醇－鹽雙水相技術去除水中的對氨基酚

曹文，高云濤，王紅斌，馬存嬌，李孔明

(1.云南民族大學教育學院，云南昆明650031; 2.云南民族大學化學與生物技術學院，云南昆明650031)

醇－鹽雙水相技術去除水中的對氨基酚

曹文1，高云濤2，王紅斌2，馬存嬌2，李孔明2

(1.云南民族大學教育學院，云南昆明650031; 2.云南民族大學化學與生物技術學院，云南昆明650031)

研究了丙醇–硫酸銨雙水相體系分離水中對氨基酚的新方法，考察了萃取體系中的硫酸銨用量、正丙醇用量、pH值對萃取率的影響，通過L9(33)正交試驗對萃取條件進行了優(yōu)化.確定萃取條件為:pH值為4.5，硫酸銨用量為15.0 g，正丙醇為20 mL，在最佳條件下經(jīng)過3次連續(xù)萃取，萃取率達99.41%.改進了分光光度法測定對氨基酚含量的方法，實驗結果表明該方法快速、準確、萃取率高，處理過的含對氨基酚的水樣達到GB8978—1996中的一級標準.

對氨基酚;雙水相萃取;分光光度法

對氨基酚(PAP，paraaminophenol)是一種應用廣泛的精細化工中間體，主要用于醫(yī)藥、橡膠、染料、飼料、石油、攝影等行業(yè)，在其生產(chǎn)過程中排出含有對氨基酚的廢水會對環(huán)境造成污染，因此控制廢水中對氨基酚的濃度具有重要意義.自1994年以來，世界PAP產(chǎn)量以平均每年5%的速度增加，與此同時，PAP生產(chǎn)過程中排放的廢水量也逐年增加［1］.近年來，國內外對PAP廢水的處理逐漸重視，多種PAP廢水的處理方法相繼見諸報道，有物化法、化學法和生物法［2］.雙水相萃取與一般的水－有機物萃取的原理相似，都是依據(jù)物質在兩相間的選擇性分配［3－5］，目前報道較多的是低級醇－鹽雙水相水體系，即在普通的水溶性有機溶劑如乙醇、丙醇中加入無機鹽，利用無機鹽的水化作用形成低級醇－鹽雙水相體系.該法能克服傳統(tǒng)雙水相成本高、目標物回收和后續(xù)處理較困難等問題，過程易于放大，生物親和性較好、溶劑容易回收，易于與其它技術集成，近年來受到人們關注.

本文將丙醇－硫酸銨雙水相體系應用于PAP的萃取分離，并用正交試驗對萃取分離工藝進行了優(yōu)選.利用該體系處理水中的PAP達到了《污水綜合排放標準》(GB8978—1996)中的揮發(fā)酚類的Ⅰ級排放要求.對氨基酚的檢測采用分光光度法，并在貝特洛試劑的基礎上改進了氧化劑及其用量、波長和顯色時間等分析條件.

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

721型分光光度計(龍尼科(上海)儀器有限公司);AR2140電子分析天平(上海第二天平儀器廠); pHS－3C精密pH計(上海天達儀器有限公司).

苯酚;亞硝基鐵氰化鈉;次氯酸鈉溶液(分析純);硫酸銨;自制貝特洛試劑(溶液Ⅰ和溶液Ⅱ);正丙醇(AR);0.1 mol/mL HAc－NaAc的緩沖溶液;對氨基酚標準溶液;水樣;試驗用水為無酚水.

1.2 實驗方法

1.2.1 系列溶液及含酚水樣的制備

溶液Ⅰ的配制:稱取10 g苯酚、0.05 g亞硝基鐵氰化鈉置于小燒杯中，加水溶解后轉移入100 mL棕色容量瓶中，稀釋至刻度，搖勻備用.

溶液Ⅱ(堿性次氯酸鈉溶液)的配制:稱取5.002 4 g氫氧化鈉溶解后與0.36 mL次氯酸鈉溶液混合，定容至1 000 mL容量瓶中，搖勻備用.

對氨基酚標準溶液配制:稱取對氨基酚0.102 4 g，用0.03 mol/L的硫酸溶液溶解并定容于100 mL棕色容量瓶中.該溶液每毫升含對氨基苯酚1 mg，用時稀釋成0.05 mg/mL的對氨基酚溶液.

含酚水樣的制備:準確稱取1 g對氨基酚在燒杯中溶解并定容于1000 mL容量瓶中，得到含PAP水樣.1.2.2檢測原理及方法

原理:對氨基酚溶液在亞硝基鐵氰化鈉的催化作用下，被次氯酸氧化成醌氯亞胺，在堿性(pH＞11)條件下，醌氯亞胺與苯酚反應生成一種藍色顯色物質靛酚［5］，其反應式如圖1.

