液膜分离实验说明书

一、实验目的
1.掌握液膜分离技术的操作过程。
2.了解两种不同的液膜传质机理。
3.用液膜分离法脱除废水中的污染物。
二、实验原理
液膜分离技术集萃取与反萃过程为一体，适用于分离溶液中的低浓度物质。此技术已在湿法冶金、石油化工、生物制品、三废处理等领域得到应用。是利用一种膜状液体将组成不同而又完全互溶的原料液和接受液隔开，原料液中的欲分离组分通过液膜渗透到接受液，从而与原料液分离。
由于欲处理的是醋酸废水溶液(外相)，所以可选用与之不互溶的油性物质作为膜相，并选用NaOH水溶液作为内相。实验时，先将膜相与内相在一定条件下乳化使两者形成稳定的油包水(W/O)型乳状液，然后将此乳状液分散于醋酸废水(即外相)中。这样，废水中的醋酸将以一定的速度穿过液膜向内相迁移，并与内相NaOH反应生成NaAc而被保留在内相，从而与废水分离。然后，将乳液与废水分离，对乳液进行破乳，回收内相中高浓度的NaAc，同时使膜相物质再生，以便重复使用。
为了制备稳定的乳状液膜，需要在膜中加入表面活性剂，表面活性剂的选择可以根据亲水亲油平衡值(HLB)来决定，一般对于W/O型乳状液，选择HLB值为3--6的乳化剂。为了提高液膜强度，还可在膜相中加入一些膜增强剂(一般为粘度较高的液体)。
溶质透过液膜的迁移过程，可以根据膜相中是否加入流动载体而分为两种迁移机理，即Ⅰ型促进迁移机理和Ⅱ型促进迁移机理。Ⅰ型促进迁移机理，是利用了液膜本身对溶质的选择性溶解和传递作用，Ⅱ型促进迁移机理，则是在液膜中加入一定的流动载体（通常为此溶质的萃取剂），选择性地与溶质在界面处形成络合物，然后此络合物在浓度梯度的作用下向内相扩散，至内相界面处被内相试剂解络(反萃)，解离出溶质载体，溶质进入内相而载体则扩散返回外相界面处再与溶质络合。流动载体的加入，通常可显著提高液膜的选择性和应用范围。
液膜分离过程实际上是萃取与反萃取同步进行的过程，液膜将原料液中的溶质萃入膜相，然后扩散至内相界面处，被内相试剂反萃至内相。影响液膜分离效率的主要因素有：
(1)液膜内表面活性剂的种类和浓度，它直接影响液膜的稳定性；
(2)膜溶剂的性质，它是构成液膜的基本材料，直接影响液膜的稳定性、选择性和溶质的渗透速率；
(3)流动载体的种类，它对提高液膜选择性和渗透速率具有重要作用；
(4)油内比，即制备乳状液膜时膜相与内相的体积比，该比值影响液膜稳定性和渗透速率；
(5)乳水比，即乳状液膜与外相的体积比，该比值决定了两相接触面积的大小，因而直接影响分离效率；
三、实验设计
实验装置主要包括：调速搅拌器一套，液膜分离实验设备一套；砂芯漏斗过滤装置一套（自备），用于液膜的破乳，分液装置一套（自备）；分析设备一套（自备）。
乳状液膜分离的工艺流程如图1所示。

