1 實(shí)驗目的
[1]掌握液膜分離技術(shù)的操作過(guò)程。
[2]了解兩種不同的液膜傳質(zhì)機理。
[3]用液膜分離法脫除廢水中的污染物。
2 實(shí)驗原理
[1]液膜分離技術(shù)集萃取與反萃過(guò)程為一體，適用于分離溶液中的低濃度物質(zhì)。此技術(shù)已在濕法冶金、石油化工、生物制品、三廢處理等領(lǐng)域得到應用。是利用一種膜狀液體將組成不同而又完全互溶的原料液和接受液隔開(kāi)，原料液中的欲分離組分通過(guò)液膜滲透到接受液，從而與原料液分離。
[2]由于欲處理的是醋酸廢水溶液(外相)，所以可選用與之不互溶的油性物質(zhì)作為膜相，并選用NaOH水溶液作為內相。實(shí)驗時(shí)，先將膜相與內相在一定條件下乳化使兩者形成穩定的油包水(W/O)型乳狀液，然后將此乳狀液分散于醋酸廢水(即外相)中。這樣，廢水中的醋酸將以一定的速度穿過(guò)液膜向內相遷移，并與內相NaOH反應生成NaAc而被保留在內相，從而與廢水分離。然后，將乳液與廢水分離，對乳液進(jìn)行破乳，回收內相中高濃度的NaAc，同時(shí)使膜相物質(zhì)再生，以便重復使用。
為了制備穩定的乳狀液膜，需要在膜中加入表面活性劑，表面活性劑的選擇可以根據親水親油平衡值(HLB)來(lái)決定，一般對于W/O型乳狀液，選擇HLB值為3--6的乳化劑。為了提高液膜強度，還可在膜相中加入一些膜增強劑(一般為粘度較高的液體)。
  [3]溶質(zhì)透過(guò)液膜的遷移過(guò)程，可以根據膜相中是否加入流動(dòng)載體而分為兩種遷移機理，即Ι型促進(jìn)遷移機理和Ⅱ型促進(jìn)遷移機理。Ⅰ型促進(jìn)遷移機理，是利用了液膜本身對溶質(zhì)的選擇性溶解和傳遞作用，Ⅱ型促進(jìn)遷移機理，則是在液膜中加入一定的流動(dòng)載體（通常為此溶質(zhì)的萃取劑），選擇性地與溶質(zhì)在界面處形成絡(luò )合物，然后此絡(luò )合物在濃度梯度的作用下向內相擴散，至內相界面處被內相試劑解絡(luò )(反萃)，解離出溶質(zhì)載體，溶質(zhì)進(jìn)入內相而載體則擴散返回外相界面處再與溶質(zhì)絡(luò )合。流動(dòng)載體的加入，通?？娠@著(zhù)提高液膜的選擇性和應用范圍。
[4]液膜分離過(guò)程實(shí)際上是萃取與反萃取同步進(jìn)行的過(guò)程，液膜將原料液中的溶質(zhì)萃入膜相，然后擴散至內相界面處，被內相試劑反萃至內相。影響液膜分離效率的主要因素有：
 (1)液膜內表面活性劑的種類(lèi)和濃度，它直接影響液膜的穩定性；
(2)膜溶劑的性質(zhì)，它是構成液膜的基本材料，直接影響液膜的穩定性、選擇性和溶質(zhì)的滲透速率；
(3)流動(dòng)載體的種類(lèi)，它對提高液膜選擇性和滲透速率具有重要作用；
(4)油內比，即制備乳狀液膜時(shí)膜相與內相的體積比，該比值影響液膜穩定性和滲透速率；
(5)乳水比，即乳狀液膜與外相的體積比，該比值決定了兩相接觸面積的大小，因而直接影響分離效率；
3 實(shí)驗設計
實(shí)驗裝置主要包括：調速攪拌器一套，液膜分離實(shí)驗設備一套；砂芯漏斗過(guò)濾裝置一套（自備），用于液膜的破乳，分液裝置一套（自備）；分析設備一套（自備）。
乳狀液膜分離的工藝流程如圖1所示。
 

