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液膜萃取法处理冶金工业废水

中国污水处理工程网 时间:2022-4-27 10:03:30

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  冶金工业是重要的原材料工业部门,也是经济发展的物质基础。冶金工业产品繁多,其工业废水排放量大、成分复杂,重金属离子、盐分等含量高,不仅是污染环境的主要废水之一,还是水处理领域全球性难题。因此,探讨对于冶金废水的处理显得尤为重要。目前液膜分离技术在冶金废水处理中的研究发展迅速,为此,本文主要探讨液膜萃取法处理冶金工业废水氨氮的研究。

  1、液膜分离技术及其在工业废水处理中的应用

  1.1 液膜分离技术

  液膜分离技术是20世纪60年代问世的一种新型膜分离技术。液膜分离的实质是通过所谓的“离子泵”效应,浓缩废水中的阴阳离子,以提取相应的元素。目前,液膜分离传质过程分为化学反应促进和载体促进两种。其中,化学反应促进又叫促进输送,无载体液膜传质分离,或是Ⅰ型促进迁移,其机理为利用一个选择性不可逆反应,从而使封闭相中的渗透物的浓度实质上为0;无载体液膜的分离机理主要有选择性渗透、化学反应和吸附等。载体促进又叫载体输送,有载体液膜传质分离,或是Ⅱ型促进迁移,其机理为利用一个流动选择性可逆反应,从而增大膜内浓度梯度,进而提高输送效果,达到有选择性的物质分离的目的;载体促进分为离子型和非离子型,主要有逆向迁移和同向迁移两种。

  1.2 液膜分离技术优点及其应用

  液膜过程与溶剂萃取具有许多相似之处,不同的是,液膜过程打破了溶剂萃取所固有的化学平衡,其萃取与反萃取分别同时发生在膜的两侧界面,是一种“内耦合”方式和非平衡传质过程。也正因如此,液膜过程具有如下优点:传质动力大,所需分离级数少;试剂消耗量少;选择性好;传质速率高;“上坡”效应或者溶质“逆浓度梯度”的效应,使其在从稀溶液中提取与浓缩溶质方面具有优势。

  目前,液膜技术在生物医药、化工生产、湿法冶金、稀有金属的提取,尤其在废水处理等方面应用广泛。其中,在废水处理中的应用包括含金属离子废水的处理、含弱酸离子及有机质废水的处理、氨氮的处理等。可以说,液膜分离技术在处理冶金工业废水领域发挥着越来越重要的作用。

  2、液膜萃取法处理冶金氨氮废水的试验研究

  2.1 处理机理

  氨态氮(NH3-N)易溶于膜相中,可与膜内相中的酸发生解脱反应:NH3+H+→NH4+,加之由于膜内外两侧氨的浓度不同,推动反应不断进行,从而将反应得到的不溶于油相而稳定在膜内相中的NH4+去除,达到分离氨氮的目的。

  2.2 试验部分

  2.2.1 材料、试剂及仪器

  1)实验材料:某亚镍厂生产废水。

  2)主要试剂:浓硫酸、氢氧化钠,分析纯;表面活性剂(四种)、煤油,市售工业品;膜增强剂石蜡,分析纯等。

  3)主要仪器:FG-1型大功率晶体管高压发生器;可调高速制乳器;JB90-D型大功率晶体管高压发生器等。

  2.2.2 操作过程

  整个试验操作过程包括乳液的制备、废水处理、破乳及重新制乳。基本工艺流程见图1。

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  2.2.3分析方法

  氨氮的含量用简易法测得,废水中的氨氮去除用去除率表示。由于乳化液膜内外水相中的离子浓度不相等,会产生液膜溶胀现象,降低萃取效率,因此,可计算溶胀率。

  2.2.4 结果与讨论

  2.2.4.1 膜相体系的选择

  试验结果显示,ME、环烷酸环醇酞胺、聚异丁烯胺及Span-80四类表面活性剂的溶胀率分别为12%、34%、49%及41%,氨氮去除率分别为94.2%、54%、38%及74%,表明ME是处理氨氮废水效果较好的表面活性剂,可做选用。而且,表面活性剂ME的用量对氨氮处理效果的影响呈“凸”形抛物线形式,当ME质量分数在3%时,氨氮去除率最高,在2%~4%时,去除率相对较高。可能是因为,当表面活性剂浓度较低时,形成的液膜较薄,膜的稳定性差,易破;反之,膜有较好的稳定性,而且破乳困难,有助于提高氨氮去除率。因此,本试验后期用ME浓度要控制在2%~4%。

  2.2.4.2 工艺条件的探索

  1)pH值的影响。

  试验结果显示,随着外向水pH值的升高,废水氨氮的去除率不断上升。具体的,当pH值在10~11之间时,随着外向水pH值的升高,废水氨氮的去除率上升较快,之后,则上升较慢,如图2所示。可能由于在近中性废水中,废水存在如下平衡:NH3+H2O←→NH4++OH-,当pH值大于11时,平衡左移,有利于液膜对氨的萃取。当pH值太大时,虽然对氨氮去除率更高,但考虑到经济情况及处理后的废水pH值不符合排放标准,故pH值选择11~12,此时氨氮去除率为75%~85%。

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  2)H2SO4浓度的影响。

  冶金工业废水的处理必须保持一定的酸浓度才能保证氨的解脱,本试验采用H2SO4来调节酸度,其原理为H2SO4与NH3生成不溶于膜相的硫酸氨,使外相氨不断进入内相,以达到去除氨的目的。本试验主要考察了质量分数分别为5%、10%、15%及20%的硫酸浓度,结果显示,随着硫酸浓度的增大,氨的去除率有所提高,在硫酸浓度为10%时,氨的去除率可达94%,考虑到酸度太强对设备的腐蚀及综合经济效益,宜选择H2SO4质量分数为10%。

  3)油内比及乳水比的影响。

  油内比是影响膜稳定性的重要因素,试验结果表明,油内比为1∶1最合适,过小氨氮去除率下降,过大则传质速率减慢,且不易破乳。乳水比是影响冶金废水氨氮去除率的另一重要因素,试验结果表明,随着乳水比的不断减小,其对氨氮处理效果的影响也呈“凸”形抛物线形式,选用乳水比为1∶8时,既有较好的去除率,又可节约成本。

  4)温度的影响(见图3)。

  本试验结果显示,在温度为15~40℃之间,随着温度的变化,冶金废水氨氮的去除率皆保持在95%左右,变化不大,因此,本试验中所用液膜可在室温下使用。

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  2.2.4.3 破乳方法的选择

  破乳是液膜萃取中的关键步骤,目前乳液的破乳方法主要有化学破乳法、离心破乳法、加热破乳法及高压静电破乳法四种。本试验结果表明,高压静电破乳为较理想的方法,与大多研究结果一致。本试验破乳装置示意图如下页图4所示。

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  3、结语

  冶金工业是重要的原材料工业部门,也是经济发展的物质基础。然而,冶金工业废水排放量大、成分复杂,是污染环境的主要废水之一和水处理领域全球性难题。根据以上摸索的条件,在最佳配方配制及最佳试验条件下,通过二级处理,某亚镍厂废水中的氨氮去除率较高,氨氮含量可达到国家一级排放标准。(来源:太原市环境科学研究院)

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