图1实验流程示意图
四、实验步骤
本实验为乳状液膜法脱除水溶液中的醋酸，首先需制备液膜。
本实验选用的两种液膜组成如下：
A、液膜组成：煤油95%，乳化剂5%
B、液膜组成：煤油90%，乳化剂5%，TBP(载体)5%
内相用2mol/L的NaOH水溶液。采用HAc水溶液作为原料液进行传质试验，HAc的初始浓度在实验时测定。具体步骤如下：
[1]制乳搅拌釜中先加入A型液膜100mL，然后在1600r/min的转速下滴加内相NaOH水溶液100ml(约1min加完)，在此转速下搅拌15min待成稳定乳状液后停止搅拌，待用。
[2]在液膜分离设备中加入待处理的原料液500mL，在约400r/min的搅拌速度下加入上述乳液100mL进行传质实验，每隔一定时间，取样分析一次，测定外相HAc浓度随时间的变化，（取样时间为2min、5min、8min、12min、16min、20min、25min），并作出外相HAc浓度与时间的关系曲线。待外相中所有HAc均进入内相后停止搅拌。放出釜中液体，洗净待用。
[3]在液膜分离设备中加入300mL料液，在与[2]同样的搅拌转速下加入100mL乳状液，重复步骤[2]。
[4]比较[2]，[3]的实验结果，说明在不同处理比（料液/乳液体积比）下传质速率的差别，并分析其原因。
[5]用B型液膜，重复上述步骤[1]~[4]，记录实验结果。
[6]分析比较不同液膜组成的传质速率，并分析其原因。
[7]收集经沉降澄清后的上层乳液用砂芯漏斗抽滤破乳，破乳得到的膜相返回至制乳工序，内相NaAc进一步精制回收。
五、实验操作
实验时间：室温：
09:21称取40gNaOH，配制500mL的2mol/LNaOH溶液。
09:23称取24g冰醋酸，配制1000mL的0.4mol/LHAc原料液。
09:30取煤油92mL，乳化剂2g，液体石蜡6mL，配制液膜A100mL。
09:50取煤油89mL，乳化剂2g，TBP载体3mL，液体石蜡6mL，配制液膜B100mL。
10:20于制乳搅拌釜中先加入A型液膜100mL，然后在1600r/min的转速下滴加内相NaOH水溶液100mL（约1min加完），搅拌15min后停止，待用。
10:30用部分原料液润洗液膜分离设备。
11:00在液膜分离设备中加入待处理原料液500mL，在约400r/min的转速下，加入乳液A100mL，进行传质实验，每隔一定时间，取样分析一次，取样时间为2min、5min、12min、16min、20min、25min。
11:15开始对所取样品依次进行分液。
11:17对第一组样品依次滴定，记录相关数据。
11:22于制乳搅拌釜中先加入B型液膜100mL，然后在1600r/min的转速下滴加内相NaOH水溶液100mL（约1min加完），搅拌15min后停止，待用。
12:12称取24g冰醋酸，配制1000mL的0.4mol/LHAc原料液。
12:20在液膜分离设备中加入待处理原料液300mL，在约400r/min的转速下，加入乳液A100mL，进行传质实验，每隔一定时间，取样分析一次，取样时间为2min、5min、8min、12min、16min、20min、25min。
12:35对第二组样品依次滴定，记录相关数据。
13:25在液膜分离设备中加入待处理原料液500mL，在约400r/min的转速下，加入乳液B100mL，进行传质实验，每隔一定时间，取样分析一次，取样时间为2min、5min、8min、12min、16min、20min、25min。
14:30对第三组样品依次滴定，记录相关数据。
14:52在液膜分离设备中加入待处理原料液300mL，在约400r/min的转速下，加入乳液B100mL，进行传质实验，每隔一定时间，取样分析一次，取样时间为2min、5min、8min、12min。
15:36对第四组样品依次滴定，记录相关数据。
16:15清理实验台，清洗实验设备，结束本次实验。
6实验数据记录与处理
6.1实验数据记录
V样=mL，cNaOH=mol/L
[1]A1组：
表一A型液膜：原料液=1:5

数据 取样时间/min	NaOH滴定 初刻度 V初/mL	NaOH滴定 末刻度 V初/mL	NaOH滴定所用体积ΔV/mL	外相Hac 浓度 mol/L	醋酸 脱除率 /%

 
[2]A2组：
表二A型液膜：原料液=1:3

数据 取样时间/min	NaOH滴定 初刻度 V初/mL	NaOH滴定 末刻度 V初/mL	NaOH滴定所用体积 ΔV/mL	外相Hac 浓度 mol/L	醋酸 脱除率 /%

 
[3]B1组：
表三B型液膜：原料液=1:5

数据 取样时间/min	NaOH滴定 初刻度 V初/mL	NaOH滴定 末刻度 V初/mL	NaOH滴定所用体积 ΔV/mL	外相Hac 浓度 mol/L	醋酸 脱除率 /%

 
[4]B2组：
表四B型液膜：原料液=1:3

数据 取样时间/min	NaOH滴定 初刻度 V初/mL	NaOH滴定 末刻度 V初/mL	NaOH滴定所用体积 ΔV/mL	外相Hac 浓度 mol/L	醋酸 脱除率 /%

六、实验数据处理方法
本实验采用酸碱滴定法测定外相中的HAc浓度，以酚酞作为指示剂显示滴定终点。实验数据处理:
[1]外相中HAc浓度

式中，CNaOH为标准NaOH溶液的浓度，mol/L；VNaOH为标准NaOH溶液滴定体积Ml，VHAc为外相料液取样量，mL。
[2]醋酸脱除率

式中，C代表外相HAc浓度；下标0，t分别代表初始及瞬时值。
 
根据上述实验数据处理方法，分别计算出各组实验各个时刻的[1]外相中HAc浓度和[2]醋酸脱除率，然后对实验结果数据绘制“Hac浓度—时间”的平滑曲线图
七、实验结果与讨论
[1]比较A1和A2组实验结果及B1和B2组的实验结果：在不同处理比（料液/乳液体积比）下传质速率有明显差异，即料液与乳液体积比的比值越小，分离效果越好，醋酸脱除率越高。因为该比值决定了两相接触面积的大小，比值越小，接触面积越大，因而直接影响分离效率；
[2]比较A1和B1组实验结果及A2和B2组的实验结果：在不同液膜的的参与下传质速率有明显的差异，即液膜本身中加入载体具有更高的分离效率，醋酸脱除率更高，同时也影响液膜的稳定性；
[3]观察A1、A2、B2实验结果：在一定的时间范围内，外相HAc的浓度逐渐降低，分离效率增加，醋酸脱除率增加；
[4]观察B1的实验数据与其他3组不同且出现错误。外相HAc的浓度理应随着时间的增加逐渐降低，可是此次数据却一直波动。经分析，可能是由于第3组的各组分制乳后静置分层的时间过于冗长，导致滴定时HAc的浓度出现偏差。