乳化液膜法脫除磷酸中鎘的研究

徐梅松

(貴州大學化學與化工學院,貴州貴陽 550003)

乳化液膜法脫除磷酸中鎘的研究

徐梅松

(貴州大學化學與化工學院,貴州貴陽 550003)

鎘是磷酸中的有害雜質之一,其對環境的污染和對人體的毒害日趨嚴重,所以必須控制磷酸中鎘等有害雜質的含量。用乳化液膜法除去磷酸中的鎘,采用單因素實驗法,重點考察了表面活性劑 Span-80,T151,T154及用量、萃取劑 TBP,P204及用量、萃取時間對脫除磷酸中鎘的影響。結果顯示:表面活性劑 T154用量為 2.0 mL及萃取劑 P204用量為 2.0 mL時,乳化液膜具有較好的穩定性,且萃取時間為 15 min時,從磷酸中除鎘的效果最優。

乳化液膜;磷酸;鎘

在磷酸生產中,除鎘方法主要有石膏共結晶法、硫化法、離子交換法、溶劑萃取法、膜分離技術[1]。石膏共結晶法是利用石灰等中和沉淀,該法雖然方法簡單,但除鎘必須在中性或堿性條件下進行;硫化法需在加壓條件下進行;離子交換法及溶劑萃取法工藝和設備復雜,處理成本高[2-3];膜分離技術是現在討論最多的。I.Ortiz等[4]應用雙膜技術,首先選用 Purolite S940樹脂完成對鈾的吸附,之后再選用季銨氯化物 336完成對鎘的選擇吸附,然后再利用反萃取劑Na2CO3將鎘萃取出來。這些方法對除鎘均有較好的效果,但大多都因工序麻煩或成本太高而未用于生產。乳化液膜法具有膜薄、傳質速率快、選擇性高等優點。筆者采用乳化液膜法脫除磷酸中的鎘,確定了最佳液膜組成及工藝條件。

1 乳化液膜法脫除鎘的機理

鎘是重金屬元素,在溶液中以水合離子形式存在,為了除去磷酸中的鎘,采用了 P204作為萃取劑。P204是酸性磷類萃取劑,在非極性溶劑中通過氫鍵進行結合,形成二聚體的結構,聚合反應簡式寫成:

Cd2+被 P204萃取進入有機相的反應過程可用如下簡式表示:

有機相中的 Cd(HA2)2遇到內相解析酸 HCl則發生如下反應:

這樣 Cd2+就被富集于內相,而 P204往返輸送Cd2+,H+作為傳遞 Cd2+的動力,從而達到除鎘的目的。

2 實驗部分

2.1 主要試劑與儀器

表面活性劑:Span-80(失水山梨醇單油酸酯)、T151(單烯基丁二酰亞胺)、T154(聚異丁烯丁二酰亞胺),均為分析純;萃取劑:TBP(磷酸三丁酯)、P204[二(2-乙基己基)磷酸酯],均為分析純;煤油,分析純;鹽酸(4 mol/L);磷酸料液[w(Cd2+)= 1×10-4]。

310原子吸收分光光度計;JJ-1A精密電動攪拌器。

2.2 乳液的制備

量取一定量的表面活性劑,用一定量的煤油溶解,待表面活性劑徹底溶于煤油后,在電動攪拌器定速攪拌的同時,按比例依次加入萃取劑與內相試劑,混合攪拌均勻,將攪拌好的液體立即利用電動攪拌器在 2 500 r/min進行制乳 10 min,即可制得乳白色的乳化液。

2.3 鎘的脫除

用制好的乳化液,以一定的乳外比 (乳化液與外相溶液的體積比)加入到磷酸溶液中,將混合液用電動攪拌器進行攪拌,攪拌完成后,將混合液靜置一段時間待分層,取出少量下層清夜進行鎘含量的測定。

2.4 Cd2+濃度的測定

采用 310原子吸收分光光度計對磷酸料液中殘留 Cd2+的濃度進行測定,以便確定最佳實驗參數。

3 實驗結果與討論

3.1 表面活性劑的篩選

表面活性劑是液膜的重要組成部分,直接影響液膜的穩定性、滲透速度、分離效率以及液膜的再使用。采用 Span-80,T151,T154 3種表面活性劑進行對照實驗,結果見圖 1。由圖 1可以看出,對于3種不同表面活性劑制成的乳化液膜,經除鎘實驗后,料液中殘留 Cd2+的濃度相差不大。但 Span-80在酸堿作用下易破壞,根本不適宜在外水相為較強酸性環境下使用;以 T154為表面活性劑的乳化液膜除鎘率稍高些。因而選定 T154為乳化液膜的表面活性劑。

圖 1 表面活性劑種類對分離 Cd2+的影響

3.2 萃取劑的篩選

在液膜分離中,萃取劑是實現分離傳質的關鍵,它對指定物質在液膜中遷移的選擇性優劣以及通量大小起決定性作用。因此選擇合適的萃取劑極為重要。選用 TBP和 P204作為萃取劑進行對照實驗,結果見圖 2。由圖 2可以看出,P204對 Cd2+的脫除明顯優于 TBP。TBP也是一種常用的中性有機磷類萃取劑,但在此實驗中,效果不明顯。因而選定P204為乳化液膜的萃取劑。

