萃取流程对DNNSA反胶团萃取镁效率的影响综合实验

蒋德敏，陈书鸿，李廷真，方荣美，张立志，郑 文

(重庆三峡学院 环境与化学工程学院， 重庆 404100)

萃取流程对DNNSA反胶团萃取镁效率的影响综合实验

蒋德敏，陈书鸿，李廷真，方荣美，张立志，郑 文

(重庆三峡学院 环境与化学工程学院， 重庆 404100)

基于环保背景和柔和“资源再生，循环经济”的理念，设计了化工工艺综合实验——萃取流程对二壬基萘磺酸(DNNSA)反胶团萃取镁效率的影响。以DNNSA为萃取剂、磺化煤油为稀释剂组成的反胶团有机相，以冶金废水为含镁原料，首先测定冶金废水中镁离子含量，通过DNNSA对废水中镁萃取后测定萃余液镁离子含量，由萃取前后镁离子浓度计算得到萃取率。考察了单级萃取、多级错流萃取、多级逆流萃取、连续接触逆流萃取等工艺流程对萃取镁效率的影响。该实验具有较好的设计性，拓展了学生的工程应用视野，培养了学生探索问题、发现问题、研究问题和解决问题的能力。可作为应用技术型本科院校化工专业的综合性实验。

化工工艺；综合实验；二壬基萘磺酸；萃取；工艺流程

化工工艺实验是一门独立的综合性实验课程，是掌握专业工程技术的重要环节。该实验从工程与工艺角度出发，选择典型的工艺与工程要素，组成系列的工艺与工程实验[1-3]。工艺实验教学能够让学生在动手过程中找到理论知识点的应用，以期巩固学生专业基础知识，掌握其基本实验方法和研究方法。萃取实验能够设计成化工工艺综合实验，模拟化工工程生产流程，在培养学生工程理念和操作实践方面具有重要作用。实验室萃取主要有索氏提取、溶剂萃取、超声萃取、微波萃取和超临界流体萃取等[4]，超声萃取、微波萃取和超临界流体萃取开设实验成本高、操作复杂、技术难度大，在本科教学中难以推广。溶剂损失量大、容易引入污染、溶剂闪点低、有毒等多项缺点，所以溶剂萃取不满足当前绿色化学工艺要求。反胶团溶剂具有各向同性、光学透明和热力学稳定等特性[5-6]。近年来有关二壬基萘磺酸反胶团萃取金属离子的研究报道较多，比如应用二壬基萘磺酸反胶团溶剂分离纯化湿法磷酸[7-9]，萃取分离铁、镁等金属离子[10-11]，二壬基萘磺酸反胶团溶剂处理电镀废水中重金属有毒离子[12-14]和冶金废水净化[15-16]等。反胶团溶剂萃取剂具有再生能力强，多次萃取后再生萃取剂的萃取效率基本保持不变。反胶团萃取简单、成本低、理化性质稳定，适合在本科教学实验中推广。为了培养学生设计综合能力，增强学生工程技术水平，特为化工专业设计工艺综合实验，让学生了解不同萃取工艺流程对萃取效果的影响，了解资源再生化及绿色化工的研究应用意义与价值。本文设计工艺萃取综合实验，分析不同萃取工艺流程对萃取冶金废水中镁的影响，扩展了资源再生与循环经济的理念，以拓展了学生的工程应用视野，借以培养学生探索问题、发现问题、研究问题和解决问题的能力。

1 实验安排

我校综合性化工工艺萃取实验课9学时，主要教学内容：教师指导学生对实验方案进行设计、实验过程及样品测定。每次课实验20人，分为2组，每组10人。第一组完成单级萃取和多级逆流萃取，第二组完成多级错流萃取和连续接触逆流萃取。实验完成后，两组交换实验。实验完成后组内学生共享实验原始数据，独立对数据进行分析和处理。萃取实验采用HSY-C型恒温水浴摇床和自主设计的逆流筛板萃取塔完成实验，废水中镁离子含量采用分光光度法测定。通过本实验实践操作学习，学生可以掌握萃取工艺流程，了解不同流程对萃取效率影响，了解反胶团萃取基本原理与方法。

