萃取流程對DNNSA反膠團萃取鎂效率的影響綜合實驗

蔣德敏，陳書鴻，李廷真，方榮美，張立志，鄭 文

(重慶三峽學院 環境與化學工程學院， 重慶 404100)

萃取流程對DNNSA反膠團萃取鎂效率的影響綜合實驗

蔣德敏，陳書鴻，李廷真，方榮美，張立志，鄭 文

(重慶三峽學院 環境與化學工程學院， 重慶 404100)

基于環保背景和柔和“資源再生，循環經濟”的理念，設計了化工工藝綜合實驗——萃取流程對二壬基萘磺酸(DNNSA)反膠團萃取鎂效率的影響。以DNNSA為萃取劑、磺化煤油為稀釋劑組成的反膠團有機相，以冶金廢水為含鎂原料，首先測定冶金廢水中鎂離子含量，通過DNNSA對廢水中鎂萃取后測定萃余液鎂離子含量，由萃取前后鎂離子濃度計算得到萃取率。考察了單級萃取、多級錯流萃取、多級逆流萃取、連續接觸逆流萃取等工藝流程對萃取鎂效率的影響。該實驗具有較好的設計性，拓展了學生的工程應用視野，培養了學生探索問題、發現問題、研究問題和解決問題的能力。可作為應用技術型本科院校化工專業的綜合性實驗。

化工工藝；綜合實驗；二壬基萘磺酸；萃取；工藝流程

化工工藝實驗是一門獨立的綜合性實驗課程，是掌握專業工程技術的重要環節。該實驗從工程與工藝角度出發，選擇典型的工藝與工程要素，組成系列的工藝與工程實驗[1-3]。工藝實驗教學能夠讓學生在動手過程中找到理論知識點的應用，以期鞏固學生專業基礎知識，掌握其基本實驗方法和研究方法。萃取實驗能夠設計成化工工藝綜合實驗，模擬化工工程生產流程，在培養學生工程理念和操作實踐方面具有重要作用。實驗室萃取主要有索氏提取、溶劑萃取、超聲萃取、微波萃取和超臨界流體萃取等[4]，超聲萃取、微波萃取和超臨界流體萃取開設實驗成本高、操作復雜、技術難度大，在本科教學中難以推廣。溶劑損失量大、容易引入污染、溶劑閃點低、有毒等多項缺點，所以溶劑萃取不滿足當前綠色化學工藝要求。反膠團溶劑具有各向同性、光學透明和熱力學穩定等特性[5-6]。近年來有關二壬基萘磺酸反膠團萃取金屬離子的研究報道較多，比如應用二壬基萘磺酸反膠團溶劑分離純化濕法磷酸[7-9]，萃取分離鐵、鎂等金屬離子[10-11]，二壬基萘磺酸反膠團溶劑處理電鍍廢水中重金屬有毒離子[12-14]和冶金廢水凈化[15-16]等。反膠團溶劑萃取劑具有再生能力強，多次萃取后再生萃取劑的萃取效率基本保持不變。反膠團萃取簡單、成本低、理化性質穩定，適合在本科教學實驗中推廣。為了培養學生設計綜合能力，增強學生工程技術水平，特為化工專業設計工藝綜合實驗，讓學生了解不同萃取工藝流程對萃取效果的影響，了解資源再生化及綠色化工的研究應用意義與價值。本文設計工藝萃取綜合實驗，分析不同萃取工藝流程對萃取冶金廢水中鎂的影響，擴展了資源再生與循環經濟的理念，以拓展了學生的工程應用視野，借以培養學生探索問題、發現問題、研究問題和解決問題的能力。

1 實驗安排

我校綜合性化工工藝萃取實驗課9學時，主要教學內容：教師指導學生對實驗方案進行設計、實驗過程及樣品測定。每次課實驗20人，分為2組，每組10人。第一組完成單級萃取和多級逆流萃取，第二組完成多級錯流萃取和連續接觸逆流萃取。實驗完成后，兩組交換實驗。實驗完成后組內學生共享實驗原始數據，獨立對數據進行分析和處理。萃取實驗采用HSY-C型恒溫水浴搖床和自主設計的逆流篩板萃取塔完成實驗，廢水中鎂離子含量采用分光光度法測定。通過本實驗實踐操作學習，學生可以掌握萃取工藝流程，了解不同流程對萃取效率影響，了解反膠團萃取基本原理與方法。

