Cu（II）在中空纤维更新液膜中的传质行为研究

论文摘要

液膜技术是综合了溶剂萃取和固体膜分离特点的一种新型的分离技术,与传统的溶剂萃取过程相比,该过程具有特殊的优势。本文提出了一种新型的液膜技术——中空纤维更新液膜技术（HFRLM）,该技术利用中空纤维膜与溶剂相的亲合作用,使溶剂相在中空纤维膜一侧的表层形成一层极薄的溶剂相液膜,从而起到分隔料液相与反萃相,并实现溶质在料液相与反萃相之间的选择性迁移。它在保持液膜非平衡传质优点的同时,既克服了支撑液膜膜液流失的缺点,又避免了乳化液膜工艺的复杂性。本文较为系统地研究了HFRLM的传质性能及相比于其他液膜技术的优势,结合其传质机理,提出了中空纤维更新液膜过程的传质模型,并将该技术应用于模拟含铜废水处理及柠檬酸提取的小试研究。1、以硫酸铜溶液为料液相,通过热力学基础研究,初步确定了有机相组成,考察了料液pH值、萃取剂浓度、料液浓度、不同反萃剂、反萃相[H+]、操作温度等对分配系数的影响,并对其萃取机理进行了探讨。结果表明:有机相组成为LIX984N/煤油和D2EHPA/煤油时对Cu（Ⅱ）的萃取分配系数及萃取率较高;以LIX984N为萃取剂时料液最佳pH值为大于2.00,以D2EHPA为萃取剂时料液最佳pH值为4.44;随着反萃相中[H+]的增加,反萃分配系数均先增加后减小。2、以硫酸铜-LIX984N（D2EHPA）/煤油-硫酸（盐酸）为实验体系,研究了流体流动状态（两相流速、流动方式）、体系物性（料液初始pH值、缓冲液浓度、反萃相[H+]、不同反萃剂）、液膜相组成（不同载体及其浓度、油水比）、膜结构参数（纤维内径、膜厚、膜器管径）等对HFRLM传质过程的影响,并与其他液膜技术进行了比较研究。在HFRLM过程中,传质系数随两相流速的增大而增大,料液侧水相边界层传质阻力在总传质阻力中所占比例较大;液滴的聚并破碎性能与液滴和流道的相对尺寸有关,因此纤维内径较大的传质效果较好;随着膜厚的增加,Cu（Ⅱ）在膜相中的扩散阻力增加,总传质阻力增加,使传质系数减小;相比于中空纤维支撑液膜过程,其液膜稳定性及传质系数均有提高,其泄漏率比乳化液膜降低了3～4个数量级。3、根据HFRLM过程的传质机理,以阻力串联模型为基本出发点,引入表面更新理论描述液膜表面更新过程的传质强化作用,提出了液膜相分传质系数以及总传质系数计算式。根据质量守恒,推导了循环实验中料液相质量浓度随时间变化函数关系式,该模型值与实验值吻合情况良好。4、采用HFRLM技术处理含Cu（Ⅱ）废水,去除率达99.0%,处理后废水Cu（Ⅱ）含量低于1.0mg·L-1,达到国家排放标准;浓缩侧的Cu（Ⅱ）浓度达1700mg·L-1,富集因子为25。该处理过程中无二次污染,浓缩后的废水可回收使用,是实现含铜废水闭路循环的有效手段之一。该技术在稀溶液中提取柠檬酸方面的研究结果表明,由于液膜层的更新作用,液膜长时间保持稳定,传质速率较快,提取效果较好,其提取率达98%以上,大大超过了钙盐法的提取率,反萃相柠檬酸的富集倍数达9倍以上,该技术在柠檬酸稀溶液处理方面有广阔的应用前景。本文的研究为中空纤维更新液膜技术传质性能的深入研究以及付诸实际应用提供了重要依据和理论基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 液膜发展史
• 1.2 液膜分离技术的传质机理
• 1.3 液膜技术的发展及研究现状
• 1.3.1 早期液膜技术及其稳定性研究
• 1.3.2 新液膜构型研究
• 1.3.3 液膜技术应用体系的研究
• 1.3.4 操作条件的优化研究
• 1.3.5 液膜传质模型的研究
• 1.4 本文的研究思路
• 第二章 热力学基础研究
• 2.1 概述
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 主要试剂及仪器
