关于液膜萃取法处理冶金工业废水的研究

罗 文

（太原市环境科学研究院， 山西 太原 030002）

人口的不断增长以及对水资源的肆意污染和浪费，使得我国水资源短缺及水环境污染问题日趋严重。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[1]。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。

图1 液膜法处理冶金氨氮废水工艺流程

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%。

图2 外水相pH值对冶金废水氨氮去除率的影响

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。

图3 温度对冶金废水氨氮去除率的影响

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[2]。本试验破乳装置示意图如下页图4所示。

图4 本试验所用破乳装置示意图

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。

[1]金美芳，深铁军，林立.液膜法从金属矿废液中除氰及回收氯化钠的小型工业化试验[J].膜科学与技术，1994，14（14）：16-28.

[2]黄万抚.乳状液膜静电破乳器破乳机理研究[J].化学工程，2003，31（3）：58-61.