2 實驗原理

溶劑萃取通常指體系中兩相為不互溶的液體，從所含目標物質的溶液中分離有用成分的提純方法，利用溶質在不同溶劑中溶解度的差異，將溶質從原溶劑中轉移到萃取劑中，從而達到對其分離純化的效果。冶金廢水中的鎂以離子存在廢水溶液中，二壬基萘磺酸以反膠團形式聚集在磺化煤油溶劑中，二壬基萘磺酸反膠團在預處理后能夠電離出游離的氫離子，通過陽離子交換，即鎂離子取代二壬基萘磺酸電離出氫離子，實現鎂離子與二壬基萘磺酸形成絡合物而進入反膠團中，從而實現鎂離子從水相中進入有機相，達到萃取分離的目的。

3 原料和試劑

二壬基萘磺酸，磺化煤油，硫酸，無水乙醇，氨水，三乙醇胺，氯化銨，鉻變酸2R，實驗室用水為去離子超純水。二壬基萘磺酸和磺化煤油是工業級，其余試劑均是分析純。冶金廢水取自四川省某冶金公司，pH值為8.62，廢水成分分析結果見表1。

表1 冶金廢水的主要成分

4 主要儀器

721型-紫外分光光度計(上海奧譜勒儀器有限公司)，PHS-3C型酸度計(上海康儀儀器有限公司)，HSY-C型恒溫水浴搖床(金壇市鴻科儀器廠)，CD-UPF-1型超純水機(成都超純科技有限公司)，AL204型電子天平(精度為0.0001 g，梅特勒托利多儀器(上海)有限公司)，BT-10013型數顯恒流泵(上海青浦滬西儀器廠)，HH-2型數顯恒溫水浴鍋(金壇市杰瑞爾電器有限公司)。

5 實驗步驟

5.1 反膠團的預處理

將配制好的反膠團溶液與超純水混合，充分攪拌后靜止分層。水與反膠團二壬基萘磺酸混合時，因磺酸基的親水性而進入反膠團中，少量水分子在聚集體的內核形成一個微型“水池”，增容后的反膠團是W/O型反膠團。使反膠團容漲，增加膠團內腔容量，使反膠團更加穩定，防止萃取后有機相與水相的體積改變。增容實驗是在振蕩或者攪拌下進行，增大有機相與水相的接觸面。增容過程分為4個步驟：第一步，在機械力的作用下，無水膠團向相界面擴散；第二步，無水膠團在相界面處遇水，在磺酸基親水的作用下，開始解聚分裂成單個萃取劑分子，單層吸附在相界面上；第三步，在機械力的作用下，萃取劑開始脫附，因磺酸基親水強，攜帶一部分水離開相界面，并聚集在一起，形成增容后反膠團；第四步，增容反膠團向有機相主體擴散，完成增容過程。

5.2 實驗方法

將預處理好的反膠團溶液和磺化煤油混合均勻組成有機相，配制成一定濃度的萃取劑，水相為公司提供的冶金廢水。取一定比例的有機相和水相，并倒入錐形瓶中，將錐形瓶固定在搖床中，設定搖床轉速和搖床內水浴溫度。在搖床中振蕩一段時間，振蕩完畢后倒入分液漏斗中靜止分層，取下層水相測定其鎂的濃度。同時記萃取余液所取體積為a，稀釋倍數b，記吸光度為A。

詞匯選擇(Lexical choice)是批評話語分析中用到的基本分析工具。梵迪克認為，詞匯選擇可以反映人們話語中隱藏的觀點及意識形態。(Van Dijk 1988: 177) 因此，詞匯選擇的研究對批評話語分析具有很大的價值意義。

5.3 數據處理

稀釋后的被測溶液中鎂離子濃度c與吸光度A的線性關系式為

A=-0.00248+0.01445c

(1)

萃余液中鎂離子濃度c1為

(2)

萃取率E計算公式：

(3)