2 实验原理

溶剂萃取通常指体系中两相为不互溶的液体，从所含目标物质的溶液中分离有用成分的提纯方法，利用溶质在不同溶剂中溶解度的差异，将溶质从原溶剂中转移到萃取剂中，从而达到对其分离纯化的效果。冶金废水中的镁以离子存在废水溶液中，二壬基萘磺酸以反胶团形式聚集在磺化煤油溶剂中，二壬基萘磺酸反胶团在预处理后能够电离出游离的氢离子，通过阳离子交换，即镁离子取代二壬基萘磺酸电离出氢离子，实现镁离子与二壬基萘磺酸形成络合物而进入反胶团中，从而实现镁离子从水相中进入有机相，达到萃取分离的目的。

3 原料和试剂

二壬基萘磺酸，磺化煤油，硫酸，无水乙醇，氨水，三乙醇胺，氯化铵，铬变酸2R，实验室用水为去离子超纯水。二壬基萘磺酸和磺化煤油是工业级，其余试剂均是分析纯。冶金废水取自四川省某冶金公司，pH值为8.62，废水成分分析结果见表1。

表1 冶金废水的主要成分

4 主要仪器

721型-紫外分光光度计(上海奥谱勒仪器有限公司)，PHS-3C型酸度计(上海康仪仪器有限公司)，HSY-C型恒温水浴摇床(金坛市鸿科仪器厂)，CD-UPF-1型超纯水机(成都超纯科技有限公司)，AL204型电子天平(精度为0.0001 g，梅特勒托利多仪器(上海)有限公司)，BT-10013型数显恒流泵(上海青浦沪西仪器厂)，HH-2型数显恒温水浴锅(金坛市杰瑞尔电器有限公司)。

5 实验步骤

5.1 反胶团的预处理

将配制好的反胶团溶液与超纯水混合，充分搅拌后静止分层。水与反胶团二壬基萘磺酸混合时，因磺酸基的亲水性而进入反胶团中，少量水分子在聚集体的内核形成一个微型“水池”，增容后的反胶团是W/O型反胶团。使反胶团容涨，增加胶团内腔容量，使反胶团更加稳定，防止萃取后有机相与水相的体积改变。增容实验是在振荡或者搅拌下进行，增大有机相与水相的接触面。增容过程分为4个步骤：第一步，在机械力的作用下，无水胶团向相界面扩散；第二步，无水胶团在相界面处遇水，在磺酸基亲水的作用下，开始解聚分裂成单个萃取剂分子，单层吸附在相界面上；第三步，在机械力的作用下，萃取剂开始脱附，因磺酸基亲水强，携带一部分水离开相界面，并聚集在一起，形成增容后反胶团；第四步，增容反胶团向有机相主体扩散，完成增容过程。

5.2 实验方法

将预处理好的反胶团溶液和磺化煤油混合均匀组成有机相，配制成一定浓度的萃取剂，水相为公司提供的冶金废水。取一定比例的有机相和水相，并倒入锥形瓶中，将锥形瓶固定在摇床中，设定摇床转速和摇床内水浴温度。在摇床中振荡一段时间，振荡完毕后倒入分液漏斗中静止分层，取下层水相测定其镁的浓度。同时记萃取余液所取体积为a，稀释倍数b，记吸光度为A。

词汇选择(Lexical choice)是批评话语分析中用到的基本分析工具。梵迪克认为，词汇选择可以反映人们话语中隐藏的观点及意识形态。(Van Dijk 1988: 177) 因此，词汇选择的研究对批评话语分析具有很大的价值意义。

5.3 数据处理

稀释后的被测溶液中镁离子浓度c与吸光度A的线性关系式为

A=-0.00248+0.01445c

(1)

萃余液中镁离子浓度c1为

(2)

萃取率E计算公式：

(3)

