乳狀液膜萃取檸檬黃及其油相回收的工藝研究

蒲亞?wèn)|，地力亞爾·哈米提，阮 達(dá)，裴承遠(yuǎn)，陳 曉

（西南民族大學(xué)化學(xué)與環(huán)境保護(hù)工程學(xué)院，四川 成都 610041）

液膜分離是利用液膜的選擇滲透性，將一種物質(zhì)從混合液中分離提純的過(guò)程[1].按構(gòu)型和操作方式的不同，液膜主要分為大塊液膜、支撐液膜和乳狀液膜[2].1968年，黎念之[3]發(fā)明了乳狀液膜，其液膜萃取分離具有單位體積傳質(zhì)面積大，萃取效率高，溶劑用量少，選擇性強(qiáng)等特點(diǎn)[4-5]，且能實(shí)現(xiàn)濃縮、凈化和分離的目的，因此被廣泛應(yīng)用于化工、制藥、環(huán)保、食品、生物制品和濕法冶金等行業(yè)中[6-9]，并促進(jìn)了分離技術(shù)的新革命.液膜萃取技術(shù)在金屬萃取[10]、有機(jī)物萃取[11]、生化產(chǎn)物及藥物的萃取[12]以及膜萃取生物降解反應(yīng)器和酶膜反應(yīng)器[13]等方面都取得很大的進(jìn)展.

乳狀液膜是將含有表面活性劑的兩種互不相溶的液相制成乳狀液，然后將其分散到第三種液相（連續(xù)相）中形成的兩相體系，包括膜相（液膜）、回收相（內(nèi)水相）和連續(xù)相（外水相）三個(gè)部分[14].乳狀液膜萃取過(guò)程中乳狀液的穩(wěn)定性、乳水比、外水相pH值、油相回收等問(wèn)題是影響萃取工藝的關(guān)鍵因素.本研究利用自制的煤油包水乳狀液進(jìn)行了液膜萃取過(guò)程，研究了乳水比、外水相pH值對(duì)乳狀液膜萃取檸檬黃過(guò)程中檸檬黃去除率的影響，并利用新型加電三維螺旋板式微通道（3D-ESPM）對(duì)油相進(jìn)行了回收.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)藥品及儀器

實(shí)驗(yàn)藥品:分析純的Span80、NaOH和 H2SO4由成都科龍化工試劑廠提供；檸檬黃由上海染料研究所提供；煤油中國(guó)石油化工集團(tuán)提供.

實(shí)驗(yàn)儀器:江蘇金壇金城國(guó)勝實(shí)驗(yàn)儀器廠提供的FJ-200型高速分散均質(zhì)機(jī)、北京普析公司提供的TU-1950型紫外分光光度計(jì)、鞏義予華儀器有限責(zé)任公司提供的S212型恒速攪拌器、深圳中正儀器有限公司提供的MWY-40010型直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源以及上海同田生物技術(shù)股份有限公司提供的Flash100型中壓柱塞泵.

1.2 基本原理

外相水溶液中的檸檬黃在液膜油相兩側(cè)的濃度差為傳質(zhì)動(dòng)力作用下，向液膜內(nèi)水相一側(cè)擴(kuò)散，并與NaOH反應(yīng)從而降低內(nèi)相中的檸檬黃濃度.通過(guò)多次循環(huán)萃取，最終實(shí)現(xiàn)檸檬黃在外水相的去除與內(nèi)水相的濃縮.其分離過(guò)程如圖1所示.

1.3 實(shí)驗(yàn)流程

本實(shí)驗(yàn)的主要流程如圖2所示.分別包含了制乳、傳質(zhì)、靜置分層、破乳四個(gè)步驟.

圖1 乳狀液膜萃取檸檬黃示意圖Fig.1 Schematic diagram of emulsion membrane extraction of tartrazine

圖2 乳狀液膜萃取檸檬黃實(shí)驗(yàn)流程Fig.2 Process of liquid membrane extraction of tartrazine

1.3.1 乳狀液的制備

利用姚志坤等[15]的研究結(jié)果制備W/O乳狀液:預(yù)先配置0.25 mol·L-1的 NaOH溶液和1 g·L-1的Span80乳化劑；取Span80乳化劑3 mL，煤油47 mL，NaOH溶液40 mL，依次加入到錐形瓶中，搖勻；將混合液于14000 rpm轉(zhuǎn)速下高速攪拌2分鐘.

1.3.2 液膜萃取

取待處理的100 mg·L-1檸檬黃水溶液90 mL，在400 rpm攪拌轉(zhuǎn)速下加入定量上述乳狀液和少量硫酸，萃取5 min至其傳質(zhì)均勻，然后靜置30 min分層，取下層溶液的水樣2 mL稀釋于100 mL容量瓶后，利用分光光度法測(cè)得外水相中剩余檸檬黃含量.

1.3.3 油相回收

利用加電三維螺旋板式微通道對(duì)液膜萃取后的W/O乳狀液進(jìn)行破乳分離[16]，實(shí)現(xiàn)油相回收:首先將萃取后的乳狀液層利用中壓柱塞泵送入加電三維螺旋微通道，利用電場(chǎng)與微通道的雙重耦合作用對(duì)乳狀液液滴作用，使其聚并分離，實(shí)現(xiàn)破乳過(guò)程，最后在微通道出口處收集分離后的油相和水相，以達(dá)到油相的回收利用以及內(nèi)水相的富集回收的目的.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 檸檬黃溶液標(biāo)準(zhǔn)曲線

首先配置100 mg·L-1的檸檬黃水溶液，取5 mL、10 mL、15 mL、20 mL配置好的檸檬黃水溶液分別加入100 mL容量瓶中稀釋至刻度線，搖勻；利用分光光度計(jì)在波長(zhǎng)427 nm處比色.用蒸餾水作為空白進(jìn)行比色，測(cè)得檸檬黃溶液的標(biāo)準(zhǔn)曲線（R2＞0.995），如圖3所示.

