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液膜分離法處理廢水實(shí)驗(yàn)說明書

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/strong>
[1]掌握液膜分離技術(shù)的操作過程。
[2]了解兩種不同的液膜傳質(zhì)機(jī)理。
[3]用液膜分離法脫除廢水中的污染物。
2 實(shí)驗(yàn)原理
[1]液膜分離技術(shù)集萃取與反萃過程為一體，適用于分離溶液中的低濃度物質(zhì)。此技術(shù)已在濕法冶金、石油化工、生物制品、三廢處理等領(lǐng)域得到應(yīng)用。是利用一種膜狀液體將組成不同而又完全互溶的原料液和接受液隔開，原料液中的欲分離組分通過液膜滲透到接受液，從而與原料液分離。
[2]由于欲處理的是醋酸廢水溶液(外相)，所以可選用與之不互溶的油性物質(zhì)作為膜相，并選用NaOH水溶液作為內(nèi)相。實(shí)驗(yàn)時(shí)，先將膜相與內(nèi)相在一定條件下乳化使兩者形成穩(wěn)定的油包水(W/O)型乳狀液，然后將此乳狀液分散于醋酸廢水(即外相)中。這樣，廢水中的醋酸將以一定的速度穿過液膜向內(nèi)相遷移，并與內(nèi)相NaOH反應(yīng)生成NaAc而被保留在內(nèi)相，從而與廢水分離。然后，將乳液與廢水分離，對(duì)乳液進(jìn)行破乳，回收內(nèi)相中高濃度的NaAc，同時(shí)使膜相物質(zhì)再生，以便重復(fù)使用。
為了制備穩(wěn)定的乳狀液膜，需要在膜中加入表面活性劑，表面活性劑的選擇可以根據(jù)親水親油平衡值(HLB)來決定，一般對(duì)于W/O型乳狀液，選擇HLB值為3--6的乳化劑。為了提高液膜強(qiáng)度，還可在膜相中加入一些膜增強(qiáng)劑(一般為粘度較高的液體)。
[3]溶質(zhì)透過液膜的遷移過程，可以根據(jù)膜相中是否加入流動(dòng)載體而分為兩種遷移機(jī)理，即Ι型促進(jìn)遷移機(jī)理和Ⅱ型促進(jìn)遷移機(jī)理。Ⅰ型促進(jìn)遷移機(jī)理，是利用了液膜本身對(duì)溶質(zhì)的選擇性溶解和傳遞作用，Ⅱ型促進(jìn)遷移機(jī)理，則是在液膜中加入一定的流動(dòng)載體（通常為此溶質(zhì)的萃取劑），選擇性地與溶質(zhì)在界面處形成絡(luò)合物，然后此絡(luò)合物在濃度梯度的作用下向內(nèi)相擴(kuò)散，至內(nèi)相界面處被內(nèi)相試劑解絡(luò)(反萃)，解離出溶質(zhì)載體，溶質(zhì)進(jìn)入內(nèi)相而載體則擴(kuò)散返回外相界面處再與溶質(zhì)絡(luò)合。流動(dòng)載體的加入，通常可顯著提高液膜的選擇性和應(yīng)用范圍。
[4]液膜分離過程實(shí)際上是萃取與反萃取同步進(jìn)行的過程，液膜將原料液中的溶質(zhì)萃入膜相，然后擴(kuò)散至內(nèi)相界面處，被內(nèi)相試劑反萃至內(nèi)相。影響液膜分離效率的主要因素有：
(1)液膜內(nèi)表面活性劑的種類和濃度，它直接影響液膜的穩(wěn)定性；
(2)膜溶劑的性質(zhì)，它是構(gòu)成液膜的基本材料，直接影響液膜的穩(wěn)定性、選擇性和溶質(zhì)的滲透速率；
(3)流動(dòng)載體的種類，它對(duì)提高液膜選擇性和滲透速率具有重要作用；
(4)油內(nèi)比，即制備乳狀液膜時(shí)膜相與內(nèi)相的體積比，該比值影響液膜穩(wěn)定性和滲透速率；
(5)乳水比，即乳狀液膜與外相的體積比，該比值決定了兩相接觸面積的大小，因而直接影響分離效率；
3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
實(shí)驗(yàn)裝置主要包括：調(diào)速攪拌器一套，液膜分離實(shí)驗(yàn)設(shè)備一套；砂芯漏斗過濾裝置一套（自備），用于液膜的破乳，分液裝置一套（自備）；分析設(shè)備一套（自備）。
乳狀液膜分離的工藝流程如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程示意圖
4 實(shí)驗(yàn)步驟
本實(shí)驗(yàn)為乳狀液膜法脫除水溶液中的醋酸，首先需制備液膜。
本實(shí)驗(yàn)選用的兩種液膜組成如下：
A、液膜組成：煤油95%，乳化劑 5%
B、液膜組成：煤油90%，乳化劑5%，TBP (載體)5%
內(nèi)相用2mol/L的NaOH水溶液。采用HA c水溶液作為原料液進(jìn)行傳質(zhì)試驗(yàn)，HAc的初始濃度在實(shí)驗(yàn)時(shí)測(cè)定。具體步驟如下：
[1] 制乳攪拌釜中先加入A型液膜100mL，然后在1600r/min的轉(zhuǎn)速下滴加內(nèi)相NaOH水溶液100ml(約1min加完)，在此轉(zhuǎn)速下攪拌15min待成穩(wěn)定乳狀液后停止攪拌，待用。
