乳状液膜萃取苯酚废水的研究

孙家乐，高瞻远，王森淼，高浩锋，赵志菲，陆 英

(太原工业学院环境与安全工程系，山西 太原 030008)

1 引言

煤化工等行业在生产过程中会产生大量含酚废水，苯酚及其衍生物具有高毒性和强致癌作用，低浓度便会严重影响生物体及环境，威胁生态环境和人类健康。含酚废水必须经过有效处理才能排放，传统的方法有生物降解、化学氧化、光催化降解、溶剂萃取和吸附等。

乳状液膜萃取分离技术综合了固体膜和溶剂萃取优点，具有传质面积大、传质阻力小、选择性好、成本低和适用性强等优点[1]，在湿法冶金[2]、医药化工和废水处理[3-4]等领域得到广泛应用。采用乳状液膜萃取技术分离去除酚类有机物，既能减少对环境的污染，也能回收利用酚类有机物。本研究将油包水乳状液分散在模拟苯酚废水中，通过乳状液膜萃取废水中的苯酚，探讨了乳化条件和萃取条件对萃取效果的影响，包括乳化剂用量、油水比、内水相NaOH浓度、内水相壳聚糖浓度和萃取时间，并通过电导率测定考察了乳状液膜的稳定性。

2 实验部分

2.1 油包水乳状液的制备

首先，将不同比例的煤油和乳化剂Span 80在100 mL烧杯中搅拌混合2 min；然后加入一定浓度的NaOH溶液，采用实验室多功能分散砂磨机在4000 r/min速度下搅拌5 min，使膜相煤油和内水相NaOH溶液充分混合。

2.2 乳状液膜萃取

取200 mL待处理的100 mg/L苯酚溶液于烧杯中，在250 r/min搅拌速度下加入10 mL上述乳状液，萃取10 min。然后将混合液转移至分液漏斗中静置2天分层，取5 mL下层清液在50 mL容量瓶中稀释10倍。最后利用紫外分光光度计在270 nm波长下测定下层清液稀释后的吸光度，得到外水相中剩余苯酚的含量，通过差减法计算苯酚去除率。

2.3 电导率法测定乳状液膜的稳定性

在上述萃取过程中，通过电导率仪测定外水相电导率，通过外水相溶液电导率随时间的变化分析液膜的稳定性。

3 结果与讨论

3.1 苯酚溶液标准曲线

首先配置100 mg·L-1的苯酚水溶液，取5 mL、10 mL、20 mL、50 mL配置好的苯酚水溶液，分别加入100 mL容量瓶中稀释至刻度线，摇匀；利用紫外分光光度计在270 nm波长下测定吸光度，测得苯酚溶液的标准曲线(R2=99.93 %)，如图1所示。

图1 苯酚溶液标准曲线

3.2 乳化条件对苯酚去除率的影响

3.2.1 乳化剂用量的影响

固定油水比(膜相煤油和内水相NaOH溶液质量比)为1：1、NaOH溶液浓度为0.3 mol/L，考察乳化剂用量对苯酚去除率的影响，结果如图2所示。随着乳化剂用量的增加，苯酚去除率先增加后下降，乳化剂用量为0.35 %时，苯酚的去除率为42.15 %。

图2 乳化剂用量对苯酚去除率的影响

乳化剂作为一种表面活性剂，能吸附在油/水界面产生定向吸附，疏水尾基指向油相，亲水头基指向水相，降低油水界面张力(界面能)，形成具有一定强度的界面膜，提高乳状液膜的稳定性。同时，增加乳化剂用量，会使乳状液的黏度增大，使乳状液在外水相中的分散性降低，导致苯酚去除率下降[5]。

3.2.2 油水比的影响

油水比是指膜相煤油和内水相NaOH溶液的质量比。固定乳化剂用量为0.35 %、NaOH溶液浓度为0.3 mol/L，考察油水比对苯酚去除率的影响，结果如图3所示。苯酚去除率随油水比的增大而减小，当油水比为1：3时，苯酚的去除率达到了48.74 %。理论上，乳状液膜的稳定性随油含量的增加而提高，但乳状液的黏度也会随油含量的增加而增大，致使乳状液在外水相中的分散性下降，从而降低苯酚的去除率。

图3 油水比对苯酚去除率的影响

3.2.3 内水相NaOH浓度的影响

在内水相中添加适量的电解质是提高液膜稳定性的一种方法。当乳化剂用量为0.35 %、油水比为1：3时，内水相NaOH浓度对苯酚去除率的影响见图4。实验表明，当NaOH浓度为1 mol/L时，无法形成乳状液；NaOH浓度为0.3 mol/L时，苯酚去除率最大，为48.74 %。在水相中添加适量的 NaOH，能提高液膜稳定性和苯酚的去除率。电解质稳定液膜的机制在于其对油水界面张力及界面粘弹性的影响。Rocha等发现在油包水乳状液中添加无机盐，不仅降低了油水界面张力，还增强了界面膜的压缩性[6]；Pawlik等指出无机盐的添加在降低界面张力的同时可以增加乳液界面膜粘弹性[7]。

图4 内水相NaOH浓度对苯酚去除率的影响

3.2.4 壳聚糖用量的影响

在内水相中添加多糖大分子是提高乳状液膜稳定性的另一种方法。当乳化剂用量为0.35 %、油水比为1：3、NaOH浓度为0.3 mol/L时，内水相中壳聚糖浓度对苯酚去除率的影响见图5。随着壳聚糖浓度的增加，苯酚去除率逐渐下降。这是因为壳聚糖多糖大分子会增强液膜的界面粘弹性，并增强内水相的粘度，使内水相凝胶化[8]。改善液膜稳定性的同时，使乳状液的粘度增大[9]，降低其在外水相的分散性，导致苯酚去除率下降。

图5 壳聚糖浓度对苯酚去除率的影响

3.3 萃取时间对苯酚去除率的影响

液膜萃取达到平衡需要一定的时间，在优化的乳化条件下，进一步考查萃取时间对苯酚去除率的影响。固定乳化剂用量为0.35 %、油水比为1：3、NaOH浓度为0.3 mol/L，萃取时间对苯酚去除率的影响见图6。随着萃取时间的增加，苯酚去除率先增加后下降，萃取时间为10 min时，苯酚的去除率为48.74 %。液膜萃取10 min达到平衡，随着萃取时间的增加，液膜破裂，使苯酚去除率下降。

图6 萃取时间对苯酚去除率的影响

3.4 乳状液膜的稳定性

乳状液膜破裂后，内水相中的NaOH溶液进入外水相，使外水相电导率增加，通过外水相溶液电导率随时间的变化可以判断液膜的稳定性。由图7可知，外水相溶液电导率随萃取时间的增加先增加后缓慢趋于平稳，液膜在萃取过程中会发生破裂。

图7 萃取过程外水相电导率随时间的变化

4 结论

研究表明液膜稳定性和乳状液在外水相中的分散性均受乳化剂用量、油水比、内相NaOH浓度、内相壳聚糖浓度的影响，在液膜萃取苯酚过程中，为提高苯酚去除率，需在适宜的乳化条件下制备油包水乳状液，保证液膜稳定性的同时考虑乳状液在外水相中的分散性。

致谢：感谢2021年国家级大学生创新创业训练计划项目对本文的资助，在此表示感谢！