乳化液膜法脱除磷酸中镉的研究

徐梅松

(贵州大学化学与化工学院,贵州贵阳 550003)

乳化液膜法脱除磷酸中镉的研究

徐梅松

(贵州大学化学与化工学院,贵州贵阳 550003)

镉是磷酸中的有害杂质之一,其对环境的污染和对人体的毒害日趋严重,所以必须控制磷酸中镉等有害杂质的含量。用乳化液膜法除去磷酸中的镉,采用单因素实验法,重点考察了表面活性剂 Span-80,T151,T154及用量、萃取剂 TBP,P204及用量、萃取时间对脱除磷酸中镉的影响。结果显示:表面活性剂 T154用量为 2.0 mL及萃取剂 P204用量为 2.0 mL时,乳化液膜具有较好的稳定性,且萃取时间为 15 min时,从磷酸中除镉的效果最优。

乳化液膜;磷酸;镉

在磷酸生产中,除镉方法主要有石膏共结晶法、硫化法、离子交换法、溶剂萃取法、膜分离技术[1]。石膏共结晶法是利用石灰等中和沉淀,该法虽然方法简单,但除镉必须在中性或碱性条件下进行;硫化法需在加压条件下进行;离子交换法及溶剂萃取法工艺和设备复杂,处理成本高[2-3];膜分离技术是现在讨论最多的。I.Ortiz等[4]应用双膜技术,首先选用 Purolite S940树脂完成对铀的吸附,之后再选用季铵氯化物 336完成对镉的选择吸附,然后再利用反萃取剂Na2CO3将镉萃取出来。这些方法对除镉均有较好的效果,但大多都因工序麻烦或成本太高而未用于生产。乳化液膜法具有膜薄、传质速率快、选择性高等优点。笔者采用乳化液膜法脱除磷酸中的镉,确定了最佳液膜组成及工艺条件。

1 乳化液膜法脱除镉的机理

镉是重金属元素,在溶液中以水合离子形式存在,为了除去磷酸中的镉,采用了 P204作为萃取剂。P204是酸性磷类萃取剂,在非极性溶剂中通过氢键进行结合,形成二聚体的结构,聚合反应简式写成:

Cd2+被 P204萃取进入有机相的反应过程可用如下简式表示:

有机相中的 Cd(HA2)2遇到内相解析酸 HCl则发生如下反应:

这样 Cd2+就被富集于内相,而 P204往返输送Cd2+,H+作为传递 Cd2+的动力,从而达到除镉的目的。

2 实验部分

2.1 主要试剂与仪器

表面活性剂:Span-80(失水山梨醇单油酸酯)、T151(单烯基丁二酰亚胺)、T154(聚异丁烯丁二酰亚胺),均为分析纯;萃取剂:TBP(磷酸三丁酯)、P204[二(2-乙基己基)磷酸酯],均为分析纯;煤油,分析纯;盐酸(4 mol/L);磷酸料液[w(Cd2+)= 1×10-4]。

310原子吸收分光光度计;JJ-1A精密电动搅拌器。

2.2 乳液的制备

量取一定量的表面活性剂,用一定量的煤油溶解,待表面活性剂彻底溶于煤油后,在电动搅拌器定速搅拌的同时,按比例依次加入萃取剂与内相试剂,混合搅拌均匀,将搅拌好的液体立即利用电动搅拌器在 2 500 r/min进行制乳 10 min,即可制得乳白色的乳化液。

2.3 镉的脱除

用制好的乳化液,以一定的乳外比 (乳化液与外相溶液的体积比)加入到磷酸溶液中,将混合液用电动搅拌器进行搅拌,搅拌完成后,将混合液静置一段时间待分层,取出少量下层清夜进行镉含量的测定。

2.4 Cd2+浓度的测定

采用 310原子吸收分光光度计对磷酸料液中残留 Cd2+的浓度进行测定,以便确定最佳实验参数。

3 实验结果与讨论

3.1 表面活性剂的筛选

表面活性剂是液膜的重要组成部分,直接影响液膜的稳定性、渗透速度、分离效率以及液膜的再使用。采用 Span-80,T151,T154 3种表面活性剂进行对照实验,结果见图 1。由图 1可以看出,对于3种不同表面活性剂制成的乳化液膜,经除镉实验后,料液中残留 Cd2+的浓度相差不大。但 Span-80在酸碱作用下易破坏,根本不适宜在外水相为较强酸性环境下使用;以 T154为表面活性剂的乳化液膜除镉率稍高些。因而选定 T154为乳化液膜的表面活性剂。

图 1 表面活性剂种类对分离 Cd2+的影响

3.2 萃取剂的筛选

在液膜分离中,萃取剂是实现分离传质的关键,它对指定物质在液膜中迁移的选择性优劣以及通量大小起决定性作用。因此选择合适的萃取剂极为重要。选用 TBP和 P204作为萃取剂进行对照实验,结果见图 2。由图 2可以看出,P204对 Cd2+的脱除明显优于 TBP。TBP也是一种常用的中性有机磷类萃取剂,但在此实验中,效果不明显。因而选定P204为乳化液膜的萃取剂。