[2] 在液膜分離設(shè)備中加入待處理的原料液500mL，在約400r/min的攪拌速度下加入上述乳液100mL進(jìn)行傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)，每隔一定時(shí)間，取樣分析一次，測(cè)定外相HAc濃度隨時(shí)間的變化，（取樣時(shí)間為2min、5min、8min、12min、16min、20min、25min），并作出外相HAc濃度與時(shí)間的關(guān)系曲線。待外相中所有HAc均進(jìn)入內(nèi)相后停止攪拌。放出釜中液體，洗凈待用。
[3] 在液膜分離設(shè)備中加入300mL料液，在與[2]同樣的攪拌轉(zhuǎn)速下加入100mL乳狀液，重復(fù)步驟[2]。
[4] 比較[2]，[3]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，說明在不同處理比（料液/乳液體積比）下傳質(zhì)速率的差別，并分析其原因。
[5] 用B型液膜，重復(fù)上述步驟[1]~[4]，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
[6] 分析比較不同液膜組成的傳質(zhì)速率，并分析其原因。
[7] 收集經(jīng)沉降澄清后的上層乳液用砂芯漏斗抽濾破乳，破乳得到的膜相返回至制乳工序，內(nèi)相NaAc進(jìn)一步精制回收。
5 實(shí)驗(yàn)操作
實(shí)驗(yàn)時(shí)間：室溫：
09:21 稱取40gNaOH，配制500mL的2mol/L NaOH溶液。
09:23 稱取24g冰醋酸，配制1000mL的0.4mol/L HAc原料液。
09:30 取煤油92mL，乳化劑2g，液體石蠟6mL，配制液膜A 100mL。
09:50 取煤油89mL，乳化劑2g，TBP載體3mL，液體石蠟6mL，配制液膜B 100mL。
10:20 于制乳攪拌釜中先加入A型液膜100mL，然后在1600r/min的轉(zhuǎn)速下滴加內(nèi)相NaOH水溶液100mL（約1min加完），攪拌15min后停止，待用。
10:30 用部分原料液潤(rùn)洗液膜分離設(shè)備。
11:00 在液膜分離設(shè)備中加入待處理原料液500mL，在約400r/min的轉(zhuǎn)速下，加入乳液A 100mL，進(jìn)行傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)，每隔一定時(shí)間，取樣分析一次，取樣時(shí)間為2min、5min、12min、16min、20min、25min。
11:15 開始對(duì)所取樣品依次進(jìn)行分液。
11:17 對(duì)第一組樣品依次滴定，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。
11:22 于制乳攪拌釜中先加入B型液膜100mL，然后在1600r/min的轉(zhuǎn)速下滴加內(nèi)相NaOH水溶液100mL（約1min加完），攪拌15min后停止，待用。
12:12 稱取24g冰醋酸，配制1000mL的0.4mol/L HAc原料液。
12:20 在液膜分離設(shè)備中加入待處理原料液300mL，在約400r/min的轉(zhuǎn)速下，加入乳液A 100mL，進(jìn)行傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)，每隔一定時(shí)間，取樣分析一次，取樣時(shí)間為2min、5min、8min、12min、16min、20min、25min。
12:35 對(duì)第二組樣品依次滴定，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。
13:25 在液膜分離設(shè)備中加入待處理原料液500mL，在約400r/min的轉(zhuǎn)速下，加入乳液B 100mL，進(jìn)行傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)，每隔一定時(shí)間，取樣分析一次，取樣時(shí)間為2min、5min、8min、12min、16min、20min、25min。
14:30 對(duì)第三組樣品依次滴定，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。
14:52 在液膜分離設(shè)備中加入待處理原料液300mL，在約400r/min的轉(zhuǎn)速下，加入乳液B 100mL，進(jìn)行傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)，每隔一定時(shí)間，取樣分析一次，取樣時(shí)間為2min、5min、8min、12min。
15:36 對(duì)第四組樣品依次滴定，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。
16:15 清理實(shí)驗(yàn)臺(tái)，清洗實(shí)驗(yàn)設(shè)備，結(jié)束本次實(shí)驗(yàn)。
6 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與處理
6.1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄
V_樣=    mL， c_NaOH=     mol/L
[1]A₁組：
表一 A型液膜：原料液=1:5

