CO2/N2開關(guān)親水溶劑對(duì)廢機(jī)油的分離性能研究

廢機(jī)油是一類含有污泥、重金屬以及其他有害物質(zhì)的含油廢棄物[1-3]。因此，對(duì)廢機(jī)油的處理有利于對(duì)環(huán)境的保護(hù)[4]。目前，廢機(jī)油的處理方法主要有硫酸白土再生工藝、薄膜蒸發(fā)加短程蒸餾法等[5-8]。這些方法需要消耗大量的熱量，同時(shí)會(huì)造成溶劑揮發(fā)帶來的二次污染[9]。CO2/N2開關(guān)親水溶劑(SHS)作為一種由CO2調(diào)控親疏水性可逆變化的智能溶劑，其被有效運(yùn)用于瀝青、豆油等的提取和分離[10-12]，過程中只需要通過CO2/N2的調(diào)控，即可實(shí)現(xiàn)提取物的分離，同時(shí)溶劑也能得到回收利用[13-15]?；诖耍疚睦肅O2/N2開關(guān)親水溶劑(SHS)處理廢機(jī)油，為廢機(jī)油的處理提供一種新的方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

CO2/N2開關(guān)親水溶劑(SHS)：三乙胺(TEA)、N，N-二甲基環(huán)己胺(DMCHA)、N，N-二甲基丁胺(DMBA)均為分析純；實(shí)驗(yàn)用水為去離子水；CO2(>99.99%)，N2(>99.99%)；廢機(jī)油。

FA1004分析天平；DDS-307A電導(dǎo)率儀；TD6M臺(tái)式離心機(jī)；DF-101S恒溫磁力攪拌器。

1.2 CO2/N2開關(guān)親水性溶劑對(duì)廢機(jī)油的處理

CO2/N2開關(guān)親水溶劑(SHS)對(duì)廢機(jī)油處理的工藝流程見圖1。

圖1 CO2/N2開關(guān)親水溶劑處理廢機(jī)油工藝流程圖Fig.1 The process of treating waste oil with switchable solvents

將開關(guān)親水溶劑和廢機(jī)油按一定的比例(V∶m=1∶1，2∶1，3∶1)充分混合后，以一定劑水體積比(1∶1，1∶2，1∶3)加入純水，溶液呈兩相，以1 L/min 的氣速通入CO2至溶液呈均一相，以5 000 r/min離心，回收廢機(jī)油；分離得到的水溶液，在水浴加熱60 ℃條件下，以1 L/min 的氣速通入N2，開關(guān)親水溶劑得到回收，可再循環(huán)使用。

2 結(jié)果與討論

2.1 開關(guān)親水溶劑的開關(guān)性測(cè)試

通過電導(dǎo)率的變化來測(cè)試開關(guān)親水性溶劑的開關(guān)性，在相同條件下通入CO2、N2，開關(guān)親水性溶劑(三乙胺、N，N-二甲基環(huán)己胺、N，N-二甲基丁胺)的電導(dǎo)率變化見圖2。

圖2 N，N-二甲基環(huán)己胺(a)、三乙胺(b)和N，N-二甲基丁胺(c)在通入CO2、N2的電導(dǎo)率變化

由圖2可知，在通入CO2條件下，三乙胺、N，N-二甲基環(huán)己胺、N，N-二甲基丁胺的電導(dǎo)率迅速增加至不變，通入N2后，電導(dǎo)率逐漸下降至穩(wěn)定不變。電導(dǎo)率的可逆變化表明研究的三種開關(guān)親水溶劑都具有很好的開關(guān)性。其中在相同條件下，N，N-二甲基環(huán)己胺的電導(dǎo)率呈現(xiàn)較大幅度可逆變化，表明N，N-二甲基環(huán)己胺具有很好的開關(guān)性。這種開關(guān)特性為廢機(jī)油的分離提供了可能。

2.2 開關(guān)親水溶劑與廢機(jī)油的相溶性測(cè)試

要實(shí)現(xiàn)廢機(jī)油的分離，首先利用開關(guān)親水溶劑廢機(jī)油，實(shí)驗(yàn)考察了不同體積比下廢機(jī)油和開關(guān)親水性溶劑(三乙胺、N，N-二甲基環(huán)己胺、N，N-二甲基丁胺)的相溶性，結(jié)果見圖3。

