徐梅松

(貴州大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院,貴州貴陽 550003)

乳化液膜法脫除磷酸中鎘的研究

徐梅松

(貴州大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院,貴州貴陽 550003)

鎘是磷酸中的有害雜質(zhì)之一,其對(duì)環(huán)境的污染和對(duì)人體的毒害日趨嚴(yán)重,所以必須控制磷酸中鎘等有害雜質(zhì)的含量。用乳化液膜法除去磷酸中的鎘,采用單因素實(shí)驗(yàn)法,重點(diǎn)考察了表面活性劑 Span-80,T151,T154及用量、萃取劑 TBP,P204及用量、萃取時(shí)間對(duì)脫除磷酸中鎘的影響。結(jié)果顯示:表面活性劑 T154用量為 2.0 mL及萃取劑 P204用量為 2.0 mL時(shí),乳化液膜具有較好的穩(wěn)定性,且萃取時(shí)間為 15 min時(shí),從磷酸中除鎘的效果最優(yōu)。

乳化液膜;磷酸;鎘

在磷酸生產(chǎn)中,除鎘方法主要有石膏共結(jié)晶法、硫化法、離子交換法、溶劑萃取法、膜分離技術(shù)[1]。石膏共結(jié)晶法是利用石灰等中和沉淀,該法雖然方法簡單,但除鎘必須在中性或堿性條件下進(jìn)行;硫化法需在加壓條件下進(jìn)行;離子交換法及溶劑萃取法工藝和設(shè)備復(fù)雜,處理成本高[2-3];膜分離技術(shù)是現(xiàn)在討論最多的。I.Ortiz等[4]應(yīng)用雙膜技術(shù),首先選用 Purolite S940樹脂完成對(duì)鈾的吸附,之后再選用季銨氯化物 336完成對(duì)鎘的選擇吸附,然后再利用反萃取劑Na2CO3將鎘萃取出來。這些方法對(duì)除鎘均有較好的效果,但大多都因工序麻煩或成本太高而未用于生產(chǎn)。乳化液膜法具有膜薄、傳質(zhì)速率快、選擇性高等優(yōu)點(diǎn)。筆者采用乳化液膜法脫除磷酸中的鎘,確定了最佳液膜組成及工藝條件。

1 乳化液膜法脫除鎘的機(jī)理

鎘是重金屬元素,在溶液中以水合離子形式存在,為了除去磷酸中的鎘,采用了 P204作為萃取劑。P204是酸性磷類萃取劑,在非極性溶劑中通過氫鍵進(jìn)行結(jié)合,形成二聚體的結(jié)構(gòu),聚合反應(yīng)簡式寫成:

Cd2+被 P204萃取進(jìn)入有機(jī)相的反應(yīng)過程可用如下簡式表示:

有機(jī)相中的 Cd(HA2)2遇到內(nèi)相解析酸 HCl則發(fā)生如下反應(yīng):

這樣 Cd2+就被富集于內(nèi)相,而 P204往返輸送Cd2+,H+作為傳遞 Cd2+的動(dòng)力,從而達(dá)到除鎘的目的。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 主要試劑與儀器

表面活性劑:Span-80(失水山梨醇單油酸酯)、T151(單烯基丁二酰亞胺)、T154(聚異丁烯丁二酰亞胺),均為分析純;萃取劑:TBP(磷酸三丁酯)、P204[二(2-乙基己基)磷酸酯],均為分析純;煤油,分析純;鹽酸(4 mol/L);磷酸料液[w(Cd2+)= 1×10-4]。

310原子吸收分光光度計(jì);JJ-1A精密電動(dòng)攪拌器。

2.2 乳液的制備

量取一定量的表面活性劑,用一定量的煤油溶解,待表面活性劑徹底溶于煤油后,在電動(dòng)攪拌器定速攪拌的同時(shí),按比例依次加入萃取劑與內(nèi)相試劑,混合攪拌均勻,將攪拌好的液體立即利用電動(dòng)攪拌器在 2 500 r/min進(jìn)行制乳 10 min,即可制得乳白色的乳化液。

2.3 鎘的脫除

用制好的乳化液,以一定的乳外比 (乳化液與外相溶液的體積比)加入到磷酸溶液中,將混合液用電動(dòng)攪拌器進(jìn)行攪拌,攪拌完成后,將混合液靜置一段時(shí)間待分層,取出少量下層清夜進(jìn)行鎘含量的測(cè)定。

2.4 Cd2+濃度的測(cè)定

采用 310原子吸收分光光度計(jì)對(duì)磷酸料液中殘留 Cd2+的濃度進(jìn)行測(cè)定,以便確定最佳實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 表面活性劑的篩選

表面活性劑是液膜的重要組成部分,直接影響液膜的穩(wěn)定性、滲透速度、分離效率以及液膜的再使用。采用 Span-80,T151,T154 3種表面活性劑進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn),結(jié)果見圖 1。由圖 1可以看出,對(duì)于3種不同表面活性劑制成的乳化液膜,經(jīng)除鎘實(shí)驗(yàn)后,料液中殘留 Cd2+的濃度相差不大。但 Span-80在酸堿作用下易破壞,根本不適宜在外水相為較強(qiáng)酸性環(huán)境下使用;以 T154為表面活性劑的乳化液膜除鎘率稍高些。因而選定 T154為乳化液膜的表面活性劑。