图 2 萃取剂种类对分离 Cd2+的影响

3.3 表面活性剂 T154用量对分离 Cd2+的影响

用 T154做表面活性剂,其相对分子质量较大,所形成的乳化液膜厚,稳定性较好,脱镉率较高。图3为 T154用量对分离 Cd2+的影响。由图 3可以看出,在开始阶段随着表面活性剂用量的增加,料液中残留 Cd2+浓度下降;当表面活性剂用量达到 1.5～2.0 mL后,料液中残留 Cd2+的浓度下降不是很明显,原因是随着表面活性剂用量的增加,其在油水界面的吸附量增大,增加了膜相的黏度,增大传质阻力。因此,再增加表面活性剂的用量,对镉的脱除率也不会有明显的提高,甚至脱镉率还会有所下降。故选择表面活性剂 T154的用量为 2.0 mL。 3.4 萃取剂 P204用量对分离 Cd2+的影响

图 3 表面活性剂 T154用量对分离 Cd2+的影响

图 4为萃取剂 P204的用量对分离 Cd2+的影响。从图 4可以看出,当萃取剂用量极少时,脱镉率很低,料液中残留 Cd2+质量分数达到 8×10-5左右,传质速率很低。随着萃取剂用量的增加脱镉率增大,当用量达到 2.0 mL时,此时料液中残留 Cd2+浓度明显降低,当萃取剂用量超过 2.0 mL后,料液中残留 Cd2+浓度基本无变化。因而,萃取剂用量过大或过小都不好。萃取剂用量小则待分离物质与萃取剂络合的不好,影响镉的脱除;萃取剂用量过大,不但增加膜的成本,而且还会影响膜的稳定性。故选择萃取剂 P204的用量为 2.0 mL。

图 4 萃取剂 P204用量对分离 Cd2+的影响

3.5 萃取时间对分离 Cd2+的影响

图 5 萃取时间对分离Cd2+的影响

图 5为萃取时间对分离 Cd2+的影响。从图 5可以看出,当萃取时间小于 15 min时,料液中残留Cd2+的浓度随着时间的增加而明显降低,这是因为刚开始时由于外水相和内水相的浓度梯度大,所以传质速率大,与液膜的破碎率相比占优势,所以除镉率上升。但是当萃取时间进一步延长时,由于液膜的破碎率增大,与传质速率相比占优势,料液中残留Cd2+的浓度反而增加。固选择萃取时间为 15 min。

4 结论

以 T154-P204-煤油组成的液膜体系分离低浓度(质量分数为 1×10-4左右)的含镉磷酸,分离效率较显著,除镉率可达到 80%以上,分离速度快。相对较优实验条件为:表面活性剂选 T154,用量为2.0 mL;萃取剂选 P204,用量为2.0 mL;萃取时间为15 min。

[1] 王江平.入世后高浓度磷肥中镉的问题 [J].磷肥与复肥, 2002,17(5):11-15.

[2] BookerN A,陈月英.从湿法磷酸中分离镉[J].湿法冶金,1989 (3):18-23.

[3] Tjioe T T,曹淑清.用阴离子交换法从湿法磷酸中除镉[J].湿法冶金,1989(2):19-25.

[4] Ortiz I,Alonso A I,Urtiaga A M,et al.An integrated process for the removal of Cd and U from wet phosphoric acid[J].Ind.Eng. Chem.Res.,1999,38(6):2450-2459.

Study on removal of cadm ium from phosphoric acid by emulsion liquid membrane technology

XuMeisong
(School of Chem istry and Chem ical Engineering,Guizhou University,Guiyang550003,China)

Cadmium is one of the har mful impurities in phosphoric acid.Its environmental pollution and poison on human body becomemore andmore serious.So itmust control the contentof the harmful impurities,such as cadmium,in phosphoric acid.Removing cadmium from phosphoric acid by using emulsion liquidmembrane technologywas studied.Influences of surfactants(Span-80,T151,and T154)and dosages thereof,extracting agents(TBP and P204)and dosages thereof and extraction time on the removalof cadmium from phosphoric acidwere investigated in detail by single factor testingmethod.Results showed emulsion liquid membrane had good stabilitywhen the amounts of T154 and P204 were both 2.0 mL. Further more,the removal effect of cadmium from phosphoric acid was the bestwhen extraction time was 15 min.

emulsion liquid membrane;phosphoric acid;cadmium

TQ132.44

A

1006-4990(2011)01-0058-03

2010-07-12

徐梅松(1974— ),女,硕士,讲师,主要从事化学化工、磷化工的研究,已发表文章4篇。

联系方式:msxu1974@126.com