式中，V1为萃余液水相体积，c2为萃前水相中镁离子浓度，V2为萃取前水相体积。

6 结果与讨论

6.1 单级萃取

单级萃取是指萃取体系中有机相与水相两相在设定的参数条件下经过混合接触，在机械力的作用下使被萃取物质在两相中分配达到平衡的萃取过程，单级萃取是最简单的操作过程，其流程示意图见图1。实验条件：以二壬基萘磺酸含量为1 mol/L的磺化煤油作为萃取有机相，在常温条件下，摇床振荡强度为200 r/min，两相的体积比为4∶1，将水相的pH调节至中性或者弱酸性，萃取振荡时间为40 min。研究结果表明，对冶金废水中镁离子的单级萃取率最高可达77.17%，单级萃取过程所需设备简易，工艺技术操作比较简单，广泛用于分配比、分离系数较大以及单次萃取效率高的萃取回收体系的有效物质的分离提纯。单级萃取属于间歇式生产过程，间歇式生产在生产过程中处理量少，溶剂损耗大。对高浓度镁溶液萃取镁的研究表明，单级萃取还达不到对镁离子的萃取回收的实验要求。为了将冶金废水中镁尽可能萃取回收，在工业放大生产工艺中将采用多级萃取，以增大对镁的回收率。

图1 单级萃取流程示意图

6.2 多级错流萃取

图2 多级错流萃取示意图

萃取工艺条件：萃取单元混合接触时间为40 min，萃取温度为常温，振荡转速为200 r/min，萃取剂含量为1 mol/L，两相体积比为4，将含镁水溶液的pH值调节在2～6之间。研究多级错流萃取后萃余相中镁离子浓度取随过程的变化情况，得到其理论萃取级数如图3所示。从图3可得，在萃取级数为4级时，水相中镁离子含量已经降到很低，满足回收要求，在多级错流萃取过程中，最佳理论萃取级数为4级。

图3 多级错流萃取理论级数

6.3 多级逆流萃取

多级逆流萃取过程一般由多个萃取装置串联组成，水、油两相在萃取过程中以相反的流动方向依次经过各个萃取操作单元，并在各个萃取单元中接触进行质量传递完成萃取，各级萃取单元中油水两相体积相等，萃取完成后静止分层，分层后水、油两相以反向依次经过每个萃取装置。原料液从第1级加入，依次经过第2，3，3，…，n-1，n级，最后流过n级的为萃取余相；萃取剂从n级加入，依次经过第n-1，n-2，…，2，1级，最后流过1级的为萃取相；多级逆流萃取大多用于分离系数较大且静止分层时间较短体系的萃取，工艺效率高，萃取分离效果很好。由于每级萃取都是未加入新鲜的有机相，则有机相实现了多次利用，最大限度地提高了萃取剂的有效利用率，萃取剂用量较小，同时降低了反萃取的工作量。逆流多级萃取流程示意图见图4。

图4 逆流多级萃取示意图

萃取工艺条件：萃取单元混合接触时间为40 min，萃取温度为常温，振荡转速为200 r/min，萃取剂含量为1 mol/L，两相体积比为4，将含镁水溶液的pH值调节在2～6之间。研究多级错流萃取后萃余相中镁离子浓度随萃取过程的变化情况，得到其理论萃取级数如图5所示，萃取余相中实际镁含量变化情况见图6。从图5可知，理论萃取级数为2级。从图6可知，在实际萃取过程中，流体流过第3个萃取单元后，余相中镁离子浓度基本保持不变，实际萃取级数为3级。实际萃取级数比理论萃取级数大1，可能是萃取过程中，两相流体萃取混合停留时间较短，未达到萃取平衡。实际萃取经过3个萃取单元操作后总的萃取率为94.71%。

图5 逆流多级萃取理论级数

图6 萃取余相中镁的含量随萃取过程的变化

6.4 连续接触逆流萃取

在连续接触逆流萃取工艺操作中，单程逆流塔中多个萃取级数，油水两相分别从萃取装置的上下两端加入。连续接触逆流萃取大多是利用油水两相的密度差异，以逆向流动，在萃取塔内搅拌辅助作用下完成操作。萃取剂有机相从塔底加入，冶金水相从塔顶加入，由于有机相密度比水相小，在重力作用下，水相向下流动，有机相向上流动，在搅拌的作用下实现连续萃取，连续接触逆流萃取示意如图7所示。