圖 1 表面活性劑種類對(duì)分離 Cd2+的影響

3.2 萃取劑的篩選

在液膜分離中,萃取劑是實(shí)現(xiàn)分離傳質(zhì)的關(guān)鍵,它對(duì)指定物質(zhì)在液膜中遷移的選擇性優(yōu)劣以及通量大小起決定性作用。因此選擇合適的萃取劑極為重要。選用 TBP和 P204作為萃取劑進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn),結(jié)果見圖 2。由圖 2可以看出,P204對(duì) Cd2+的脫除明顯優(yōu)于 TBP。TBP也是一種常用的中性有機(jī)磷類萃取劑,但在此實(shí)驗(yàn)中,效果不明顯。因而選定P204為乳化液膜的萃取劑。

圖 2 萃取劑種類對(duì)分離 Cd2+的影響

3.3 表面活性劑 T154用量對(duì)分離 Cd2+的影響

用 T154做表面活性劑,其相對(duì)分子質(zhì)量較大,所形成的乳化液膜厚,穩(wěn)定性較好,脫鎘率較高。圖3為 T154用量對(duì)分離 Cd2+的影響。由圖 3可以看出,在開始階段隨著表面活性劑用量的增加,料液中殘留 Cd2+濃度下降;當(dāng)表面活性劑用量達(dá)到 1.5～2.0 mL后,料液中殘留 Cd2+的濃度下降不是很明顯,原因是隨著表面活性劑用量的增加,其在油水界面的吸附量增大,增加了膜相的黏度,增大傳質(zhì)阻力。因此,再增加表面活性劑的用量,對(duì)鎘的脫除率也不會(huì)有明顯的提高,甚至脫鎘率還會(huì)有所下降。故選擇表面活性劑 T154的用量為 2.0 mL。 3.4 萃取劑 P204用量對(duì)分離 Cd2+的影響

圖 3 表面活性劑 T154用量對(duì)分離 Cd2+的影響

圖 4為萃取劑 P204的用量對(duì)分離 Cd2+的影響。從圖 4可以看出,當(dāng)萃取劑用量極少時(shí),脫鎘率很低,料液中殘留 Cd2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到 8×10-5左右,傳質(zhì)速率很低。隨著萃取劑用量的增加脫鎘率增大,當(dāng)用量達(dá)到 2.0 mL時(shí),此時(shí)料液中殘留 Cd2+濃度明顯降低,當(dāng)萃取劑用量超過 2.0 mL后,料液中殘留 Cd2+濃度基本無變化。因而,萃取劑用量過大或過小都不好。萃取劑用量小則待分離物質(zhì)與萃取劑絡(luò)合的不好,影響鎘的脫除;萃取劑用量過大,不但增加膜的成本,而且還會(huì)影響膜的穩(wěn)定性。故選擇萃取劑 P204的用量為 2.0 mL。

圖 4 萃取劑 P204用量對(duì)分離 Cd2+的影響

3.5 萃取時(shí)間對(duì)分離 Cd2+的影響

圖 5 萃取時(shí)間對(duì)分離Cd2+的影響

圖 5為萃取時(shí)間對(duì)分離 Cd2+的影響。從圖 5可以看出,當(dāng)萃取時(shí)間小于 15 min時(shí),料液中殘留Cd2+的濃度隨著時(shí)間的增加而明顯降低,這是因?yàn)閯傞_始時(shí)由于外水相和內(nèi)水相的濃度梯度大,所以傳質(zhì)速率大,與液膜的破碎率相比占優(yōu)勢(shì),所以除鎘率上升。但是當(dāng)萃取時(shí)間進(jìn)一步延長時(shí),由于液膜的破碎率增大,與傳質(zhì)速率相比占優(yōu)勢(shì),料液中殘留Cd2+的濃度反而增加。固選擇萃取時(shí)間為 15 min。

4 結(jié)論

以 T154-P204-煤油組成的液膜體系分離低濃度(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 1×10-4左右)的含鎘磷酸,分離效率較顯著,除鎘率可達(dá)到 80%以上,分離速度快。相對(duì)較優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件為:表面活性劑選 T154,用量為2.0 mL;萃取劑選 P204,用量為2.0 mL;萃取時(shí)間為15 min。

[1] 王江平.入世后高濃度磷肥中鎘的問題 [J].磷肥與復(fù)肥, 2002,17(5):11-15.

[2] BookerN A,陳月英.從濕法磷酸中分離鎘[J].濕法冶金,1989 (3):18-23.

[3] Tjioe T T,曹淑清.用陰離子交換法從濕法磷酸中除鎘[J].濕法冶金,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,碩士,講師,主要從事化學(xué)化工、磷化工的研究,已發(fā)表文章4篇。

聯(lián)系方式:msxu1974@126.com