方法:準確移取0.05 g/mL的對氨基酚標準溶液5 mL于50 mL棕色容量瓶中，加1.0 mL溶液I， 5 s后加入13.0 mL溶液Ⅱ，用5%的氫氧化鈉溶液定容至刻度，搖勻，在室溫下避光放置25 min;另取1份空白溶液，在632 nm處，用1 cm比色皿，以空白溶液做參比，測定溶液的吸光度［4］.

1.2.3 標準曲線的繪制

準確移取溶液Ⅰ1.0 mL，溶液Ⅱ13.0 mL于50 mL容量瓶中，加入不同量的對氨基酚標準溶液，顯色放置25 min，按上述檢測方法測定吸光度，繪制標準曲線.得到回歸方程Y=2.404ρ–0.046，r2=0.999 2.實驗表明，對氨基酚含量在0.05～0.40 mg之間有良好的線性關系.

水樣中對氨基酚的質量濃度按下式計算:

式中，m為水樣吸光度經(jīng)空白校正后從標準曲線上查得的對氨基酚質量(mg);V為移取下相液體積(mL).

萃取率按下式計算:

式中，ρ為原水樣中對氨基酚的質量濃度(mg/L);ρ1為萃取后水樣中對氨基酚質量濃度(mg/L).

1.2.4 萃取方法

取50 mL水樣于125 mL梨形分液漏斗中，在該漏斗中加入準確稱取的硫酸銨和移取的正丙醇，用HAc－NaAc的緩沖溶液調節(jié)溶液pH值為4.5，搖勻，靜置1 h，觀察分相情況.

2 結果與討論

2.1 硫銨用量對萃取率的影響

取50.0 mL水樣，固定正丙醇用量為15 mL，pH值為6左右，按照1.2.4方法分別加入不同量的硫酸銨，測定萃取后水樣的吸光度，結果見圖2.

從圖2可以看出，隨著硫酸銨用量的逐步增加，PAP去除率(即萃取率)呈上升趨勢.硫酸銨用量增加對萃取率的影響可用無機鹽的水化作用解釋［6］.硫酸銨用量增加導致析相作用增強，使正丙醇與水逐漸分離，從而正丙醇相中正丙醇的相對濃度增大，提高酚類在正丙醇相中的溶解度;另一方面，硫酸銨用量增加加強了正丙醇與酚類物質之間氫鍵萃合物的生成，提高了萃取分配系數(shù).

2.2 正丙醇用量對萃取率的影響

固定硫酸銨用量為15 g，pH值為6左右，取50.0 mL水樣，按照1.2.3方法，分別加入不同量的正丙醇，測定萃取后水樣的吸光度，結果見圖3.

從圖3可以看出，正丙醇用量越大，去除效果越好，水中PAP殘余量越低.因為加大正丙醇用量就加大了酚和溶劑接觸面積，提高了萃取分配系數(shù).再次，正丙醇和酚的結構有相似性，對酚有很大的溶解能力［7］.隨著正丙醇用量的增加，PAP去除率增加，當正丙醇用量為25 mL時，PAP幾乎去除完全.

2.3 pH值對萃取率的影響

固定硫酸銨用量為15 g，正丙醇用量為25 mL，取50.0 mL水樣，按照1.2.3方法，加入0.1 mol/mL HAc－NaAc的緩沖溶液，調節(jié)pH值，測定萃取后水樣的吸光度，結果見圖4.

從圖4可以看出，pH值上升不利于PAP的去除，應把pH值控制在1.8～4.5的范圍內.

當pH=4.52時，萃取率達到最大92.67%.pH值繼續(xù)增大，萃取率反而下降.這是因為正丙醇－硫酸銨雙水相體系的形成是鹽析作用的結果，溶液pH值的提高使硫酸銨的鹽析作用減弱，從而影響酚的結構、電離程度和表面電荷等，從而影響萃取率［8］.因此，pH值是雙水相體系中分配的一個重要因素，且相對易于控制，所以也成為雙水相萃取分離的主要控制條件.

pH＞6.00時，即在堿性環(huán)境下，酚類容易生成鹽，在水中的水溶解性就加強，因此，萃取不易在堿性環(huán)境中進行.

2.4 正交實驗

以硫酸銨質量A、正丙醇體積B、pH值C為因素，建立L9(33)正交表進行正交試驗，得出影響對氨基酚萃取率的3個因素的主次順序為正丙醇用量＞硫酸銨用量＞pH值，且當醇和鹽的加入量越多時，萃取率越高.正交試驗結果表明，當正丙醇用量為20 mL，硫酸銨用量為15 g，pH值調至4.5左右時，萃取效果最佳，萃取率達90.43%;正交試驗結果表可知A2B1C2萃取率最好，見表1、表2.

