關(guān)于液膜萃取法處理冶金工業(yè)廢水的研究

羅 文

（太原市環(huán)境科學(xué)研究院， 山西 太原 030002）

人口的不斷增長以及對水資源的肆意污染和浪費，使得我國水資源短缺及水環(huán)境污染問題日趨嚴重。冶金工業(yè)是重要的原材料工業(yè)部門，也是經(jīng)濟發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。冶金工業(yè)產(chǎn)品繁多，其工業(yè)廢水排放量大、成分復(fù)雜，重金屬離子、鹽分等含量高，不僅是污染環(huán)境的主要廢水之一，還是水處理領(lǐng)域全球性難題[1]。因此，探討對于冶金廢水的處理顯得尤為重要。目前液膜分離技術(shù)在冶金廢水處理中的研究發(fā)展迅速，為此，本文主要探討液膜萃取法處理冶金工業(yè)廢水氨氮的研究。

1 液膜分離技術(shù)及其在工業(yè)廢水處理中的應(yīng)用

1.1 液膜分離技術(shù)

液膜分離技術(shù)是20世紀60年代問世的一種新型膜分離技術(shù)。液膜分離的實質(zhì)是通過所謂的“離子泵”效應(yīng)，濃縮廢水中的陰陽離子，以提取相應(yīng)的元素。目前，液膜分離傳質(zhì)過程分為化學(xué)反應(yīng)促進和載體促進兩種。其中，化學(xué)反應(yīng)促進又叫促進輸送，無載體液膜傳質(zhì)分離，或是Ⅰ型促進遷移，其機理為利用一個選擇性不可逆反應(yīng)，從而使封閉相中的滲透物的濃度實質(zhì)上為0；無載體液膜的分離機理主要有選擇性滲透、化學(xué)反應(yīng)和吸附等。載體促進又叫載體輸送，有載體液膜傳質(zhì)分離，或是Ⅱ型促進遷移，其機理為利用一個流動選擇性可逆反應(yīng)，從而增大膜內(nèi)濃度梯度，進而提高輸送效果，達到有選擇性的物質(zhì)分離的目的；載體促進分為離子型和非離子型，主要有逆向遷移和同向遷移兩種。

1.2 液膜分離技術(shù)優(yōu)點及其應(yīng)用

液膜過程與溶劑萃取具有許多相似之處，不同的是，液膜過程打破了溶劑萃取所固有的化學(xué)平衡，其萃取與反萃取分別同時發(fā)生在膜的兩側(cè)界面，是一種“內(nèi)耦合”方式和非平衡傳質(zhì)過程。也正因如此，液膜過程具有如下優(yōu)點：傳質(zhì)動力大，所需分離級數(shù)少；試劑消耗量少；選擇性好；傳質(zhì)速率高；“上坡”效應(yīng)或者溶質(zhì)“逆濃度梯度”的效應(yīng)，使其在從稀溶液中提取與濃縮溶質(zhì)方面具有優(yōu)勢。

目前，液膜技術(shù)在生物醫(yī)藥、化工生產(chǎn)、濕法冶金、稀有金屬的提取，尤其在廢水處理等方面應(yīng)用廣泛。其中，在廢水處理中的應(yīng)用包括含金屬離子廢水的處理、含弱酸離子及有機質(zhì)廢水的處理、氨氮的處理等。可以說，液膜分離技術(shù)在處理冶金工業(yè)廢水領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。

2 液膜萃取法處理冶金氨氮廢水的試驗研究

2.1 處理機理

氨態(tài)氮（NH3-N）易溶于膜相中，可與膜內(nèi)相中的酸發(fā)生解脫反應(yīng)：NH3+H+→NH4+，加之由于膜內(nèi)外兩側(cè)氨的濃度不同，推動反應(yīng)不斷進行，從而將反應(yīng)得到的不溶于油相而穩(wěn)定在膜內(nèi)相中的NH4+去除，達到分離氨氮的目的。

2.2 試驗部分

2.2.1 材料、試劑及儀器

1）實驗材料：某亞鎳廠生產(chǎn)廢水。

2）主要試劑：濃硫酸、氫氧化鈉，分析純；表面活性劑（四種）、煤油，市售工業(yè)品；膜增強劑石蠟，分析純等。

3）主要儀器：FG-1型大功率晶體管高壓發(fā)生器；可調(diào)高速制乳器；JB90-D型大功率晶體管高壓發(fā)生器等。

2.2.2 操作過程

整個試驗操作過程包括乳液的制備、廢水處理、破乳及重新制乳。基本工藝流程見圖1。

圖1 液膜法處理冶金氨氮廢水工藝流程

2.2.3 分析方法

氨氮的含量用簡易法測得，廢水中的氨氮去除用去除率表示。由于乳化液膜內(nèi)外水相中的離子濃度不相等，會產(chǎn)生液膜溶脹現(xiàn)象，降低萃取效率，因此，可計算溶脹率。

