乳狀液膜萃取苯酚廢水的研究

孫家樂，高瞻遠，王森淼，高浩鋒，趙志菲，陸 英

(太原工業(yè)學(xué)院環(huán)境與安全工程系，山西 太原 030008)

1 引言

煤化工等行業(yè)在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量含酚廢水，苯酚及其衍生物具有高毒性和強致癌作用，低濃度便會嚴重影響生物體及環(huán)境，威脅生態(tài)環(huán)境和人類健康。含酚廢水必須經(jīng)過有效處理才能排放，傳統(tǒng)的方法有生物降解、化學(xué)氧化、光催化降解、溶劑萃取和吸附等。

乳狀液膜萃取分離技術(shù)綜合了固體膜和溶劑萃取優(yōu)點，具有傳質(zhì)面積大、傳質(zhì)阻力小、選擇性好、成本低和適用性強等優(yōu)點[1]，在濕法冶金[2]、醫(yī)藥化工和廢水處理[3-4]等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。采用乳狀液膜萃取技術(shù)分離去除酚類有機物，既能減少對環(huán)境的污染，也能回收利用酚類有機物。本研究將油包水乳狀液分散在模擬苯酚廢水中，通過乳狀液膜萃取廢水中的苯酚，探討了乳化條件和萃取條件對萃取效果的影響，包括乳化劑用量、油水比、內(nèi)水相NaOH濃度、內(nèi)水相殼聚糖濃度和萃取時間，并通過電導(dǎo)率測定考察了乳狀液膜的穩(wěn)定性。

2 實驗部分

2.1 油包水乳狀液的制備

首先，將不同比例的煤油和乳化劑Span 80在100 mL燒杯中攪拌混合2 min；然后加入一定濃度的NaOH溶液，采用實驗室多功能分散砂磨機在4000 r/min速度下攪拌5 min，使膜相煤油和內(nèi)水相NaOH溶液充分混合。

2.2 乳狀液膜萃取

取200 mL待處理的100 mg/L苯酚溶液于燒杯中，在250 r/min攪拌速度下加入10 mL上述乳狀液，萃取10 min。然后將混合液轉(zhuǎn)移至分液漏斗中靜置2天分層，取5 mL下層清液在50 mL容量瓶中稀釋10倍。最后利用紫外分光光度計在270 nm波長下測定下層清液稀釋后的吸光度，得到外水相中剩余苯酚的含量，通過差減法計算苯酚去除率。

2.3 電導(dǎo)率法測定乳狀液膜的穩(wěn)定性

在上述萃取過程中，通過電導(dǎo)率儀測定外水相電導(dǎo)率，通過外水相溶液電導(dǎo)率隨時間的變化分析液膜的穩(wěn)定性。

3 結(jié)果與討論

3.1 苯酚溶液標(biāo)準曲線

首先配置100 mg·L-1的苯酚水溶液，取5 mL、10 mL、20 mL、50 mL配置好的苯酚水溶液，分別加入100 mL容量瓶中稀釋至刻度線，搖勻；利用紫外分光光度計在270 nm波長下測定吸光度，測得苯酚溶液的標(biāo)準曲線(R2=99.93 %)，如圖1所示。

圖1 苯酚溶液標(biāo)準曲線

3.2 乳化條件對苯酚去除率的影響

3.2.1 乳化劑用量的影響

固定油水比(膜相煤油和內(nèi)水相NaOH溶液質(zhì)量比)為1：1、NaOH溶液濃度為0.3 mol/L，考察乳化劑用量對苯酚去除率的影響，結(jié)果如圖2所示。隨著乳化劑用量的增加，苯酚去除率先增加后下降，乳化劑用量為0.35 %時，苯酚的去除率為42.15 %。

圖2 乳化劑用量對苯酚去除率的影響

乳化劑作為一種表面活性劑，能吸附在油/水界面產(chǎn)生定向吸附，疏水尾基指向油相，親水頭基指向水相，降低油水界面張力(界面能)，形成具有一定強度的界面膜，提高乳狀液膜的穩(wěn)定性。同時，增加乳化劑用量，會使乳狀液的黏度增大，使乳狀液在外水相中的分散性降低，導(dǎo)致苯酚去除率下降[5]。

