中空纤维支撑液膜去除水中氨氮的传质特征研究

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氨氮是水体中一种常见的污染物,由于氨氮废水的类型较多,使得对氨氮废水的处理难度增大。常见的氨氮处理技术虽然种类很多,但均存在一些缺陷。因此,对新技术的研究是十分必要的。本文首先通过在适当条件下氨氮料液和油相的搅拌实验,研究了氨氮在水中的两种形态—NH4+和NH3在油相和水相中的分配系数,考察了不同浓度的NH4+和NH3以及料液pH对分配系数的影响。通过液液萃取实验,考察以二(2-乙基己基)磷酸(简称D2EHPA)为萃取剂,不同条件对氨氮的萃取效果的影响以及对不同浓度氨氮溶液的萃取。在此基础上构建了以聚丙烯中空纤维膜为支撑体,D2EHPA为载体,H2SO4为反萃剂的中空纤维支撑液膜体系。通过中空纤维支撑液膜的传质实验,以去除率为指标,考察料液pH值,载体浓度、反萃剂浓度、填装因子、料液和反萃液的流速对传质效果的影响,研究了D2EHPA-煤油-H2SO4体系对不同浓度氨氮料液的传质效果。通过对比试验,分析了影响氨氮传质速率降低的主要因素,并对氨氮在中空纤维液膜中的传质机理进行了探讨。主要得到的结论如下:(1)氨氮分配系数KP随料液浓度增加而增大;分配系数KP随料液pH升高而增大。通过实验数据拟合得到NH3和NH4+在水相中的平衡浓度与分配系数的关系式;在料液氨氮浓度相同的条件下,NH3在油水两相中的分配系数远大于NH4+。(2)在液-液萃取过程中,萃取率随料液pH升高而增大,随载体浓度增大而增大;料液中氨氮初始浓度降低,萃取率随之下降。(3)采用去除率表征中空纤维支撑液膜(HFSLM)对氨氮的传质效果,去除率随料液初始pH升高而增大,随液膜中载体浓度增加而增大,随反萃剂浓度上升而增大。氨氮去除率随组件填充密度增加而增大,当膜组件中膜丝填装数量过多时,传质效果降低,对氨氮的去除率下降。虽然提高料液流速可增大氨氮传质速率,但过高的料液流速会降低液膜稳定性。当反萃剂浓度较高时,增大反萃剂流速对传质效果影响不大。(4)去除率随氨氮料液初始浓度减小而下降,D2EHPA-煤油-H2SO4体系对氨氮的传质能力随氨氮浓度降低而下降。传质速率降低的主要因素是随传质过程进行料液pH值下降,通过调节料液pH可调控和提高氨氮的去除和传质效果。(5)在实验设定的条件下,当料液pH小于9时,D2EHPA-煤油-H2SO4支撑液膜体系对氨氮的萃取过程主要以NH4+与载体的络合为主;当料液pH大于10时,料液中氨氮进入液膜的方式主要以NH3与载体络合和氨分子的渗透作用为主;反萃过程主要以质子交换为主。(6)采用单组液膜对多组氨氮进行传质,单次传质去除率随液膜使用次数增加而降低,但其降低的幅度较小,证明D2EHPA-煤油-H2SO4支撑液膜体系对的氨氮传质较稳定。(7)料液氨氮初始质量浓度为2000mg/L,D2EHPA体积分数为30%,反萃剂H2SO4浓度为2mol/L时,经多次调节pH,氨氮浓度可降低至23mg/L,总去除率为98.9%,单次传质去除率随pH调节次数增加而下降。
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