图7 连续接触逆流萃取示意图

萃取工艺条件：萃取时有机相和水相在萃取塔内停留时间均为40 min，塔内萃取搅拌转速为200r/min，萃取剂含量为1 mol/L，油水两相的体积流量比为4，萃取操作时将水溶液pH值调节在2～6之间，萃取实验在室温下进行。多级逆流萃取为连续操作，连续进料，单位时间内处理的料量大。萃取之前水相中镁离子含量为21.62 g/L，萃取后水相中镁离子含量为5.91 g/L，整塔萃取率为73.67%。逆流萃取效率较低的原因是萃取塔内搅拌强度不够，导致油水两相混合不充分，即接触面积小，使萃取率较低；萃取塔分布器效率较低，不能均匀分布有机相；萃取塔直径太小，油水两相在塔内流动时，局部呈活塞流，未能完全达到连续混合接触的逆流状态。

7 结论

(1) 本实验通过介绍4种萃取工艺流程对萃取镁效率的影响，旨在向学生介绍萃取的基本原理和工艺流程，以拓展学生的工程应用视野，借以培养学生探索问题、发现问题、研究问题和解决问题的综合能力。不仅可以提高本科学生的学习兴趣，还可以增强学生的工艺意识。

(2) 让学生了解到不同萃取工艺流程时萃取效率有差异，单级萃取率最高可达77.17%，多级萃取中以多级逆流萃取效果最好，其萃取率为94.71%。多级逆流萃取能够在单级萃取的基础上对镁离子的萃取率提高了17.54%，更好地回收利用了冶金废水中的镁资源。

(3) 多级错流萃取萃取剂有机溶剂的用量很大，不利于反萃取回收镁；逆流多级萃取所需萃取剂用量相对较少，萃取率高有利于提高镁的回收，在工业应用中可以采用多级逆流萃取。连续接触逆流萃取在以后的实验中需要进一步研究，因连续接触逆流萃取具有连续进料的优势，在生产中具有潜在的实用价值。引导学生分析工艺流程对萃取效率的影响原因以及实验室研究与工业生产差异，同时培养了学生的工程思维观念。

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Comprehensive experiment of effect of extraction process on extraction efficiency of magnesium by DNNSA reversed micelles

Jiang Demin, Chen Shuhong, Li Tingzhen, Fang Rongmei, Zhang Lizhi, Zheng Wen

(School of Environment and Chemical Engineering, Chongqing Three Gorges University，Chongqing 404100, China)

Based on the environmental protection and the concept of “Renewable resources and recycling economy”, a comprehensive experiment of chemical technology is designed for the effect of extraction process on the efficiency ratio of reversed micelles extraction of Mg by DNNSA (dinonylnaphthalene sulfonic acid) . By using the reversed micellar organic phase composed of the DNNSA as extractant, the sulfonated kerosene as diluents and the metallurgical waste water as raw material containing Mg, the content of the Mg ion in metallurgical waste water is first determined, the Mg content in the raffinate is also measured after extraction by the DNNSA, and the extraction rate is calculated by the concentration of Mg ion before and after the extraction. The effects of single-stage extraction, multi-stage cross-flow extraction, multi-stage countercurrent extraction and continuous contact countercurrent extraction on extraction efficiency of Mg are investigated. This experiment has the good nature of designing, and can help expand the students’ engineering application vision and cultivate their ability to explore problems, find problems, study and solve problems. It can also be used as a comprehensive experiment for chemical engineering specialties.

chemical engineering technology; comprehensive experiment; dinonylnaphthalene sulfonic acid (DNNSA); extraction; technological process

10.16791/j.cnki.sjg.2017.06.017

2016-11-08

重庆市高等教育教学改革研究项目(133014)；重庆三峡学院教改项目(JG150707，SD150114)

蒋德敏(1987—)，男，湖北利川，硕士，助教，研究方向为化工新技术新工艺开发.

E-mail：jdmhuagong@163.com

G642.423；TQ028

A

1002-4956(2017)06-0069-05