乳状液膜分离法脱除废水中的污染物

乳状液膜分离法脱除废水中的污染物杨磊（同济大学化学系上海）摘要：本实验以煤油作膜相，NaOH溶液作内相，制取非流动载体乳状液膜，并用于分离柠檬黄水溶液。

通过控制变量法，保持搅拌条件和乳水比不变，改变油内比，用来探究油内比对于乳状液膜分离过程中制乳、传质和破乳的影响。

本实验还可以对其他因素予以探讨。

关键词：乳状液膜柠檬黄制乳、传质、破乳油内比乳水比Emulsion liquid membrane separation method of removing the pollutants in wastewaterYang Lei（(the Chemical Department of Tongji University Shanghai)Abstract: With kerosene as the membrane phase, NaOH solution for internal phase, making the carrier flow emulsion liquid membrane, and is used to separate citric yellow aqueous solution.This experiment by controlling variable method, the mixing condition and the water ratio unchanged, than change oil, used to explore oil than for emulsion membrane separation process in milk, the effect of mass transfer and demulsification.This experiment can also refer to other factors.Key words:Emulsion Liquid Membrane Tartrazine solution Mass Transfer Oil Naypyidaw Water Than Milk1、引言：液膜分离技术是受细胞流动载体的启发而衍生发展出来的一种分离技术，分为支撑液膜和乳状液膜，其类似于萃取和反萃取过程，常用于低浓度物质的富集。

[1]液膜通常由膜溶剂、表面活性剂和流动载体组成。

它利用选择透过性原理,以膜两侧的溶质化学浓度差为传质动力,使料液中待分离溶质在膜内相富集浓缩,分离待分离物质。

在液膜分离过程中，被分离组分从外相进入膜相，再转入内相，浓集于内相。

传质推动力大，试剂消耗量少，溶质逆浓度梯度效应，非常高的传质面积使其有极高的分离效率，且液膜传质速率高，选择性好，同时液膜分离具有操作简单以及连续性好的性质，使得液膜分离可广泛应用于化工、生化、医药、环保、有色冶金、核技术、食品、轻工、动力、机械等行业，有着广泛的应用前景。

[2]液膜分离机理有以下几种类型：①选择性渗透。

利用混合物中各组分透过液膜的渗透速率的差别，实现组分分离，需要利用内外浓度差。

②内相有化学反应。

被分离组分 A透过液膜后与内相中的反萃剂R发生化学反应，反应产物P不能透过液膜，利用化学反应创造内外浓度差。

③膜内添加活动载体。

载体 R1作为渗透组分A在膜内传递的媒介。

载体相当于萃取剂中的萃取反应剂，在外相与液膜的界面处，与渗透组分A生成络合物P1,P1在液膜内扩散到内相与液膜的界面,与内相中的反萃剂R2作用而发生解络,组分A 进入内相;解络后的载体在液膜内扩散返回外相与液膜界面，再一次进行络合，可以逆浓度传质。

[4]影响液膜分离和液膜稳定性的因素：高渗透性、高选择性与高稳定性是膜分离过程所应具备的基本性能，但是，迄今所开发的大多数液膜过程，很难同时具备这3种性能。

[5]（1）乳化、传质和分离：影响乳化的主要因素是油相和内相的体积比Roi ，油内比越大，液膜厚度越大，传质路程越大，渗透率降低，处理能力下降，但液膜稳定性增加。

表面活性剂是乳化液膜体系的关键组份之一，它直接影响着液膜的稳定性、溶胀性能、液膜乳液的破乳以及油相回用等方面。

一定范围内，表面活性剂能增加膜通透性，增加液膜稳定性。

乳液和外相体积比Rew 反映了液膜一次的处理能力。

乳水比越大，传质面积大，但后续处理难度增加。

[7]搅拌速率和搅拌时间大，促进传质，但容易使膜破裂。

提高传质推动力的方式：增大外相浓度和酸度，充分利用内相反应。

降低传质阻力的方式：降低油内比、增加表面活性剂、升高温度等。

[6]（2）稳定性：对乳状液膜体系来说，其本身在热力学上就是一个不稳定体系，有聚并、分层和凝聚的内在趋势。

液膜的厚度和物化性质决定了液膜的稳定性，其主要的影响因素有：油内比、表面活性剂量、搅拌速率、温度、膜粘度，一般膜稳定性和膜阻力成矛盾关系。

本实验制取不同油内比和油水比的乳状液膜，并调节搅拌速率，采用控制变量法研究乳状液膜的传质和稳定性的影响因素。

通过实验达到以下目的：1.掌握液膜分离的机理和操作；2.用乳状液膜分离技术脱出废水中污染物（模拟废水）；3.了解乳液破乳方法和机理；4.用电破乳技术回收浓缩液。

[12]1-1乳状液膜结构示意图 1-2液膜分离过程示意图O H NaAc NaOH HAc 2+→+HAc 料液(外相) 液膜 内相O H NaAc NaOH HAc 2+→+HAc 料液(外相) 液膜 内相HCAc CH2、实验部分：实验装置：制乳搅拌器、传质搅拌器和电破乳器、分光光度计（425nm 波长）、离心机、100mL 量筒、大小烧杯、10只小试管等实验试剂：膜相（煤油、膜增强剂、流动载体等组成，已配制）、内相（NaOH 溶液）、表面活性剂、100mg/L柠檬黄水溶液实验步骤及操作：1）制备乳状液膜：在制乳搅拌器中按比例加入液膜各组分，打开制乳搅拌器，然后在低于2000 r/min的转速下滴加内相NaOH水溶液(油内比为1:1、1:1.5、1:2），总体积保持在100mL左右。