圖3 N，N-二甲基環(huán)己胺(a)、三乙胺(b)和N，N-二甲基丁胺(c)和廢機(jī)油的相溶性

由圖3可知，三乙胺、N，N-二甲基環(huán)己胺、N，N-二甲基丁胺和廢機(jī)油可以相互溶解成均一相，這表明三種開關(guān)親水性溶劑和廢機(jī)油均具有很好的相溶性。

2.3 開關(guān)親水溶劑與廢機(jī)油的分離

不同開關(guān)親水溶劑和廢機(jī)油的分離效果見圖4。

圖4 不同開關(guān)溶劑N，N-二甲基環(huán)己胺(a)、N，N-二甲基丁胺(b)、三乙胺(c)和廢機(jī)油的分離效果Fig.4 The separation of waste oil with different SHS DMCHA (a)，DMBA (b)，TEA (c)

由圖4可知，三乙胺和廢機(jī)油的分離容易產(chǎn)生乳化現(xiàn)象，不利于廢機(jī)油的分離。N，N-二甲基環(huán)己胺、N，N-二甲基丁胺表現(xiàn)出很好的分離效果。因此，實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步深入探討N，N-二甲基環(huán)己胺和廢機(jī)油的分離。

2.3.1 不同劑水比對(duì)廢機(jī)油分離效率的影響 不同劑水比(體積比)對(duì)不同比例混合的廢機(jī)油和溶劑分離效率的影響見圖5。

圖5 不同劑水比對(duì)不同比例混合的廢機(jī)油和溶劑分離效率的影響Fig.5 The effect of ratio of solvent and water to the separation efficiency of waste oil and solvent

由圖5可知，隨著溶劑和水的比例增加，廢機(jī)油的分離效率逐漸增加；相同劑水比下，油和溶劑的比例越大，廢機(jī)油的分離效率越低。由于越大的劑水比增加了開關(guān)親水溶劑和水接觸面積，促進(jìn)開關(guān)溶劑和水的反應(yīng)，有利于開關(guān)親水溶劑從疏水性向親水性轉(zhuǎn)變，使得廢機(jī)油分離[16]?？紤]水和溶劑的有效利用，因此對(duì)廢機(jī)油的處理采取合適油、溶劑和水的比例為1∶2∶6(g∶mL∶mL)。

2.3.2 CO2通入時(shí)間對(duì)廢機(jī)油分離效率的影響 CO2通入時(shí)間對(duì)廢機(jī)油分離效率的影響見圖6。

圖6 CO2通入時(shí)間對(duì)廢機(jī)油分離效率的影響

由圖6可知，隨著CO2通入時(shí)間的增加，廢機(jī)油分離效率逐漸增加，當(dāng)CO2通入時(shí)間為2 h，分離效率幾乎達(dá)到最高。因此CO2通入時(shí)間應(yīng)控制為2 h。

2.3.3 溫度對(duì)廢機(jī)油分離效率的影響 溫度對(duì)廢機(jī)油分離效率的影響見圖7。

圖7 溫度對(duì)廢機(jī)油分離效率的影響

由圖7可知，隨著溫度的增加，廢機(jī)油的分離效率逐漸降低。因此升溫不利于廢機(jī)油的分離，分離可選取在常溫下進(jìn)行。

2.4 開關(guān)親水溶劑的回收

在60 ℃水浴下通N2，開關(guān)親水溶劑可以得到以回收，N，N-二甲基環(huán)己胺的回收率隨時(shí)間的變化見圖8。

圖8 開關(guān)親水溶劑的回收率和時(shí)間的關(guān)系

由圖8可知，隨著N2的持續(xù)通入，N，N-二甲基環(huán)己胺的回收率逐漸增加，最終約為90%的N，N-二甲基環(huán)己胺可以得到回收。

3 結(jié)論

(1) 三種CO2/N2開關(guān)親水性溶劑(三乙胺(TEA)、N，N-二甲基環(huán)己胺(DMCHA)、N，N-二甲基丁胺(DMBA))均具有較好的開關(guān)性，且和油具有很好的混溶性。

(2) CO2/N2開關(guān)親水性溶劑和廢機(jī)油的分離的最優(yōu)條件為：以N，N-二甲基環(huán)己胺(DMCHA)為溶劑，油、溶劑和水的比例為1∶2∶6(g∶mL∶mL)，CO2通入時(shí)間應(yīng)控制為2 h，常溫。廢機(jī)油的分離效率可達(dá)到約為97%。

(3) 在60 ℃水浴下通N2，開關(guān)親水溶劑可以得到回收，N，N-二甲基環(huán)己胺的回收率最終可達(dá)到約為90%。