乳狀液膜萃取苯酚廢水的研究

孫家樂，高瞻遠(yuǎn)，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(huì)產(chǎn)生大量含酚廢水，苯酚及其衍生物具有高毒性和強(qiáng)致癌作用，低濃度便會(huì)嚴(yán)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(diǎn)，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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[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(jī)物，既能減少對(duì)環(huán)境的污染，也能回收利用酚類有機(jī)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(duì)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(shí)間，并通過電導(dǎo)率測(cè)定考察了乳狀液膜的穩(wěn)定性。

2 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室多功能分散砂磨機(jī)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(jì)在270 nm波長(zhǎng)下測(cè)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(jì)算苯酚去除率。

2.3 電導(dǎo)率法測(cè)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(cè)定外水相電導(dǎo)率，通過外水相溶液電導(dǎo)率隨時(shí)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(zhǔn)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(jì)在270 nm波長(zhǎng)下測(cè)定吸光度，測(cè)得苯酚溶液的標(biāo)準(zhǔn)曲線(R2=99.93 %)，如圖1所示。

圖1 苯酚溶液標(biāo)準(zhǔn)曲線

3.2 乳化條件對(duì)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(duì)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(shí)，苯酚的去除率為42.15 %。

圖2 乳化劑用量對(duì)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(qiáng)度的界面膜，提高乳狀液膜的穩(wěn)定性。同時(shí)，增加乳化劑用量，會(huì)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(duì)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(shí)，苯酚的去除率達(dá)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(huì)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(duì)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(shí)，內(nèi)水相NaOH濃度對(duì)苯酚去除率的影響見圖4。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)NaOH濃度為1 mol/L時(shí)，無法形成乳狀液；NaOH濃度為0.3 mol/L時(shí)，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(jī)制在于其對(duì)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(jī)鹽，不僅降低了油水界面張力，還增強(qiáng)了界面膜的壓縮性[6]；Pawlik等指出無機(jī)鹽的添加在降低界面張力的同時(shí)可以增加乳液界面膜粘彈性[7]。

圖4 內(nèi)水相NaOH濃度對(duì)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(shí)，內(nèi)水相中殼聚糖濃度對(duì)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?yàn)闅ぞ厶嵌嗵谴蠓肿訒?huì)增強(qiáng)液膜的界面粘彈性，并增強(qiáng)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(shí)，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(duì)苯酚去除率的影響

3.3 萃取時(shí)間對(duì)苯酚去除率的影響

液膜萃取達(dá)到平衡需要一定的時(shí)間，在優(yōu)化的乳化條件下，進(jìn)一步考查萃取時(shí)間對(duì)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(shí)間對(duì)苯酚去除率的影響見圖6。隨著萃取時(shí)間的增加，苯酚去除率先增加后下降，萃取時(shí)間為10 min時(shí)，苯酚的去除率為48.74 %。液膜萃取10 min達(dá)到平衡，隨著萃取時(shí)間的增加，液膜破裂，使苯酚去除率下降。

圖6 萃取時(shí)間對(duì)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(jìn)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(shí)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(shí)間的增加先增加后緩慢趨于平穩(wěn)，液膜在萃取過程中會(huì)發(fā)生破裂。

圖7 萃取過程外水相電導(dǎo)率隨時(shí)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(shí)考慮乳狀液在外水相中的分散性。

致謝：感謝2021年國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目對(duì)本文的資助，在此表示感謝！