在此转速下搅拌8分钟左右，待成稳定乳状液后停止搅拌，关闭电源，卸装置出料。

2）传质分离：采用乳水比(乳液体积/料液体积)为1:3，在传质搅拌器中加入待处理的100mg/mL的柠檬黄水溶液300mL，在约320 r/min的搅拌速度下加入上述乳液膜100mL，进行传质分离实验。

3）检测：搅拌过程中，在一定时间下，用长针注射器和试管取少量料液进行分析，共取十组，记录时间。

料液静置分层，吸取上层少量油层，离心5min，静置，取上层清液，用分光光度计在425nm处测定上层清液中柠檬黄浓度随时间的变化，并作出外相柠檬黄浓度与时间的关系曲线。

4）破乳：将剩余料液静置分层，取约100mL油相（包括膜相和内相）于100mL量筒中，水相另处理。

打开破乳装置，根据油内比计算出铁片深入位置，开始破乳，并记录破乳时上层膜相和下层内相（包括柠檬黄）的体积随时间的变化。

待两相界面达到电容铁片处时停止破乳。

5）关闭仪器和电源，清洗仪器，整理设备。

3、实验数据和处理：3-1 实验数据记录：料液浓度：100mg/L、HCl浓度：6mol/L、NaOH浓度：2mol/L搅拌时间：5min、搅拌转速：350r/min3-2 实验设计与规划（控制油内比）：膜相体积/mL 内相体积/mL 柠檬黄体积/mL 油内比乳水比HCl体积/mL50 50 300 1.0:1.0 1.0:3.0 1633 66 300 1.0:2.0 1.0:3.0 1625 75 300 1.0:3.0 1.0:3.0 163-3 柠檬黄标准曲线：吸光度A-浓度C（mg/L）c-mg/L 100 20 10 5 2.5 1.25 0.625 T% 2.2 21.5 45.2 67 81.5 90 94.2 A 1.658 0.668 0.345 0.174 0.089 0.046 0.0263-4 制乳过程和传质过程数据及图像：1）第一组实验：2）第二组实验：3）第三组实验：他组外相料液浓度Ct-时间t曲线：本组实验外相料液浓度Ct-时间t曲线图像：他组回收率η-时间t曲线：本组实验回收率η-时间t曲线图像：3-5 传质过程分析和讨论：1）三组实验结果显示，第一个实验点均在30s左右，其回收率基本就到达了90%，而后大概在200s左右基本上波动不大，基本呈平衡。

短时间完成了传质过程，且随着时间进行，外相浓度基本不变，说明三者膜稳定性均较好；2）三组实验外向浓度在3-11mg/L之间，回收率大于90%，说明本次实验结果较为成功，乳状液膜的分离效果好，膜稳定性和传质效率好，反映了乳状液膜分离技术具有传质推动力大，试剂消耗量少，有非常高的传质面积使其有极高的分离效率，且液膜传质速率高操作简单以及连续性好的性质；3）第一组到第三组中，乳水比为1:3不变，而油内比从1：1-1:2-1:3逐渐减小，而外相料液浓度三组呈逐渐上升，且回收率逐次下降。

理论上，油内比减小，膜厚度减小，传质路程越小，渗透率增大，利于传质，处理能力增强，但液膜稳定性下降，而实验回收率的下降与之相反；4）而本组实验结果不尽如人意。

三组数据外向浓度均较高（10-30mg/L），回收率远小于他组实验数据结果（仅80%），说明膜传质效果不佳。

而第一组数据波动大，除去仪器和测量因素，原以为是传质过程中搅拌速率或搅拌时间过长，但与其他组对比，搅拌条件和油内比/乳水比相差不大，可能原因是对于制乳器使用不当，未能充分及时的完成制乳，导致膜稳定性效果差、不均一。

同时第二组和第三组实验结果虽有规律，但两组实验均是外向浓度随时间不降反升，这与理论矛盾。

可能原因：样品分析时组别记录错误；离心后上下层颜色相差大，上层清液基本无黄色，但仪器测得柠檬黄浓度很高，说明可能是少许浮于清液上的油相未能完全吸出，造成误差；传质速率高，传质时间短，因此随着时间延长，外向浓度趋于稳定，甚至长时间和高速搅拌造成膜破裂与重新形成，使得外向浓度较高；可能是油内比偏低，使得膜稳定性下降和传质时间缩短；可能是搅拌条件或内相、HCl加入量不对。

3-6 破乳过程记录和处理：破乳率ε-时间t曲线：3-7 破乳过程分析：从实验结果和数据上看：两组实验明显破乳效率不同，尽管由于实验操作失误，实验组数较少，但可以看出随着油内比减小，破乳率-时间曲线斜率和破乳能力亦减小。

而两者在试验范围内体现出较为明显的线性关系，基本说明破乳过程是成功的。

理论上，破乳效果主要取决于油和水（内相）的体积比，它是选择适当脉冲强度和频率的重要参数。

在脉冲高压静电条件下对乳状液进行破乳，其影响因素主要是乳状液的性质和高压脉冲电场的条件如电压、电场频率等及破乳器本身的结构等因素。