反萃相預分散支撐液膜分離六價鉻及其傳質(zhì)機制研究.pdf

1、2011年，《重金屬污染綜合防治“十二五”規(guī)劃》正式拉開了重金屬污染治理的序幕，嚴峻的污染態(tài)勢使得污染防治之路任重而道遠。目前常用的Cr(VI)處理技術發(fā)展多年，尋求技術突破也遇到了一定的瓶頸。近年來能夠同步去除并回收水中重金屬的強化萃取技術-液膜法的衍生正引發(fā)著市場的青睞。本文利用萃取法和反萃相預分散支撐液膜法（SLMSD）對水中Cr(VI)進行了去除，分析了傳質(zhì)動力學特征，建立了液膜萃取的總傳質(zhì)系數(shù)模型，并利用模型對傳質(zhì)機制進行了討

2、論，為液膜技術在重金屬資源化分離回收領域的應用奠定了理論基礎。
　　在絡合萃取過程中，探討了溫度、pH、酸性介質(zhì)、平衡時間等萃取平衡熱力學參數(shù)對Cr(VI)分離的影響，并對共存物質(zhì)的干擾作用進行了考察。證明了三(辛-癸)烷基叔胺（N235）是一種低耗、高選擇性的Cr(VI)萃取劑，萃取反應屬于快速的化學反應過程。在25℃的條件下，0.004mol·L-1的N235對pH為1.0的Cr(VI)鹽酸溶液萃取20min后，0.1g·L-

3、1的Cr(VI)去除率可達100％。利用0.1mol·L-1的NaOH對負載萃合物的萃取體系進行反萃后，反萃率大于96%。以N235為萃取劑，煤油或正庚烷為稀釋劑構成萃取體系對Cr(VI)進行分離時，計算得焓變（ΔH）分別為-35.95kJ·mol-1、-45.8kJ·mol-1，吉布斯自由能（ΔG）分別為-7.58kJ·mol-1、-9.67kJ·mol-1，熵變值（ΔS）分別為-95.18J·mol-1·K-1和-121.24J·m

4、ol-1·K-1。發(fā)現(xiàn)萃取反應過程為自發(fā)的放熱過程。
　　由于萃取反應是兩相間的傳質(zhì)過程，故將能提供巨大傳質(zhì)面積的中空纖維膜接觸器作為支撐體，以構建的萃取體系作為液膜相，利用SLMSD技術對Cr(VI)進行去除回收，探討了液體流態(tài)和物化性質(zhì)對Cr(VI)在液膜內(nèi)遷移的影響。從占地面積上考慮，以立式膜接觸器作為反應器最佳。當水相溶液流量為100mL·min-1，反萃分散相溶液流量為80mL·min-1，跨膜壓差為20kPa，有效膜接

5、觸面積為0.05m2，N235濃度為0.02mol·L-1時，水中0.01g·L-1的Cr(VI)的去除率大于96%，處理后水質(zhì)能達到中國工業(yè)廢水的排放標準。當反萃液NaOH濃度為1.0mol·L-1時，Cr(VI)的回收率在90%以上。
　　在萃取熱力學的基礎上，對萃取過程的動力學特征進行了描述。利用摩爾法探討了N235萃取Cr(VI)的反應機制。根據(jù)等摩爾法分析，0.1g·L-1的Cr(VI)在0.1mol·L-1的鹽酸溶液中

6、以HCrO4-形態(tài)存在，然后以摩爾比為1：1的比例與NR3H+進行絡合，生成(R3NH+)HCrO4-。萃取動力學特征表明萃取過程是由擴散控制的，萃取反應主要發(fā)生在液-液界面上，而不是在本體相內(nèi)。以N235為萃取劑，正庚烷或煤油為稀釋劑構成萃取體系對Cr(VI)進行分離時，萃取反應的表觀活化能分別為3.76kJ·mol-1，3.96kJ·mol-1?；趌n[Cr(VI)]、ln[N235]與lnR0之間的關系，得到了N235萃取Cr(

7、VI)的速率方程。
　　利用灰色關聯(lián)分析法和響應曲面法探討了影響萃取速率的主要因素以及因素間的交互作用。利用灰色關聯(lián)分析證明了不同因素對萃取速率影響程度的大小排序為：攪拌速率>溫度>界面面積。以N235為萃取劑，正庚烷為稀釋劑構成萃取體系時，灰色關聯(lián)度分別為0.810、0.679、0.617；以N235為萃取劑，煤油為稀釋劑構成萃取體系時，灰色關聯(lián)度分別為0.955、0.712、0.650。說明影響萃取速率的主要因素為攪拌速率。根

8、據(jù)響應曲面設計的自變量（攪拌速率、溫度和界面面積）與響應值（Cr(VI)的去除率）之間的關系分析，攪拌速率與溫度、界面面積之間存在交互作用。
　　以絡合萃取的動力學特征和菲克定律為基礎，建立了總傳質(zhì)系數(shù)模型，驗證了模型的可行性，并探討了液膜分離Cr(VI)的傳質(zhì)機制?；炝髂Ｐ秃投S流動模型證明了利用總傳質(zhì)系數(shù)模型分析傳質(zhì)行為的可行性。傳質(zhì)阻力主要來自于Cr(VI)在中空纖維膜接觸器管程中的擴散和在液膜相內(nèi)的擴散。當載體濃度在0.0

9、04~0.02mol·L-1之間時，根據(jù)混流模型計算出管程內(nèi)的擴散傳質(zhì)阻力為840s·cm-1，膜內(nèi)的擴散傳質(zhì)阻力在2.63′102~5.67′102s·cm-1之間。根據(jù)二維流動模型計算得到管程內(nèi)的擴散傳質(zhì)阻力為746s·cm-1，膜內(nèi)擴散傳質(zhì)阻力在3.04′102~6.27′102s·cm-1之間。以中空纖維膜接觸器為反應器，利用SLMSD技術來分離回收水中Cr(VI)時，由于膜液的及時更新和再生，不僅能將水中的Cr(VI)去除，使