 
圖1 實(shí)驗流程示意圖
4 實(shí)驗步驟
本實(shí)驗為乳狀液膜法脫除水溶液中的醋酸，首先需制備液膜。
本實(shí)驗選用的兩種液膜組成如下：
A、液膜組成：煤油95%，乳化劑 5%
B、液膜組成：煤油90%，乳化劑5%，TBP (載體)5%
內相用2mol/L的NaOH水溶液。采用HA c水溶液作為原料液進(jìn)行傳質(zhì)試驗，HAc的初始濃度在實(shí)驗時(shí)測定。具體步驟如下：
[1] 制乳攪拌釜中先加入A型液膜100mL，然后在1600r/min的轉速下滴加內相NaOH水溶液100ml(約1min加完)，在此轉速下攪拌15min待成穩定乳狀液后停止攪拌，待用。
[2] 在液膜分離設備中加入待處理的原料液500mL，在約400r/min的攪拌速度下加入上述乳液100mL進(jìn)行傳質(zhì)實(shí)驗，每隔一定時(shí)間，取樣分析一次，測定外相HAc濃度隨時(shí)間的變化，（取樣時(shí)間為2min、5min、8min、12min、16min、20min、25min），并作出外相HAc濃度與時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)。待外相中所有HAc均進(jìn)入內相后停止攪拌。放出釜中液體，洗凈待用。
[3] 在液膜分離設備中加入300mL料液，在與[2]同樣的攪拌轉速下加入100mL乳狀液，重復步驟[2]。
[4] 比較[2]，[3]的實(shí)驗結果，說(shuō)明在不同處理比（料液/乳液體積比）下傳質(zhì)速率的差別，并分析其原因。
[5] 用B型液膜，重復上述步驟[1]~[4]，記錄實(shí)驗結果。
[6] 分析比較不同液膜組成的傳質(zhì)速率，并分析其原因。
[7] 收集經(jīng)沉降澄清后的上層乳液用砂芯漏斗抽濾破乳，破乳得到的膜相返回至制乳工序，內相NaAc進(jìn)一步精制回收。
5 實(shí)驗操作
實(shí)驗時(shí)間：      室溫：
09:21  稱(chēng)取40gNaOH，配制500mL的2mol/L NaOH溶液。
09:23  稱(chēng)取24g冰醋酸，配制1000mL的0.4mol/L HAc原料液。
09:30  取煤油92mL，乳化劑2g，液體石蠟6mL，配制液膜A 100mL。
09:50  取煤油89mL，乳化劑2g，TBP載體3mL，液體石蠟6mL，配制液膜B 100mL。
10:20  于制乳攪拌釜中先加入A型液膜100mL，然后在1600r/min的轉速下滴加內相NaOH水溶液100mL（約1min加完），攪拌15min后停止，待用。
10:30  用部分原料液潤洗液膜分離設備。
11:00  在液膜分離設備中加入待處理原料液500mL，在約400r/min的轉速下，加入乳液A 100mL，進(jìn)行傳質(zhì)實(shí)驗，每隔一定時(shí)間，取樣分析一次，取樣時(shí)間為2min、5min、12min、16min、20min、25min。
11:15  開(kāi)始對所取樣品依次進(jìn)行分液。
11:17  對第一組樣品依次滴定，記錄相關(guān)數據。
11:22  于制乳攪拌釜中先加入B型液膜100mL，然后在1600r/min的轉速下滴加內相NaOH水溶液100mL（約1min加完），攪拌15min后停止，待用。
12:12  稱(chēng)取24g冰醋酸，配制1000mL的0.4mol/L HAc原料液。
12:20  在液膜分離設備中加入待處理原料液300mL，在約400r/min的轉速下，加入乳液A 100mL，進(jìn)行傳質(zhì)實(shí)驗，每隔一定時(shí)間，取樣分析一次，取樣時(shí)間為2min、5min、8min、12min、16min、20min、25min。
12:35  對第二組樣品依次滴定，記錄相關(guān)數據。
13:25  在液膜分離設備中加入待處理原料液500mL，在約400r/min的轉速下，加入乳液B 100mL，進(jìn)行傳質(zhì)實(shí)驗，每隔一定時(shí)間，取樣分析一次，取樣時(shí)間為2min、5min、8min、12min、16min、20min、25min。
14:30  對第三組樣品依次滴定，記錄相關(guān)數據。
14:52  在液膜分離設備中加入待處理原料液300mL，在約400r/min的轉速下，加入乳液B 100mL，進(jìn)行傳質(zhì)實(shí)驗，每隔一定時(shí)間，取樣分析一次，取樣時(shí)間為2min、5min、8min、12min。
15:36  對第四組樣品依次滴定，記錄相關(guān)數據。
16:15  清理實(shí)驗臺，清洗實(shí)驗設備，結束本次實(shí)驗。
6 實(shí)驗數據記錄與處理
6.1實(shí)驗數據記錄
V_樣=    mL，  c_NaOH=     mol/L
[1]A₁組：
表一    A型液膜：原料液=1:5

 
[2]A₂組：
表二  A型液膜：原料液=1:3

 
[3]B₁組：        
表三   B型液膜：原料液=1:5

 
[4]B₂組：
表四   B型液膜：原料液=1:3

6.2 實(shí)驗數據處理方法
本實(shí)驗采用酸堿滴定法測定外相中的HAc濃度，以酚酞作為指示劑顯示滴定終點(diǎn)。實(shí)驗數據處理:
[1]外相中HAc濃度     

   式中，C_NaOH為標準NaOH溶液的濃度，mol/L；V_NaOH為標準NaOH溶液滴定體積Ml，V_HAc為外相料液取樣量，mL。
[2]醋酸脫除率

式中，C代表外相HAc濃度；下標0，t分別代表初始及瞬時(shí)值。
 
根據上述實(shí)驗數據處理方法，分別計算出各組實(shí)驗各個(gè)時(shí)刻的[1]外相中HAc濃度和[2]醋酸脫除率，然后對實(shí)驗結果數據繪制“Hac濃度—時(shí)間”的平滑曲線(xiàn)圖
7 實(shí)驗結果與討論
[1] 比較A1和A2組實(shí)驗結果及B1和B2組的實(shí)驗結果：在不同處理比（料液/乳液體積比）下傳質(zhì)速率有明顯差異，即料液與乳液體積比的比值越小，分離效果越好，醋酸脫除率越高。因為該比值決定了兩相接觸面積的大小，比值越小，接觸面積越大，因而直接影響分離效率；
[2] 比較A1和B1組實(shí)驗結果及A2和B2組的實(shí)驗結果：在不同液膜的的參與下傳質(zhì)速率有明顯的差異，即液膜本身中加入載體具有更高的分離效率，醋酸脫除率更高，同時(shí)也影響液膜的穩定性；
[3] 觀(guān)察A1、A2、B2實(shí)驗結果：在一定的時(shí)間范圍內，外相HAc的濃度逐漸降低，分離效率增加，醋酸脫除率增加；
[4] 觀(guān)察B1的實(shí)驗數據與其他3組不同且出現錯誤。外相HAc的濃度理應隨著(zhù)時(shí)間的增加逐漸降低，可是此次數據卻一直波動(dòng)。經(jīng)分析，可能是由于第3組的各組分制乳后靜置分層的時(shí)間過(guò)于冗長(cháng)，導致滴定時(shí)HAc的濃度出現偏差。