2.2.4 結(jié)果與討論

2.2.4.1 膜相體系的選擇

試驗結(jié)果顯示，ME、環(huán)烷酸環(huán)醇酞胺、聚異丁烯胺及Span-80四類表面活性劑的溶脹率分別為12%、34%、49%及41%，氨氮去除率分別為94.2%、54%、38%及74%，表明ME是處理氨氮廢水效果較好的表面活性劑，可做選用。而且，表面活性劑ME的用量對氨氮處理效果的影響呈“凸”形拋物線形式，當ME質(zhì)量分數(shù)在3%時，氨氮去除率最高，在2%～4%時，去除率相對較高。可能是因為，當表面活性劑濃度較低時，形成的液膜較薄，膜的穩(wěn)定性差，易破；反之，膜有較好的穩(wěn)定性，而且破乳困難，有助于提高氨氮去除率。因此，本試驗后期用ME濃度要控制在2%～4%。

2.2.4.2 工藝條件的探索

1）pH值的影響。試驗結(jié)果顯示，隨著外向水pH值的升高，廢水氨氮的去除率不斷上升。具體的，當pH值在10～11之間時，隨著外向水pH值的升高，廢水氨氮的去除率上升較快，之后，則上升較慢，如圖2所示。可能由于在近中性廢水中，廢水存在如下平衡：NH3+H2O←→NH4++OH-，當pH值大于11時，平衡左移，有利于液膜對氨的萃取。當pH值太大時，雖然對氨氮去除率更高，但考慮到經(jīng)濟情況及處理后的廢水pH值不符合排放標準，故pH值選擇11～12，此時氨氮去除率為75%～85%。

圖2 外水相pH值對冶金廢水氨氮去除率的影響

2）H2SO4濃度的影響。冶金工業(yè)廢水的處理必須保持一定的酸濃度才能保證氨的解脫，本試驗采用H2SO4來調(diào)節(jié)酸度，其原理為H2SO4與NH3生成不溶于膜相的硫酸氨，使外相氨不斷進入內(nèi)相，以達到去除氨的目的。本試驗主要考察了質(zhì)量分數(shù)分別為5%、10%、15%及20%的硫酸濃度，結(jié)果顯示，隨著硫酸濃度的增大，氨的去除率有所提高，在硫酸濃度為10%時，氨的去除率可達94%，考慮到酸度太強對設(shè)備的腐蝕及綜合經(jīng)濟效益，宜選擇H2SO4質(zhì)量分數(shù)為10%。

3）油內(nèi)比及乳水比的影響。油內(nèi)比是影響膜穩(wěn)定性的重要因素，試驗結(jié)果表明，油內(nèi)比為1∶1最合適，過小氨氮去除率下降，過大則傳質(zhì)速率減慢，且不易破乳。乳水比是影響冶金廢水氨氮去除率的另一重要因素，試驗結(jié)果表明，隨著乳水比的不斷減小，其對氨氮處理效果的影響也呈“凸”形拋物線形式，選用乳水比為1∶8時，既有較好的去除率，又可節(jié)約成本。

4）溫度的影響（見圖3）。本試驗結(jié)果顯示，在溫度為15～40℃之間，隨著溫度的變化，冶金廢水氨氮的去除率皆保持在95%左右，變化不大，因此，本試驗中所用液膜可在室溫下使用。

圖3 溫度對冶金廢水氨氮去除率的影響

2.2.4.3 破乳方法的選擇

破乳是液膜萃取中的關(guān)鍵步驟，目前乳液的破乳方法主要有化學(xué)破乳法、離心破乳法、加熱破乳法及高壓靜電破乳法四種。本試驗結(jié)果表明，高壓靜電破乳為較理想的方法，與大多研究結(jié)果一致[2]。本試驗破乳裝置示意圖如下頁圖4所示。

圖4 本試驗所用破乳裝置示意圖

3 結(jié)語

冶金工業(yè)是重要的原材料工業(yè)部門，也是經(jīng)濟發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。然而，冶金工業(yè)廢水排放量大、成分復(fù)雜，是污染環(huán)境的主要廢水之一和水處理領(lǐng)域全球性難題。根據(jù)以上摸索的條件，在最佳配方配制及最佳試驗條件下，通過二級處理，某亞鎳廠廢水中的氨氮去除率較高，氨氮含量可達到國家一級排放標準。

[1]金美芳，深鐵軍，林立.液膜法從金屬礦廢液中除氰及回收氯化鈉的小型工業(yè)化試驗[J].膜科學(xué)與技術(shù)，1994，14（14）：16-28.

[2]黃萬撫.乳狀液膜靜電破乳器破乳機理研究[J].化學(xué)工程，2003，31（3）：58-61.