式中，V1為萃余液水相體積，c2為萃前水相中鎂離子濃度，V2為萃取前水相體積。

6 結果與討論

6.1 單級萃取

單級萃取是指萃取體系中有機相與水相兩相在設定的參數條件下經過混合接觸，在機械力的作用下使被萃取物質在兩相中分配達到平衡的萃取過程，單級萃取是最簡單的操作過程，其流程示意圖見圖1。實驗條件：以二壬基萘磺酸含量為1 mol/L的磺化煤油作為萃取有機相，在常溫條件下，搖床振蕩強度為200 r/min，兩相的體積比為4∶1，將水相的pH調節至中性或者弱酸性，萃取振蕩時間為40 min。研究結果表明，對冶金廢水中鎂離子的單級萃取率最高可達77.17%，單級萃取過程所需設備簡易，工藝技術操作比較簡單，廣泛用于分配比、分離系數較大以及單次萃取效率高的萃取回收體系的有效物質的分離提純。單級萃取屬于間歇式生產過程，間歇式生產在生產過程中處理量少，溶劑損耗大。對高濃度鎂溶液萃取鎂的研究表明，單級萃取還達不到對鎂離子的萃取回收的實驗要求。為了將冶金廢水中鎂盡可能萃取回收，在工業放大生產工藝中將采用多級萃取，以增大對鎂的回收率。

圖1 單級萃取流程示意圖

6.2 多級錯流萃取

圖2 多級錯流萃取示意圖

萃取工藝條件：萃取單元混合接觸時間為40 min，萃取溫度為常溫，振蕩轉速為200 r/min，萃取劑含量為1 mol/L，兩相體積比為4，將含鎂水溶液的pH值調節在2～6之間。研究多級錯流萃取后萃余相中鎂離子濃度取隨過程的變化情況，得到其理論萃取級數如圖3所示。從圖3可得，在萃取級數為4級時，水相中鎂離子含量已經降到很低，滿足回收要求，在多級錯流萃取過程中，最佳理論萃取級數為4級。

圖3 多級錯流萃取理論級數

6.3 多級逆流萃取

多級逆流萃取過程一般由多個萃取裝置串聯組成，水、油兩相在萃取過程中以相反的流動方向依次經過各個萃取操作單元，并在各個萃取單元中接觸進行質量傳遞完成萃取，各級萃取單元中油水兩相體積相等，萃取完成后靜止分層，分層后水、油兩相以反向依次經過每個萃取裝置。原料液從第1級加入，依次經過第2，3，3，…，n-1，n級，最后流過n級的為萃取余相；萃取劑從n級加入，依次經過第n-1，n-2，…，2，1級，最后流過1級的為萃取相；多級逆流萃取大多用于分離系數較大且靜止分層時間較短體系的萃取，工藝效率高，萃取分離效果很好。由于每級萃取都是未加入新鮮的有機相，則有機相實現了多次利用，最大限度地提高了萃取劑的有效利用率，萃取劑用量較小，同時降低了反萃取的工作量。逆流多級萃取流程示意圖見圖4。

圖4 逆流多級萃取示意圖

萃取工藝條件：萃取單元混合接觸時間為40 min，萃取溫度為常溫，振蕩轉速為200 r/min，萃取劑含量為1 mol/L，兩相體積比為4，將含鎂水溶液的pH值調節在2～6之間。研究多級錯流萃取后萃余相中鎂離子濃度隨萃取過程的變化情況，得到其理論萃取級數如圖5所示，萃取余相中實際鎂含量變化情況見圖6。從圖5可知，理論萃取級數為2級。從圖6可知，在實際萃取過程中，流體流過第3個萃取單元后，余相中鎂離子濃度基本保持不變，實際萃取級數為3級。實際萃取級數比理論萃取級數大1，可能是萃取過程中，兩相流體萃取混合停留時間較短，未達到萃取平衡。實際萃取經過3個萃取單元操作后總的萃取率為94.71%。

圖5 逆流多級萃取理論級數

圖6 萃取余相中鎂的含量隨萃取過程的變化

6.4 連續接觸逆流萃取

在連續接觸逆流萃取工藝操作中，單程逆流塔中多個萃取級數，油水兩相分別從萃取裝置的上下兩端加入。連續接觸逆流萃取大多是利用油水兩相的密度差異，以逆向流動，在萃取塔內攪拌輔助作用下完成操作。萃取劑有機相從塔底加入，冶金水相從塔頂加入，由于有機相密度比水相小，在重力作用下，水相向下流動，有機相向上流動，在攪拌的作用下實現連續萃取，連續接觸逆流萃取示意如圖7所示。

