jìn)而提高輸送效果,達(dá)到有選擇性的物質(zhì)分離的目的;載體促進(jìn)分為離子型和非離子型,主要有逆向遷移和同向遷移兩種。
1.2 液膜分離技術(shù)優(yōu)點(diǎn)及其應(yīng)用
液膜過(guò)程與溶劑萃取具有許多相似之處,不同的是,液膜過(guò)程打破了溶劑萃取所固有的化學(xué)平衡,其萃取與反萃取分別同時(shí)發(fā)生在膜的兩側(cè)界面,是一種“內(nèi)耦合”方式和非平衡傳質(zhì)過(guò)程。也正因如此,液膜過(guò)程具有如下優(yōu)點(diǎn):傳質(zhì)動(dòng)力大,所需分離級(jí)數(shù)少;試劑消耗量少;選擇性好;傳質(zhì)速率高;“上坡”效應(yīng)或者溶質(zhì)“逆濃度梯度”的效應(yīng),使其在從稀溶液中提取與濃縮溶質(zhì)方面具有優(yōu)勢(shì)。
目前,液膜技術(shù)在生物醫(yī)藥、化工生產(chǎn)、濕法冶金、稀有金屬的提取,尤其在廢水處理等方面應(yīng)用廣泛。其中,在廢水處理中的應(yīng)用包括含金屬離子廢水的處理、含弱酸離子及有機(jī)質(zhì)廢水的處理、氨氮的處理等??梢哉f(shuō),液膜分離技術(shù)在處理冶金工業(yè)廢水領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。
2、液膜萃取法處理冶金氨氮廢水的試驗(yàn)研究
2.1 處理機(jī)理
氨態(tài)氮(NH3-N)易溶于膜相中,可與膜內(nèi)相中的酸發(fā)生解脫反應(yīng):NH3+H+→NH4+,加之由于膜內(nèi)外兩側(cè)氨的濃度不同,推動(dòng)反應(yīng)不斷進(jìn)行,從而將反應(yīng)得到的不溶于油相而穩(wěn)定在膜內(nèi)相中的NH4+去除,達(dá)到分離氨氮的目的。
2.2 試驗(yàn)部分
2.2.1 材料、試劑及儀器
1)實(shí)驗(yàn)材料:某亞鎳廠生產(chǎn)廢水。
2)主要試劑:濃硫酸、氫氧化鈉,分析純;表面活性劑(四種)、煤油,市售工業(yè)品;膜增強(qiáng)劑石蠟,分析純等。
3)主要儀器:FG-1型大功率晶體管高壓發(fā)生器;可調(diào)高速制乳器;JB90-D型大功率晶體管高壓發(fā)生器等。
2.2.2 操作過(guò)程
整個(gè)試驗(yàn)操作過(guò)程包括乳液的制備、廢水處理、破乳及重新制乳?;竟に嚵鞒桃妶D1。
2.2.3分析方法
氨氮的含量用簡(jiǎn)易法測(cè)得,廢水中的氨氮去除用去除率表示。由于乳化液膜內(nèi)外水相中的離子濃度不相等,會(huì)產(chǎn)生液膜溶脹現(xiàn)象,降低萃取效率,因此,可計(jì)算溶脹率。
2.2.4 結(jié)果與討論
2.2.4.1 膜相體系的選擇
試驗(yàn)結(jié)果顯示,ME、環(huán)烷酸環(huán)醇酞胺、聚異丁烯胺及Span-80四類表面活性劑的溶脹率分別為12%、34%、49%及41%,氨氮去除率分別為94.2%、54%、38%及74%,表明ME是處理氨氮廢水效果較好的表面活性劑,可做選用。而且,表面活性劑ME的用量對(duì)氨氮處理效果的影響呈“凸”形拋物線形式,當(dāng)ME質(zhì)量分?jǐn)?shù)在3%時(shí),氨氮去除率最高,在2%~4%時(shí),去除率相對(duì)較高。可能是因?yàn)?,?dāng)表面活性劑濃度較低時(shí),形成的液膜較薄,膜的穩(wěn)定性差,易破;反之,膜有較好的穩(wěn)定性,而且破乳困難,有助于提高氨氮去除率。因此,本試驗(yàn)后期用ME濃度要控制在2%~4%。