3.2.2 油水比的影響

油水比是指膜相煤油和內(nèi)水相NaOH溶液的質(zhì)量比。固定乳化劑用量為0.35 %、NaOH溶液濃度為0.3 mol/L，考察油水比對苯酚去除率的影響，結(jié)果如圖3所示。苯酚去除率隨油水比的增大而減小，當(dāng)油水比為1：3時，苯酚的去除率達到了48.74 %。理論上，乳狀液膜的穩(wěn)定性隨油含量的增加而提高，但乳狀液的黏度也會隨油含量的增加而增大，致使乳狀液在外水相中的分散性下降，從而降低苯酚的去除率。

圖3 油水比對苯酚去除率的影響

3.2.3 內(nèi)水相NaOH濃度的影響

在內(nèi)水相中添加適量的電解質(zhì)是提高液膜穩(wěn)定性的一種方法。當(dāng)乳化劑用量為0.35 %、油水比為1：3時，內(nèi)水相NaOH濃度對苯酚去除率的影響見圖4。實驗表明，當(dāng)NaOH濃度為1 mol/L時，無法形成乳狀液；NaOH濃度為0.3 mol/L時，苯酚去除率最大，為48.74 %。在水相中添加適量的 NaOH，能提高液膜穩(wěn)定性和苯酚的去除率。電解質(zhì)穩(wěn)定液膜的機制在于其對油水界面張力及界面粘彈性的影響。Rocha等發(fā)現(xiàn)在油包水乳狀液中添加無機鹽，不僅降低了油水界面張力，還增強了界面膜的壓縮性[6]；Pawlik等指出無機鹽的添加在降低界面張力的同時可以增加乳液界面膜粘彈性[7]。

圖4 內(nèi)水相NaOH濃度對苯酚去除率的影響

3.2.4 殼聚糖用量的影響

在內(nèi)水相中添加多糖大分子是提高乳狀液膜穩(wěn)定性的另一種方法。當(dāng)乳化劑用量為0.35 %、油水比為1：3、NaOH濃度為0.3 mol/L時，內(nèi)水相中殼聚糖濃度對苯酚去除率的影響見圖5。隨著殼聚糖濃度的增加，苯酚去除率逐漸下降。這是因為殼聚糖多糖大分子會增強液膜的界面粘彈性，并增強內(nèi)水相的粘度，使內(nèi)水相凝膠化[8]。改善液膜穩(wěn)定性的同時，使乳狀液的粘度增大[9]，降低其在外水相的分散性，導(dǎo)致苯酚去除率下降。

圖5 殼聚糖濃度對苯酚去除率的影響

3.3 萃取時間對苯酚去除率的影響

液膜萃取達到平衡需要一定的時間，在優(yōu)化的乳化條件下，進一步考查萃取時間對苯酚去除率的影響。固定乳化劑用量為0.35 %、油水比為1：3、NaOH濃度為0.3 mol/L，萃取時間對苯酚去除率的影響見圖6。隨著萃取時間的增加，苯酚去除率先增加后下降，萃取時間為10 min時，苯酚的去除率為48.74 %。液膜萃取10 min達到平衡，隨著萃取時間的增加，液膜破裂，使苯酚去除率下降。

圖6 萃取時間對苯酚去除率的影響

3.4 乳狀液膜的穩(wěn)定性

乳狀液膜破裂后，內(nèi)水相中的NaOH溶液進入外水相，使外水相電導(dǎo)率增加，通過外水相溶液電導(dǎo)率隨時間的變化可以判斷液膜的穩(wěn)定性。由圖7可知，外水相溶液電導(dǎo)率隨萃取時間的增加先增加后緩慢趨于平穩(wěn)，液膜在萃取過程中會發(fā)生破裂。

圖7 萃取過程外水相電導(dǎo)率隨時間的變化

4 結(jié)論

研究表明液膜穩(wěn)定性和乳狀液在外水相中的分散性均受乳化劑用量、油水比、內(nèi)相NaOH濃度、內(nèi)相殼聚糖濃度的影響，在液膜萃取苯酚過程中，為提高苯酚去除率，需在適宜的乳化條件下制備油包水乳狀液，保證液膜穩(wěn)定性的同時考慮乳狀液在外水相中的分散性。

致謝：感謝2021年國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目對本文的資助，在此表示感謝！