• 2.2.2 实验步骤与数据处理
• 2.2.3 实验分析方法
• 2.3 萃取剂 D2EHPA和 LIX984N的萃取机理
• 2.4 不同因素对分配系数的影响
• 2.4.1 有机相组成对萃取效果的影响
• 2.4.2 不同稀释剂对萃取效果的影响
• 2.4.3 料液初始pH值对分配系数的影响
• 2.4.4 料液相醋酸根浓度对分配系数的影响
• 2.4.5 料液浓度对分配系数的影响
• 2.4.6 萃取剂浓度对分配系数的影响
• +浓度对反萃分配系数的影响'>2.4.7 反萃相 H⁺浓度对反萃分配系数的影响
• 2.4.8 温度对分配系数的影响
• 2.5 本章小结
• 第三章 新型液膜技术—中空纤维更新液膜技术
• 3.1 中空纤维更新液膜技术的提出
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 主要试剂及仪器
• 3.2.2 实验装置及数据处理方法
• 3.3 HFRLM可行性研究
• 3.3.1 HFRLM稳定性研究
• 3.3.2 HFRLM传质效果研究
• 3.4 本章小结
• 第四章 中空纤维更新液膜回收Cu（II）传质性能研究
• 4.1 概述
• 4.2 实验部分
• 4.3 流体流动状态对 HFRLM传质性能的影响
• 4.3.1 两相流速对传质性能的影响
• 4.3.2 操作方式对传质性能的影响
• 4.4 体系物性对传质性能的影响
• 4.4.1 料液pH值对传质性能的影响
• 4.4.2 缓冲液中醋酸根离子浓度对传质性能的影响
• 4.4.3 反萃相氢离子浓度对传质性能的影响
• 4.4.4 不同反萃剂对传质性能的影响
• 4.5 液膜相组成对传质性能的影响
• 4.5.1 不同载体及其浓度对传质性能的影响
• 4.5.2 油水比对传质性能的影响
• 4.6 不同物性体系对传质性能的影响
• 4.7 本章小结
• 第五章 膜结构参数对 HFRLM传质性能的影响
• 5.1 概述
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 主要试剂及仪器
• 5.2.2 分析方法与数据处理
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 膜厚对传质性能的影响
• 5.3.2 纤维内径对传质性能的影响
• 5.3.3 膜器大小对传质性能的影响
• 5.3.4 孔隙率对传质性能的影响
• 5.4 本章小结
• 第六章 HFRLM传质模型研究
• 6.1 概述
• 6.2 传质模型的建立
• 6.2.1 总传质系数的计算
• 6.2.2 循环过程的传质模型
• 6.3 模型验证
• 6.4 模型分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 HFRLM技术工业应用研究
• 7.1 HFRLM技术处理含Cu（II）废水研究
• 7.1.1 实验部分
• 7.1.2 HFRLM对含Cu（II）废水的去除效果
• 7.1.3 HFRLM对含Cu（II）废水的浓缩效果
• 7.1.4 停留时间对HFRLM处理含 Cu（II）废水的影响
• 7.2 HFRLM技术提取柠檬酸小试研究
• 7.2.1 实验部分
• 7.2.2 萃取剂的选择
• 7.2.3 萃取剂浓度对分配系数的影响
• 7.2.4 料液初始浓度对分配系数的影响
• 7.2.5 反萃剂对分配系数的影响
• 7.2.6 HFRLM对柠檬酸的提取效果
• 7.2.7 HFRLM对柠檬酸的浓缩效果
• 7.2.8 两种操作方式对柠檬酸传质的影响比较
• 7.2.9 HFRLM技术提取柠檬酸的应用研究
• 7.3 本章小结
• 第八章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者和导师简介