离心萃取法处理高浓度DMF废水

(郑州天一萃取科技有限公司 ， 河南 郑州 450000)

0 前言

N,N-二甲基甲酰胺(N,N-Dimethylformamide,简称DMF)是一种无色、透明的液体，极性较强，可与水、醚、酮、酯、不饱和烃和芳香烃等混溶，有“万能溶剂”之称，被广泛应用于石油化工、有机合成、无机化工、农药、制药等领域[1-2]。DMF可以通过呼吸、皮肤接触损坏人体健康，刺激损害眼睛，人体长期接触或吸入会阻碍血机能并造成肝脏阻碍。在水中会导致生物化学耗氧量和氮含量增加，使水质迅速恶化，而且极难生物降解[3]。

当前DMF废水的处理方法主要有精馏法、萃取法、生化法、超临界水氧化法、物化法、化学法等[4-8]。工业上对于高浓度DMF废水常采用多段精馏的方法进行处理。然而，有些工业生产过程产生的废水中往往含有盐，采用精馏法处理时容易造成设备损害严重，处理功耗高，且DMF的收率较低。萃取法针对不同浓度的DMF含盐废水，选用合适的萃取溶剂及设备，可以大幅度提高DMF的回收率，同时降低后续处理工段的压力。

本文以高浓度DMF废水为研究对象，对河南某公司原有处理工艺进行改进，采用离心萃取的方法进行处理，不仅使工艺处理连续化，同时减少了溶剂的投入量，提高了DMF的回收率，降低了后续蒸馏回收溶剂及废水深度处理(生化段)的压力。

1 离心萃取工艺概述

1.1 原有工艺

采用三氯甲烷作萃取溶剂，在反应釜内进行搅拌，静置分层。具体如下：三氯甲烷分三次加入，每次与废水量等体积加入，混合搅拌30 min，静置30 min，然后分层，将三氯甲烷相分出；继续加入等体积的新三氯甲烷混合。混合三次后，将分出的三氯甲烷相混合在一起，通入精馏工段、回收溶剂及DMF。处理后的低浓度的DMF废水进入生化处理段进行深度处理，处理后的水进行回用。

该工艺中存在问题如下：萃取操作属于间歇式，每处理一批废水耗时较长；三氯甲烷加入量较大，增加精馏工段的压力；萃取后分相过程中易出现乳化层，造成有机溶剂的损失；萃取后的废水进入生化段DMF含量(质量分数)有波动(要求DMF含量<1%)，增加生化处理的压力。

1.2 离心萃取工艺

本试验中采用CWL-M型离心萃取机替代原有的反应釜，进行DMF废水的处理。该设备是一种新型、快速、高效的液液萃取分离设备，与传统萃取设备如搅拌釜、混合澄清槽、萃取塔等在工作原理上有本质的区别。将废水与萃取溶剂分别通入设备内，按照一定的相比和流量，进行多级逆流萃取，分别获得含DMF的萃取相和低浓度的DMF废水。低浓度的DMF废水(含量<1%)进入生化段进行深度处理，而含DMF的萃取相则进入精馏段，进行溶剂与DMF的分离。

2 材料与方法

2.1 试验设备

试验用萃取设备为CWL50-M型离心萃取机，材质为高分子杂化复合材料，进料设备为BT-300FJ型蠕动泵。

2.2 试验用水

试验用高浓度DMF废水取自河南某生物科技有限公司，废水为随机取样，废水pH值约为9，DMF含量24%～27%，盐分含量(质量分数)为10%～13%，深棕色略浑，废水产生量50 m3/d。该废水不需要进行预处理，可直接进入离心萃取机内。

2.3 试验方法

实验主要针对原有工艺中存在的问题，分别考察萃取相比、进料流量、萃取级数等条件对废水中DMF的处理效果的影响。固定离心萃取机电机转速，按照一定的相比(O/A，体积比)和流量进入离心萃取机内，稳定平衡后观察两相的分离情况，检测两相出料流量及萃余液中DMF含量。

2.4 检测方法

原料液及萃余液中DMF含量m采用分光光度法测定，根据萃取前后水相中DMF含量，计算萃取效率。计算公式如下：

3 结果与讨论

3.1 相比对DMF萃取效果的影响

在废水中DMF含量26%，盐分含量12%，pH值约为9的条件下，固定离心萃取机的电机转速为2 750 r/min，两相进料总流量为300 mL/min，三级逆流萃取的操作条件下，改变两相的相比(O/A，体积比)，试验结果见表1。

表1 相比对DMF萃取效果的影响

由表1可以看出，相比的改变对废水中DMF萃取效果有很大的影响。随着相比的降低，即三氯甲烷使用量的减少，DMF的萃取效率逐渐降低，在三级逆流的情况下，相比控制在O/A=1∶1时即可满足后续生化段的处理要求。

同时可以看出，采用离心萃取机处理该废水时，两相分离效果均良好，未出现乳化或者三相物等现象，进一步降低了三氯甲烷的损失量。后续试验中将萃取相比定为O/A=1∶1，考察其他条件对DMF萃取效果的影响。

3.2 级数对DMF萃取效果的影响

在废水中DMF含量26%，盐分含量12%，pH值约为9的条件下，固定离心萃取机电机转速为2 750 r/min，两相进料总流量为300 mL/min，相比O/A=1∶1的操作条件下，改变萃取级数，试验结果见表2。

表2 级数对DMF萃取效果的影响

由表2可以看出，萃取级数增加，DMF的萃取效率逐渐增加，萃取级数增加至6级时，废水中的DMF含量可降低至0.1%以下，可进一步降低后续生化段的处理压力。考虑后续生产投入成本，萃取级数暂定为3级，若后续生化段处理要求改变时，可适当调整萃取级数。

3.3 进料总流量对DMF萃取效果的影响

在废水中DMF含量26%，盐分含量12%，pH值约为9的条件下，固定离心萃取机的电机转速为2 750 r/min，相比O/A=1∶1，三级逆流萃取的操作条件下，改变两相进料流量，试验结果见表3。

表3 进料总流量对DMF萃取效果的影响

由表3可以看出，进料总流量从400 mL/min增加至600 mL/min时，DMF的萃取效率有所降低，但均可满足后续进后续生化段的要求。总流量增加至700 mL/min时，两相分离效果均良好，继续增加至800 mL/min时，两相分离效果较差。因此，试验进料总流量控制在600 mL/min内均可满足要求。

4 两种工艺比较

与原有工艺比较，改进工艺具有以下几方面的优点：①原有工艺中，设备体积庞大，并且数量较多，占用厂房空间大；改进工艺中选用CWL-M型离心萃取机，占地面积只要5 m2左右即可。②CWL-M型离心萃取机内物料充分接触，使得三氯甲烷的用量比原有工艺减少65%左右。③改进工艺处理后的废水中DMF含量比较稳定，均低于1%，降低了生化段的处理压力。④CWL-M型离心萃取设备内积存料液较少，密封操作，大大降低了安全隐患。⑤改进工艺中设备操作简单，自动化程度高，大大降低了人工成本。

5 结论

选用CWL50-M型离心萃取机进行DMF废水处理时，分相效果良好，均无明显夹带。最佳操作工艺条件为：相比O/A=1∶1，三级逆流萃取，进料总流量为600 mL/min以内，均可满足进生化处理的要求。选用离心萃取法处理高浓度DMF废水，解决了原有工艺存在的溶剂投入量及损失量大、处理效率低、能耗高、出水质量不稳定等问题，大大减少了DMF废水处理成本，具有较好的市场前景。