圖3 檸檬黃溶液標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.3 The standard curve of tartrazine solution

2.2 乳水比對(duì)檸檬黃去除率的影響

乳水比（Rew）是指液膜分離中所加入的乳狀液的體積與料液的體積之比.其值決定了液膜分離過(guò)程中被處理的料液與乳狀液的接觸面積大小，從而影響料液的去除率.在定量的乳狀液條件下，所處理的廢水量越多，工業(yè)生產(chǎn)中所用的成本越低，因此研究乳水比在工業(yè)生產(chǎn)中具有重要的實(shí)際意義.

通過(guò)控制變量法，在攪拌轉(zhuǎn)速為400 rpm，攪拌時(shí)間為5 min、檸檬黃水溶液pH＝2條件下，分別改變液膜分離過(guò)程中的乳水比為1:3、1:2、1:1，考察其對(duì)于檸檬黃去除率的影響，結(jié)果如圖4所示.

圖4 乳水比對(duì)檸檬黃去除率的影響Fig.4 Influence of Rewon the removal rate of tartrazine

圖4 表明，隨著乳水比的增大，檸檬黃的去除率升高.當(dāng)乳水比從1:3增加到1:2時(shí)，檸檬黃的去除率從53%大幅增加到77%，這是由于隨著乳水比增大，傳質(zhì)面積增大.但當(dāng)乳水比繼續(xù)增加到1:1時(shí)，檸檬黃的去除率增大效果不明顯，且乳液用量增多會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)成本升高.因此我們?cè)谶x擇檸檬黃較高分離效率的前提下，乳水比越小越好.同時(shí)，當(dāng)乳水比過(guò)大時(shí)，容易產(chǎn)生乳狀液的夾帶溶脹，使其溶脹率升高，而不利于檸檬黃的濃縮.綜合考慮檸檬黃的去除率和經(jīng)濟(jì)性，本實(shí)驗(yàn)選擇乳水比為1:2為最佳條件.

2.3 pH對(duì)檸檬黃去除率的影響

液膜法去除廢水中的檸檬黃工藝中，外相廢水中的H＋濃度影響了檸檬黃與氫氧化鈉的反應(yīng)，因此廢水相中H＋濃度是液膜萃取分離效率中的重要因素.通過(guò)控制變量法，在攪拌轉(zhuǎn)速為400 rpm、攪拌時(shí)間為5 min、乳水比為1:2條件下，改變液膜分離過(guò)程中的檸檬黃水溶液中的pH值，分別為1、2、3、4，分別考察其對(duì)于檸檬黃去除率的影響，結(jié)果如圖5所示.

圖5 pH對(duì)檸檬黃去除率的影響Fig.5 Influence of pH on the removal rate of tartrazine

圖5 表明，隨著外水相中酸度增強(qiáng)，pH由4降至1時(shí)，檸檬黃的去除率升高，但由于酸度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致乳狀液中表面活性劑Span80水解從而導(dǎo)致液膜破裂，故當(dāng)pH＝1時(shí)檸檬黃的去除率急劇下降.因此在增加檸檬黃的遷移速率和減少膜的破裂之間存在一個(gè)最佳的pH值范圍.在控制其他條件不變下，當(dāng)pH＝2時(shí)，檸檬黃的去除率達(dá)到77%，故將該pH值作為本實(shí)驗(yàn)的最佳外水相pH值條件.

2.4 油相回收中乳液流速對(duì)破乳率的影響

利用加電三維螺旋微通道破乳回收油相，在破乳過(guò)程中，流速?zèng)Q定了乳液的停留時(shí)間，對(duì)破乳效率有較大的影響.控制微通道兩端的電場(chǎng)強(qiáng)度為250 V·cm-1，微通道高度為200 μm，微通道片數(shù)為18片，利用中壓柱塞泵控制流速為2～10 mL·cm-1，并測(cè)定其破乳效率，結(jié)果如圖6所示.

圖6 流速對(duì)破乳效果的影響Fig.6 Influence of flow velocity on the demulsification efficiency

從圖6可以看出:隨著乳液流速的增加，加電三 維螺旋微通道對(duì)其破乳率逐漸降低，乳液流速?gòu)? mL·min-1增加至10 mL·min-1時(shí)破乳率由82%降低到65%.所以取最優(yōu)的流速為2 mL·min-1、電場(chǎng)強(qiáng)度為250 V·cm-1、微通道高度為200 μm、微通道片數(shù)為18片時(shí)，油相的回收率可達(dá)到82%.

3 結(jié)論

本文研究表明在液膜萃取檸檬黃過(guò)程中，乳水比和外水相pH值是影響檸檬黃去除效率的主要因素.在攪拌轉(zhuǎn)速為400 rpm、攪拌時(shí)間為5 min情況下，乳水比為1∶2、pH＝2、檸檬黃的初始濃度為100 mg·L-1條件下，乳狀液膜對(duì)檸檬黃的去除率可達(dá)77%.利用加電三維螺旋狀微通道進(jìn)行乳狀液破乳及油相回收，當(dāng)通道電場(chǎng)強(qiáng)度為250 V·cm-1，通道高度為200 μm，通道片數(shù)為18片，乳狀液流速為2 mL·min-1時(shí)，在1-3 s的作用時(shí)間內(nèi)，油相回收率高達(dá)82%.該結(jié)果說(shuō)明利用加電三維螺旋狀微通道可實(shí)現(xiàn)液膜萃取工藝中油相的高效回收.