硅橡胶膜用于含酚水溶液的渗透萃取性能与传质研究

摘要

渗透萃取是一种新型膜分离技术，适用于恒沸物或近沸物、挥发性有机物、热敏性物质及低沸点物系的分离。其中，利用具有弱酸、碱性芳香类化合物水解平衡的特点，以无机碱/酸溶液作萃取液、均质硅橡胶膜(对芳香类化合物具有选择透过性)作为分离膜的新型渗透萃取技术，具有效率高、能耗低、过程简单等优点。目前，该技术正处于工业化应用初始阶段，但仍有许多问题值得深入研究。因此，本文以此类化合物中酚类的代表——苯酚，为模型污染物，以氢氧化钠溶液为萃取液，利用均质致密硅橡胶膜(聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基乙烯基硅氧烷(PVMS))及平板复合膜(PDMS/聚偏氟乙烯(PVDF))，构造渗透萃取系统，对这两种体系渗透萃取含酚水溶液的特性、传质过程与机理进行了研究，主要开展了以下几个方面的工作： (1)采用均质硅橡胶膜卷绕式膜组件，对含酚水溶液进行渗透萃取研究。对比了两种膜材料PDMS、PVMS的渗透萃取性能及运行稳定性。结果表明：PVMS 用于渗透萃取含酚水溶液的性能优于PDMS，但前者不适宜在强碱性条件下长期使用。分析探讨了料液流量、料液与萃取液及盐浓度、运行温度、萃取液pH值等因素对渗透萃取性能的影响。其中，萃取液pH值对处理效果影响显著。在料液流量 2.0 L/d、浓度范围 5.0～20.0g/L、萃取液温度 323.2 K及pH值12.5～13.0的条件下，料液中苯酚的去除率可达95％以上，出水含酚浓度低于500 mg/L。萃取液浓度的变化对苯酚去除率无显著影响；总传质系数(K<,ov>)随盐离子含量的增高而增大。研究表明本体系适于处理高浓度、高盐度含酚废水(0～300 g/L NaCl)，过程较适宜的料液流量范围1.0～3.0 L/d，水力停留时间2 min左右。 (2)PDMS渗透萃取吉化双苯厂含酚废水，在料液流量2.0 L/d、萃取液温度323.2 K及pH值12.5～13.0的条件下，对于初始浓度4.3～10.7 g/L 的苯酚废水，苯酚的去除率大于97％，出水含酚浓度低于150 mg/L，运行效果稳定。表明新型渗透萃取技术分离回收含高浓度苯酚废水具有良好的技术可行性。 (3)针对渗透萃取过程中液膜边界层传质、膜内扩散传质及支撑层中传质的特点，探讨了硅橡胶均质膜以及复合膜的渗透萃取传质过程与机理，确定了相应的传质表达式。基于液-膜-液串联传质阻力模型，通过实验测定了体系的总传质系数。 (4)以PDMS卷绕式及管束式两种膜组件，研究了连续稳态和循环非稳态操作中均质膜渗透萃取过程的传质。考察了稳态下该体系的K<,ov>及苯酚在硅橡胶膜中的渗透系数(P)；特别针对膜面上液体流动状况、温度及料液浓度对传质的影响进行了探讨，得到了K<,ov>与雷诺数(Re)及温度之间关系的数学模型，并将理论值与实验值进行比较。分析了非稳态条件下，萃取液pH值、萃取液流动状态及两相压力对K<,ov>的影响。研究表明：对于氢氧化钠-苯酚-水实验体系，化学反应对苯酚传质速率的增强作用不显著，传质由膜阻控制，K<,ov>为3.7×10<'-7> m/s；pH>13时，保持萃取液湍流状态，可忽略萃取液侧传质阻力。苯酚溶液初始浓度在5.0～20.0 g/L范围内，K<,ov>与其浓度无关，苯酚的传质通量(J)与其初始浓度呈线性关系，J为1.6～7.7×10<'-6>kg/m<'2>·s。致密膜体系中两相压差的存在不利于传质的进行。K<,ov>与运行温度呈直线关系。苯酚在硅橡胶膜中的渗透系数与萃取液温度之间的关系符合Arrhenius型方程。并分析了液相边界层传质阻力及膜扩散传质阻力对K<,ov>的影响。 (5) 利用新型 PDMS/PVDF 平板复合膜构造含酚水溶液渗透萃取体系(料液与萃取液均呈放射状流型)，研究了非稳态过程的复合膜渗透萃取传质问题。采用对比差值法将K<,ov>拆分为液膜传质系数与膜内扩散传质系数。探讨了料液与萃取液的浓度及流量、运行温度、萃取液pH值和膜两侧压差等操作条件对膜渗透萃取性能的影响，回归求得了传质模型中不同操作条件对应的参数。苯酚的液膜传质系数与Re<'0.46>成正比，传质通量与温度的关系符合Arrhenius方程。讨论了活性层厚度对传质过程的影响，并确定总传质阻力与活性层厚度的关系式。在此基础上得到了复合膜渗透萃取的传质模型，并将理论值与实验值进行比较。研究表明：pH>13时，K<,ov>不随流量及萃取液浓度变化而变化；化学反应的增强作用完全可克服支撑层的传质阻力及萃取液侧传质阻力。在苯酚初始浓度5.0～15.0 g/L范围内，K<,ov>为定值。膜两侧压差的存在不利于传质的进行。活性皮层厚度为4、6、8 μm 的膜扩散传质系数分别为15.0、9.9及7.5×10<'-7>m/s(323.2 K)，较均质膜提高了2～4倍。苯酚在复合膜中的传质仍属膜控制的传质。在本研究的4个月的试验周期中，膜的分离性能维持相对稳定。然而，使用3周后的复合膜材料被压密，膜的使用寿命较短。 (6) 与传统的分离技术比较，这项新型渗透萃取技术具有简单高效、产品纯度高、运行条件温和、环境污染少等优点，是一项先进有效、具有较佳环境与经济效益的含芳香化合物废水分离与回收技术。