2.2.4.2 工藝條件的探索
1)pH值的影響。
試驗(yàn)結(jié)果顯示,隨著外向水pH值的升高,廢水氨氮的去除率不斷上升。具體的,當(dāng)pH值在10~11之間時(shí),隨著外向水pH值的升高,廢水氨氮的去除率上升較快,之后,則上升較慢,如圖2所示。可能由于在近中性廢水中,廢水存在如下平衡:NH3+H2O←→NH4++OH-,當(dāng)pH值大于11時(shí),平衡左移,有利于液膜對(duì)氨的萃取。當(dāng)pH值太大時(shí),雖然對(duì)氨氮去除率更高,但考慮到經(jīng)濟(jì)情況及處理后的廢水pH值不符合排放標(biāo)準(zhǔn),故pH值選擇11~12,此時(shí)氨氮去除率為75%~85%。
2)H2SO4濃度的影響。
冶金工業(yè)廢水的處理必須保持一定的酸濃度才能保證氨的解脫,本試驗(yàn)采用H2SO4來(lái)調(diào)節(jié)酸度,其原理為H2SO4與NH3生成不溶于膜相的硫酸氨,使外相氨不斷進(jìn)入內(nèi)相,以達(dá)到去除氨的目的。本試驗(yàn)主要考察了質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%、10%、15%及20%的硫酸濃度,結(jié)果顯示,隨著硫酸濃度的增大,氨的去除率有所提高,在硫酸濃度為10%時(shí),氨的去除率可達(dá)94%,考慮到酸度太強(qiáng)對(duì)設(shè)備的腐蝕及綜合經(jīng)濟(jì)效益,宜選擇H2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%。
3)油內(nèi)比及乳水比的影響。
油內(nèi)比是影響膜穩(wěn)定性的重要因素,試驗(yàn)結(jié)果表明,油內(nèi)比為1∶1最合適,過(guò)小氨氮去除率下降,過(guò)大則傳質(zhì)速率減慢,且不易破乳。乳水比是影響冶金廢水氨氮去除率的另一重要因素,試驗(yàn)結(jié)果表明,隨著乳水比的不斷減小,其對(duì)氨氮處理效果的影響也呈“凸”形拋物線形式,選用乳水比為1∶8時(shí),既有較好的去除率,又可節(jié)約成本。
4)溫度的影響(見圖3)。
本試驗(yàn)結(jié)果顯示,在溫度為15~40℃之間,隨著溫度的變化,冶金廢水氨氮的去除率皆保持在95%左右,變化不大,因此,本試驗(yàn)中所用液膜可在室溫下使用。
2.2.4.3 破乳方法的選擇
破乳是液膜萃取中的關(guān)鍵步驟,目前乳液的破乳方法主要有化學(xué)破乳法、離心破乳法、加熱破乳法及高壓靜電破乳法四種。本試驗(yàn)結(jié)果表明,高壓靜電破乳為較理想的方法,與大多研究結(jié)果一致。本試驗(yàn)破乳裝置示意圖如下頁(yè)圖4所示。
3、結(jié)語(yǔ)
冶金工業(yè)是重要的原材料工業(yè)部門,也是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。然而,冶金工業(yè)廢水排放量大、成分復(fù)雜,是污染環(huán)境的主要廢水之一和水處理領(lǐng)域全球性難題。根據(jù)以上摸索的條件,在最佳配方配制及最佳試驗(yàn)條件下,通過(guò)二級(jí)處理,某亞鎳廠廢水中的氨氮去除率較高,氨氮含量可達(dá)到國(guó)家一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。(來(lái)源:太原市環(huán)境科學(xué)研究院)