圖 2 萃取劑種類對分離 Cd2+的影響

3.3 表面活性劑 T154用量對分離 Cd2+的影響

用 T154做表面活性劑,其相對分子質量較大,所形成的乳化液膜厚,穩定性較好,脫鎘率較高。圖3為 T154用量對分離 Cd2+的影響。由圖 3可以看出,在開始階段隨著表面活性劑用量的增加,料液中殘留 Cd2+濃度下降;當表面活性劑用量達到 1.5～2.0 mL后,料液中殘留 Cd2+的濃度下降不是很明顯,原因是隨著表面活性劑用量的增加,其在油水界面的吸附量增大,增加了膜相的黏度,增大傳質阻力。因此,再增加表面活性劑的用量,對鎘的脫除率也不會有明顯的提高,甚至脫鎘率還會有所下降。故選擇表面活性劑 T154的用量為 2.0 mL。 3.4 萃取劑 P204用量對分離 Cd2+的影響

圖 3 表面活性劑 T154用量對分離 Cd2+的影響

圖 4為萃取劑 P204的用量對分離 Cd2+的影響。從圖 4可以看出,當萃取劑用量極少時,脫鎘率很低,料液中殘留 Cd2+質量分數達到 8×10-5左右,傳質速率很低。隨著萃取劑用量的增加脫鎘率增大,當用量達到 2.0 mL時,此時料液中殘留 Cd2+濃度明顯降低,當萃取劑用量超過 2.0 mL后,料液中殘留 Cd2+濃度基本無變化。因而,萃取劑用量過大或過小都不好。萃取劑用量小則待分離物質與萃取劑絡合的不好,影響鎘的脫除;萃取劑用量過大,不但增加膜的成本,而且還會影響膜的穩定性。故選擇萃取劑 P204的用量為 2.0 mL。

圖 4 萃取劑 P204用量對分離 Cd2+的影響

3.5 萃取時間對分離 Cd2+的影響

圖 5 萃取時間對分離Cd2+的影響

圖 5為萃取時間對分離 Cd2+的影響。從圖 5可以看出,當萃取時間小于 15 min時,料液中殘留Cd2+的濃度隨著時間的增加而明顯降低,這是因為剛開始時由于外水相和內水相的濃度梯度大,所以傳質速率大,與液膜的破碎率相比占優勢,所以除鎘率上升。但是當萃取時間進一步延長時,由于液膜的破碎率增大,與傳質速率相比占優勢,料液中殘留Cd2+的濃度反而增加。固選擇萃取時間為 15 min。

4 結論

以 T154-P204-煤油組成的液膜體系分離低濃度(質量分數為 1×10-4左右)的含鎘磷酸,分離效率較顯著,除鎘率可達到 80%以上,分離速度快。相對較優實驗條件為:表面活性劑選 T154,用量為2.0 mL;萃取劑選 P204,用量為2.0 mL;萃取時間為15 min。

[1] 王江平.入世后高濃度磷肥中鎘的問題 [J].磷肥與復肥, 2002,17(5):11-15.

[2] BookerN A,陳月英.從濕法磷酸中分離鎘[J].濕法冶金,1989 (3):18-23.

[3] Tjioe T T,曹淑清.用陰離子交換法從濕法磷酸中除鎘[J].濕法冶金,1989(2):19-25.

[4] Ortiz I,Alonso A I,Urtiaga A M,et al.An integrated process for the removal of Cd and U from wet phosphoric acid[J].Ind.Eng. Chem.Res.,1999,38(6):2450-2459.

Study on removal of cadm ium from phosphoric acid by emulsion liquid membrane technology

XuMeisong
(School of Chem istry and Chem ical Engineering,Guizhou University,Guiyang550003,China)

Cadmium is one of the har mful impurities in phosphoric acid.Its environmental pollution and poison on human body becomemore andmore serious.So itmust control the contentof the harmful impurities,such as cadmium,in phosphoric acid.Removing cadmium from phosphoric acid by using emulsion liquidmembrane technologywas studied.Influences of surfactants(Span-80,T151,and T154)and dosages thereof,extracting agents(TBP and P204)and dosages thereof and extraction time on the removalof cadmium from phosphoric acidwere investigated in detail by single factor testingmethod.Results showed emulsion liquid membrane had good stabilitywhen the amounts of T154 and P204 were both 2.0 mL. Further more,the removal effect of cadmium from phosphoric acid was the bestwhen extraction time was 15 min.

emulsion liquid membrane;phosphoric acid;cadmium

TQ132.44

A

1006-4990(2011)01-0058-03

2010-07-12

徐梅松(1974— ),女,碩士,講師,主要從事化學化工、磷化工的研究,已發表文章4篇。

聯系方式:msxu1974@126.com