CO2/N2开关亲水溶剂对废机油的分离性能研究

废机油是一类含有污泥、重金属以及其他有害物质的含油废弃物[1-3]。因此，对废机油的处理有利于对环境的保护[4]。目前，废机油的处理方法主要有硫酸白土再生工艺、薄膜蒸发加短程蒸馏法等[5-8]。这些方法需要消耗大量的热量，同时会造成溶剂挥发带来的二次污染[9]。CO2/N2开关亲水溶剂(SHS)作为一种由CO2调控亲疏水性可逆变化的智能溶剂，其被有效运用于沥青、豆油等的提取和分离[10-12]，过程中只需要通过CO2/N2的调控，即可实现提取物的分离，同时溶剂也能得到回收利用[13-15]。基于此，本文利用CO2/N2开关亲水溶剂(SHS)处理废机油，为废机油的处理提供一种新的方法。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

CO2/N2开关亲水溶剂(SHS)：三乙胺(TEA)、N，N-二甲基环己胺(DMCHA)、N，N-二甲基丁胺(DMBA)均为分析纯；实验用水为去离子水；CO2(>99.99%)，N2(>99.99%)；废机油。

FA1004分析天平；DDS-307A电导率仪；TD6M台式离心机；DF-101S恒温磁力搅拌器。

1.2 CO2/N2开关亲水性溶剂对废机油的处理

CO2/N2开关亲水溶剂(SHS)对废机油处理的工艺流程见图1。

图1 CO2/N2开关亲水溶剂处理废机油工艺流程图Fig.1 The process of treating waste oil with switchable solvents

将开关亲水溶剂和废机油按一定的比例(V∶m=1∶1，2∶1，3∶1)充分混合后，以一定剂水体积比(1∶1，1∶2，1∶3)加入纯水，溶液呈两相，以1 L/min 的气速通入CO2至溶液呈均一相，以5 000 r/min离心，回收废机油；分离得到的水溶液，在水浴加热60 ℃条件下，以1 L/min 的气速通入N2，开关亲水溶剂得到回收，可再循环使用。

2 结果与讨论

2.1 开关亲水溶剂的开关性测试

通过电导率的变化来测试开关亲水性溶剂的开关性，在相同条件下通入CO2、N2，开关亲水性溶剂(三乙胺、N，N-二甲基环己胺、N，N-二甲基丁胺)的电导率变化见图2。

图2 N，N-二甲基环己胺(a)、三乙胺(b)和N，N-二甲基丁胺(c)在通入CO2、N2的电导率变化

由图2可知，在通入CO2条件下，三乙胺、N，N-二甲基环己胺、N，N-二甲基丁胺的电导率迅速增加至不变，通入N2后，电导率逐渐下降至稳定不变。电导率的可逆变化表明研究的三种开关亲水溶剂都具有很好的开关性。其中在相同条件下，N，N-二甲基环己胺的电导率呈现较大幅度可逆变化，表明N，N-二甲基环己胺具有很好的开关性。这种开关特性为废机油的分离提供了可能。

2.2 开关亲水溶剂与废机油的相溶性测试

要实现废机油的分离，首先利用开关亲水溶剂废机油，实验考察了不同体积比下废机油和开关亲水性溶剂(三乙胺、N，N-二甲基环己胺、N，N-二甲基丁胺)的相溶性，结果见图3。

图3 N，N-二甲基环己胺(a)、三乙胺(b)和N，N-二甲基丁胺(c)和废机油的相溶性

由图3可知，三乙胺、N，N-二甲基环己胺、N，N-二甲基丁胺和废机油可以相互溶解成均一相，这表明三种开关亲水性溶剂和废机油均具有很好的相溶性。

2.3 开关亲水溶剂与废机油的分离

不同开关亲水溶剂和废机油的分离效果见图4。

图4 不同开关溶剂N，N-二甲基环己胺(a)、N，N-二甲基丁胺(b)、三乙胺(c)和废机油的分离效果Fig.4 The separation of waste oil with different SHS DMCHA (a)，DMBA (b)，TEA (c)

由图4可知，三乙胺和废机油的分离容易产生乳化现象，不利于废机油的分离。N，N-二甲基环己胺、N，N-二甲基丁胺表现出很好的分离效果。因此，实验进一步深入探讨N，N-二甲基环己胺和废机油的分离。

2.3.1 不同剂水比对废机油分离效率的影响 不同剂水比(体积比)对不同比例混合的废机油和溶剂分离效率的影响见图5。

图5 不同剂水比对不同比例混合的废机油和溶剂分离效率的影响Fig.5 The effect of ratio of solvent and water to the separation efficiency of waste oil and solvent

由图5可知，随着溶剂和水的比例增加，废机油的分离效率逐渐增加；相同剂水比下，油和溶剂的比例越大，废机油的分离效率越低。由于越大的剂水比增加了开关亲水溶剂和水接触面积，促进开关溶剂和水的反应，有利于开关亲水溶剂从疏水性向亲水性转变，使得废机油分离[16]。考虑水和溶剂的有效利用，因此对废机油的处理采取合适油、溶剂和水的比例为1∶2∶6(g∶mL∶mL)。

2.3.2 CO2通入时间对废机油分离效率的影响 CO2通入时间对废机油分离效率的影响见图6。

图6 CO2通入时间对废机油分离效率的影响

由图6可知，随着CO2通入时间的增加，废机油分离效率逐渐增加，当CO2通入时间为2 h，分离效率几乎达到最高。因此CO2通入时间应控制为2 h。

2.3.3 温度对废机油分离效率的影响 温度对废机油分离效率的影响见图7。

图7 温度对废机油分离效率的影响

由图7可知，随着温度的增加，废机油的分离效率逐渐降低。因此升温不利于废机油的分离，分离可选取在常温下进行。

2.4 开关亲水溶剂的回收

在60 ℃水浴下通N2，开关亲水溶剂可以得到以回收，N，N-二甲基环己胺的回收率随时间的变化见图8。

图8 开关亲水溶剂的回收率和时间的关系

由图8可知，随着N2的持续通入，N，N-二甲基环己胺的回收率逐渐增加，最终约为90%的N，N-二甲基环己胺可以得到回收。

3 结论

(1) 三种CO2/N2开关亲水性溶剂(三乙胺(TEA)、N，N-二甲基环己胺(DMCHA)、N，N-二甲基丁胺(DMBA))均具有较好的开关性，且和油具有很好的混溶性。

(2) CO2/N2开关亲水性溶剂和废机油的分离的最优条件为：以N，N-二甲基环己胺(DMCHA)为溶剂，油、溶剂和水的比例为1∶2∶6(g∶mL∶mL)，CO2通入时间应控制为2 h，常温。废机油的分离效率可达到约为97%。

(3) 在60 ℃水浴下通N2，开关亲水溶剂可以得到回收，N，N-二甲基环己胺的回收率最终可达到约为90%。