圖7 連續接觸逆流萃取示意圖

萃取工藝條件：萃取時有機相和水相在萃取塔內停留時間均為40 min，塔內萃取攪拌轉速為200r/min，萃取劑含量為1 mol/L，油水兩相的體積流量比為4，萃取操作時將水溶液pH值調節在2～6之間，萃取實驗在室溫下進行。多級逆流萃取為連續操作，連續進料，單位時間內處理的料量大。萃取之前水相中鎂離子含量為21.62 g/L，萃取后水相中鎂離子含量為5.91 g/L，整塔萃取率為73.67%。逆流萃取效率較低的原因是萃取塔內攪拌強度不夠，導致油水兩相混合不充分，即接觸面積小，使萃取率較低；萃取塔分布器效率較低，不能均勻分布有機相；萃取塔直徑太小，油水兩相在塔內流動時，局部呈活塞流，未能完全達到連續混合接觸的逆流狀態。

7 結論

(1) 本實驗通過介紹4種萃取工藝流程對萃取鎂效率的影響，旨在向學生介紹萃取的基本原理和工藝流程，以拓展學生的工程應用視野，借以培養學生探索問題、發現問題、研究問題和解決問題的綜合能力。不僅可以提高本科學生的學習興趣，還可以增強學生的工藝意識。

(2) 讓學生了解到不同萃取工藝流程時萃取效率有差異，單級萃取率最高可達77.17%，多級萃取中以多級逆流萃取效果最好，其萃取率為94.71%。多級逆流萃取能夠在單級萃取的基礎上對鎂離子的萃取率提高了17.54%，更好地回收利用了冶金廢水中的鎂資源。

(3) 多級錯流萃取萃取劑有機溶劑的用量很大，不利于反萃取回收鎂；逆流多級萃取所需萃取劑用量相對較少，萃取率高有利于提高鎂的回收，在工業應用中可以采用多級逆流萃取。連續接觸逆流萃取在以后的實驗中需要進一步研究，因連續接觸逆流萃取具有連續進料的優勢，在生產中具有潛在的實用價值。引導學生分析工藝流程對萃取效率的影響原因以及實驗室研究與工業生產差異，同時培養了學生的工程思維觀念。

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Comprehensive experiment of effect of extraction process on extraction efficiency of magnesium by DNNSA reversed micelles

Jiang Demin, Chen Shuhong, Li Tingzhen, Fang Rongmei, Zhang Lizhi, Zheng Wen

(School of Environment and Chemical Engineering, Chongqing Three Gorges University，Chongqing 404100, China)

Based on the environmental protection and the concept of “Renewable resources and recycling economy”, a comprehensive experiment of chemical technology is designed for the effect of extraction process on the efficiency ratio of reversed micelles extraction of Mg by DNNSA (dinonylnaphthalene sulfonic acid) . By using the reversed micellar organic phase composed of the DNNSA as extractant, the sulfonated kerosene as diluents and the metallurgical waste water as raw material containing Mg, the content of the Mg ion in metallurgical waste water is first determined, the Mg content in the raffinate is also measured after extraction by the DNNSA, and the extraction rate is calculated by the concentration of Mg ion before and after the extraction. The effects of single-stage extraction, multi-stage cross-flow extraction, multi-stage countercurrent extraction and continuous contact countercurrent extraction on extraction efficiency of Mg are investigated. This experiment has the good nature of designing, and can help expand the students’ engineering application vision and cultivate their ability to explore problems, find problems, study and solve problems. It can also be used as a comprehensive experiment for chemical engineering specialties.

chemical engineering technology; comprehensive experiment; dinonylnaphthalene sulfonic acid (DNNSA); extraction; technological process

10.16791/j.cnki.sjg.2017.06.017

2016-11-08

重慶市高等教育教學改革研究項目(133014)；重慶三峽學院教改項目(JG150707，SD150114)

蔣德敏(1987—)，男，湖北利川，碩士，助教，研究方向為化工新技術新工藝開發.

E-mail：jdmhuagong@163.com

G642.423；TQ028

A

1002-4956(2017)06-0069-05