表1 正交試驗因素水平表

表2 正交試驗表及結果表

2.5 萃取次數(shù)實驗

固定硫酸銨為15 g，pH值為4.5左右.按照下表將正丙醇分2次和3次加入，中間間隔30 min.觀察分相情況并測定其吸光度，結果見表3、表4和圖5.

表3 2次萃取試驗結果

表4 3次萃取試驗結果

從表3、4及圖5可以看出:分3次萃取具有用量少、萃取效果好的優(yōu)點.3次萃取時正丙醇總用量為20 mL就達到了99.41%的萃取率.

2.6 方法精密度和準確度

取對氨基酚標樣，進行5次平行測定，測得吸光度分別為:0.290、0.291、0.294、0.291、0.293，平均值為0.292，標準偏差為0.001 7，方法的重現(xiàn)性良好.

2.7 回收率實驗

向5mL水樣中加入一定量標樣，其余方法同前.對2個不同濃度的對氨基酚標準溶液分別做5次平行測定，平均回收率為99.3%，說明該方法有較高的準確性.

3 結論

本研究結果表明，正丙醇–硫酸銨雙水相體系對水中的對氨基酚有較好的萃取效果，該體系具有傳質速率和平衡速度快、回收率較高、分相時間短和便于后續(xù)處理等優(yōu)點.

影響萃取的因素有硫酸銨用量、丙醇用量、pH值等，pH值對萃取效果有較大影響;試驗表明連續(xù)萃取效果優(yōu)于單次萃取，經(jīng)過3萃取，揮發(fā)酚殘余量明顯下降，達到國家《污水綜合排放標準》(GB8978—1996)中的一級標準.

在貝特洛試劑的基礎上改變了溶液Ⅱ的配制方法，減少了次氯酸鈉的用量，一方面節(jié)省了氧化劑的用量，另一方面縮短了顯色時間.因為該實驗中氧化劑用量較大，減少用量后可以避免因多次配制而產(chǎn)生的操作誤差，用分光光度法測定水樣中對氨基酚的含量，準確度、重現(xiàn)性都較好.

［1］孫成俊，王勇艷.對氨基酚生產(chǎn)廢水處理的研究狀況［J］.化工環(huán)保，2001，21(5):270－273.

［2］辜鵬，謝放華，黃海艷，等.雙水相萃取技術的研究現(xiàn)狀與應用［J］.化工技術與開發(fā)，2007，36(11):29－33.

［3］周長麗，薛士科.淺談中國焦化度水處理技術進展及其應用［J］.煤礦環(huán)保，2007，13(4):78－81.

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［5］胡國強，王曉兵.貝特洛試劑作氧化劑分光光度法測定對氨基酚［J］.化學世界，1995，12(2):93－95.

［6］高云濤，王偉.金(Ⅲ)在聚乙二醇－硫酸銨雙水相體系中的分配行為及萃取機理［J］.應用化學，2002，19 (6):578－581.

［7］嚴?？?，俞俊棠.生化分離工程［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2001.

［8］曹文，高云濤，王紅斌，等.醇－鹽雙相技術去除廢水中的酚類物質［J］.化學研究與應用，2009，21(7):1064－1066.

(責任編輯戴云)

Study on the Treatment of Para－Aminophenol in Water with the Propyl Alcohol－Ammonium Sulfate ATPS

CAO Wen，GAO Yun-tao，WANG Hong-bin，MA Cun-jiao，LI Kong-ming
(1.School of Education，Yunnan University of Nationalities，Kunming 650031，China; 2.School of Chemistry and Biotechnology，Yunnan University of Nationalities，Kunming 650031，China)

This research provided a new method to separate para－aminophenol from waste water with the propyl alcohol－ammonium sulfate ATPS(aqueous two－phase systems)and studied the amount of ammonium sulfate and propyl－alcohol，the effects of pH value on the extraction rate and the optimum conditions in L9(33)orthogonal test with the following results:the optimum extraction conditions are as follows:the amount of ammonium sulfate is 15.0 g，the amount of propyl－alcohol is 20 mL，and the pH value is 4.5.An extraction yield of 99.41%is obtained under such conditions in third extractions.This new method is better than the spectrophotometric method for determining the content of para－aminophenol is fast，efficient and accurate.The processed para－aminophenol waste water is up to the first－class standard in GB8978—1996.

paraaminophenol;aqueous two－phase extraction;spectrophotometric method

O 657.32

A

1672－8513(2012)04－0256－04

10.3969/j.issn.1672－8513.2012.04.006

2011－06－21.

云南省教育廳科學研究項目(07Y11397).

曹文(1967－)，女，講師.主要研究方向:環(huán)境科學、食品科學研究.