    數(shù) 據(jù)
取樣時(shí)間/min NaOH滴定
初刻度
V_初/ mL NaOH滴定
末刻度
V_初/ mL NaOH滴定所用體積ΔV / mL 外相Hac
濃度
mol/ L 醋酸
脫除率
/%

[2]A₂組：
表二 A型液膜：原料液=1:3

    數(shù) 據(jù)
取樣時(shí)間/min NaOH滴定
初刻度
V_初/ mL NaOH滴定
末刻度
V_初/ mL NaOH滴定所用體積
ΔV / mL 外相Hac
濃度
mol/ L 醋酸
脫除率
/%

[3]B₁組：
表三 B型液膜：原料液=1:5

    數(shù) 據(jù)
取樣時(shí)間/min NaOH滴定
初刻度
V_初/ mL NaOH滴定
末刻度
V_初/ mL NaOH滴定所用體積
ΔV / mL 外相Hac
濃度
mol/ L 醋酸
脫除率
/%

[4]B₂組：
表四 B型液膜：原料液=1:3

    數(shù) 據(jù)
取樣時(shí)間/min NaOH滴定
初刻度
V_初/ mL NaOH滴定
末刻度
V_初/ mL NaOH滴定所用體積
ΔV / mL 外相Hac
濃度
mol/ L 醋酸
脫除率
/%

6.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法
本實(shí)驗(yàn)采用酸堿滴定法測(cè)定外相中的HAc濃度，以酚酞作為指示劑顯示滴定終點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理:
[1]外相中HAc濃度

   式中，C_NaOH為標(biāo)準(zhǔn)NaOH溶液的濃度，mol/L；V_NaOH為標(biāo)準(zhǔn)NaOH溶液滴定體積Ml，V_HAc為外相料液取樣量，mL。
[2]醋酸脫除率

式中，C代表外相HAc濃度；下標(biāo)0，t分別代表初始及瞬時(shí)值。

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法，分別計(jì)算出各組實(shí)驗(yàn)各個(gè)時(shí)刻的[1]外相中HAc濃度和[2]醋酸脫除率，然后對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)繪制“Hac濃度—時(shí)間”的平滑曲線圖
7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論
[1] 比較A1和A2組實(shí)驗(yàn)結(jié)果及B1和B2組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：在不同處理比（料液/乳液體積比）下傳質(zhì)速率有明顯差異，即料液與乳液體積比的比值越小，分離效果越好，醋酸脫除率越高。因?yàn)樵摫戎禌Q定了兩相接觸面積的大小，比值越小，接觸面積越大，因而直接影響分離效率；
[2] 比較A1和B1組實(shí)驗(yàn)結(jié)果及A2和B2組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：在不同液膜的的參與下傳質(zhì)速率有明顯的差異，即液膜本身中加入載體具有更高的分離效率，醋酸脫除率更高，同時(shí)也影響液膜的穩(wěn)定性；
[3] 觀察A1、A2、B2實(shí)驗(yàn)結(jié)果：在一定的時(shí)間范圍內(nèi)，外相HAc的濃度逐漸降低，分離效率增加，醋酸脫除率增加；
[4] 觀察B1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與其他3組不同且出現(xiàn)錯(cuò)誤。外相HAc的濃度理應(yīng)隨著時(shí)間的增加逐漸降低，可是此次數(shù)據(jù)卻一直波動(dòng)。經(jīng)分析，可能是由于第3組的各組分制乳后靜置分層的時(shí)間過于冗長(zhǎng)，導(dǎo)致滴定時(shí)HAc的濃度出現(xiàn)偏差。

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數(shù) 據(jù) 取樣時(shí)間/min	NaOH滴定初刻度 V_初/ mL	NaOH滴定末刻度 V_初/ mL	NaOH滴定所用體積ΔV / mL	外相Hac 濃度 mol/ L	醋酸脫除率 /%

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