目录

文摘

英文文摘

声明

引 言

1含酚废水分离回收技术、膜接触器及渗透萃取技术概述与研究进展

1.1含酚废水处理概述

1.1.1含酚废水的来源与特性

1.1.2酚类化合物的分类与性质

1.1.3含酚废水的危害

1.1.4高浓度含酚废水的分离回收技术概述

1.2膜接触器

1.2.1膜接触器的特点及分类

1.2.2膜接触器的工作原理

1.2.3液-液膜接触器

1.2.4膜接触器的应用

1.3渗透萃取概述

1.3.1渗透萃取过程的发展简史

1.3.2渗透萃取原理与特点

1.3.3渗透萃取膜材料及膜组件

1.3.4渗透萃取膜——硅橡胶膜的应用

1.3.5新型渗透萃取技术的研究进展

1.3.6新型渗透萃取的研究方法及过程参数

1.4新型渗透萃取技术存在的主要问题及本论文的研究思路

1.5选题依据及研究内容和意义

1.5.1选题依据及研究内容

1.5.2研究意义

2均质硅橡胶膜渗透萃取含酚水溶液性能研究

2.1引言

2.2实验部分

2.2.1实验试剂及仪器

2.2.2实验原理

2.2.3实验装置及分析方法

2.2.4膜材料表征

2.3结果与讨论

2.3.1苯酚及苯酚钠的特征吸收峰及标准曲线的绘制

2.3.2 PDMS与PVMS渗透萃取苯酚水溶液性能比较

2.3.3萃取液pH值对硅橡胶膜渗透萃取苯酚水溶液除酚效果的影响

2.3.4萃取液温度对硅橡胶膜渗透萃取苯酚水溶液除酚效果的影响

2.3.5苯酚初始浓度对硅橡胶膜渗透萃取苯酚水溶液除酚效果的影响

2.3.6硅橡胶膜渗透萃取含酚废水实验室研究

2.4小结

3均质硅橡胶膜渗透萃取含酚水溶液传质研究

3.1引言

3.2渗透萃取传质理论进展

3.2.1理论模型

3.2.2半经验模型

3.3均质膜渗透萃取传质过程分析与传质模型

3.3.1料液边界层中的传质

3.3.2膜界面的吸附与溶解

3.3.3萃取液侧边界层中的传质

3.3.4渗透萃取总传质方程

3.3.5化学反应对传质的增强作用

3.4实验部分

3.4.1实验试剂、仪器及膜组件

3.4.2实验装置及分析方法

3.4.3理论分析

3.5渗透萃取传质过程的影响因素与模型的数值求解

3.5.1两相流动状态对渗透萃取传质性能的影响

3.5.2化学反应增强作用与萃取液pH值对苯酚传质速率的影响

3.5.3料液浓度对渗透萃取传质性能的影响

3.5.4运行温度对渗透萃取传质性能的影响

3.5.5盐离子浓度对渗透萃取传质性能的影响

3.5.6两相压差对渗透萃取传质性能的影响

3.5.7渗透萃取总传质模型

3.6小结

4复合膜渗透萃取含酚水溶液传质研究

4.1引言

4.2复合膜渗透萃取传质过程分析与传质模型

4.2.1组分在多孔支撑层中的传质及复合膜传质模型

4.2.2复合膜新型渗透萃取总传质方程

4.3实验部分

4.3.1实验试剂及仪器

4.3.2实验装置及分析方法

4.4.3理论分析

4.4复合膜渗透萃取传质过程的影响因素与模型的数值求解

4.4.1两相流量及活性层厚度对复合膜渗透萃取传质性能的影响

4.4.2萃取液浓度对复合膜渗透萃取传质性能的影响

4.4.3料液浓度对渗透萃取传质性能的影响

4.4.4运行温度对渗透萃取传质性能的影响

4.4.5膜两侧压差对渗透萃取传质性能的影响

4.4.6渗透萃取总传质模型

4.4.6 PDMS/PVDF膜材料使用情况与渗透萃取过程的水通量

4.4.7均质膜与复合膜渗透萃取传质性能对比

4.5 小结

5渗透萃取芳香类化合物技术可行性分析与过程经济及环境效益分析

5.1渗透萃取含芳香类化合物的技术可行性

5.1.1均质硅橡胶膜渗透萃取含芳香类化合物废水实验室小试研究

5.1.2均质硅橡胶膜渗透萃取含芳香化合物废水中试研究

5.2渗透萃取流程的选择

5.3渗透萃取过程经济与环境效益分析

5.3.1渗透萃取过程的经济效益分析

5.3.2渗透萃取过程的环境效益分析

5.4小结

6结论与展望

6.1本文主要结论

6.2展望

参考文献

创新点摘要

附录

攻读博士学位期间发表学术论文情况

致谢

个人简历