反萃相预分散支撑液膜分离六价铬及其传质机制研究

摘要

2011年，《重金属污染综合防治“十二五”规划》正式拉开了重金属污染治理的序幕，严峻的污染态势使得污染防治之路任重而道远。目前常用的Cr(VI)处理技术发展多年，寻求技术突破也遇到了一定的瓶颈。近年来能够同步去除并回收水中重金属的强化萃取技术-液膜法的衍生正引发着市场的青睐。本文利用萃取法和反萃相预分散支撑液膜法（SLMSD）对水中Cr(VI)进行了去除，分析了传质动力学特征，建立了液膜萃取的总传质系数模型，并利用模型对传质机制进行了讨论，为液膜技术在重金属资源化分离回收领域的应用奠定了理论基础。
　　在络合萃取过程中，探讨了温度、pH、酸性介质、平衡时间等萃取平衡热力学参数对Cr(VI)分离的影响，并对共存物质的干扰作用进行了考察。证明了三(辛-癸)烷基叔胺（N235）是一种低耗、高选择性的Cr(VI)萃取剂，萃取反应属于快速的化学反应过程。在25℃的条件下，0.004mol·L-1的N235对pH为1.0的Cr(VI)盐酸溶液萃取20min后，0.1g·L-1的Cr(VI)去除率可达100％。利用0.1mol·L-1的NaOH对负载萃合物的萃取体系进行反萃后，反萃率大于96%。以N235为萃取剂，煤油或正庚烷为稀释剂构成萃取体系对Cr(VI)进行分离时，计算得焓变（ΔH）分别为-35.95kJ·mol-1、-45.8kJ·mol-1，吉布斯自由能（ΔG）分别为-7.58kJ·mol-1、-9.67kJ·mol-1，熵变值（ΔS）分别为-95.18J·mol-1·K-1和-121.24J·mol-1·K-1。发现萃取反应过程为自发的放热过程。
　　由于萃取反应是两相间的传质过程，故将能提供巨大传质面积的中空纤维膜接触器作为支撑体，以构建的萃取体系作为液膜相，利用SLMSD技术对Cr(VI)进行去除回收，探讨了液体流态和物化性质对Cr(VI)在液膜内迁移的影响。从占地面积上考虑，以立式膜接触器作为反应器最佳。当水相溶液流量为100mL·min-1，反萃分散相溶液流量为80mL·min-1，跨膜压差为20kPa，有效膜接触面积为0.05m2，N235浓度为0.02mol·L-1时，水中0.01g·L-1的Cr(VI)的去除率大于96%，处理后水质能达到中国工业废水的排放标准。当反萃液NaOH浓度为1.0mol·L-1时，Cr(VI)的回收率在90%以上。
　　在萃取热力学的基础上，对萃取过程的动力学特征进行了描述。利用摩尔法探讨了N235萃取Cr(VI)的反应机制。根据等摩尔法分析，0.1g·L-1的Cr(VI)在0.1mol·L-1的盐酸溶液中以HCrO4-形态存在，然后以摩尔比为1：1的比例与NR3H+进行络合，生成(R3NH+)HCrO4-。萃取动力学特征表明萃取过程是由扩散控制的，萃取反应主要发生在液-液界面上，而不是在本体相内。以N235为萃取剂，正庚烷或煤油为稀释剂构成萃取体系对Cr(VI)进行分离时，萃取反应的表观活化能分别为3.76kJ·mol-1，3.96kJ·mol-1。基于ln[Cr(VI)]、ln[N235]与lnR0之间的关系，得到了N235萃取Cr(VI)的速率方程。
　　利用灰色关联分析法和响应曲面法探讨了影响萃取速率的主要因素以及因素间的交互作用。利用灰色关联分析证明了不同因素对萃取速率影响程度的大小排序为：搅拌速率>温度>界面面积。以N235为萃取剂，正庚烷为稀释剂构成萃取体系时，灰色关联度分别为0.810、0.679、0.617；以N235为萃取剂，煤油为稀释剂构成萃取体系时，灰色关联度分别为0.955、0.712、0.650。说明影响萃取速率的主要因素为搅拌速率。根据响应曲面设计的自变量（搅拌速率、温度和界面面积）与响应值（Cr(VI)的去除率）之间的关系分析，搅拌速率与温度、界面面积之间存在交互作用。
　　以络合萃取的动力学特征和菲克定律为基础，建立了总传质系数模型，验证了模型的可行性，并探讨了液膜分离Cr(VI)的传质机制。混流模型和二维流动模型证明了利用总传质系数模型分析传质行为的可行性。传质阻力主要来自于Cr(VI)在中空纤维膜接触器管程中的扩散和在液膜相内的扩散。当载体浓度在0.004~0.02mol·L-1之间时，根据混流模型计算出管程内的扩散传质阻力为840s·cm-1，膜内的扩散传质阻力在2.63′102~5.67′102s·cm-1之间。根据二维流动模型计算得到管程内的扩散传质阻力为746s·cm-1，膜内扩散传质阻力在3.04′102~6.27′102s·cm-1之间。以中空纤维膜接触器为反应器，利用SLMSD技术来分离回收水中Cr(VI)时，由于膜液的及时更新和再生，不仅能将水中的Cr(VI)去除，使出水水质达到工业废水的排放标准，并且能将Cr(VI)资源化浓缩回收，装置长期运行具有稳定性。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及来源

1.2 含铬废水的污染现状及处理方法

1.3 萃取法分离回收金属离子的发展现状

1.4 中空纤维支撑液膜分离回收金属离子的数学模型

1.5 课题的主要研究内容及技术路线

第2章 实验材料及方法

2.1 实验试剂与仪器

2.2 实验装置与实验方法

2.3 主要检测项目与仪器分析

2.4 萃取性能的评价方法

2.5 数学分析方法

第3章 萃取体系的构建及对水中铬(VI)的去除性能

3.1 引言

3.2 萃取体系的建立

3.3 萃取体系的再生及循环再利用性

3.4 溶剂萃取过程中主要影响因素分析

3.5 本章小结

第4章 反萃相预分散支撑液膜去除回收水中铬(VI)的性能

4.1 引言

4.2 液膜分离方法及分离体系的选择

4.3 体系液体流态和物化性质对铬(VI)迁移的影响

4.4 液膜运行的稳定性及膜特性的变化

4.5 本章小结

第5章 反萃相预分散支撑液膜分离铬(VI)的传质机制

5.1 引言

5.2 N235萃取水中铬(VI)的反应机制与传质动力学

5.3 灰色关联度与响应曲面分析操作条件的显著性和交互性

5.4 反萃相预分散支撑液膜萃取水中铬(VI)的过程建模

5.5 本章小结

结论

创新点：

展望：

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其他成果

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致谢

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