一种低浓度水样品萃取装置对水质中苯酚的萃取方法
技术领域
本发明属于化工环保行业的液-液萃取设备领域,具体涉及一种低浓度水样品萃取装置对水质中苯酚的萃取方法。
背景技术
兰州黄河水的苯酚污染,主要来自石油化工厂、树脂厂、塑料厂、合成纤维厂、炼油厂、焦化厂等化工企业,苯酚是水体的重要污染物之一。
黄河地表水占甘肃兰州日供水总量的91%,但近年来水污染日趋严重,每年都发生兰州水污染事故,如2014年4月11日兰州发生“局部自来水苯超标”事件,兰州市威立雅水务集团公司出厂水及自流沟水样中苯含量严重超标,苯检测值为200微克/升,远超出国家限值的10微克/升,属于严重超标;2015年3月4日发生的兰州市自来水异味事件,兰州自来水被测出苯超标,极大的威胁了当地的用水安全。
苯是一种溶剂,是工业上的基础原料,在建材方面使用最多。由于对人体有害,有毒,对神经系统、造血系统有损害,是一种致癌物,长期接触苯可引起白血病等病症。酚类化合物可以通过皮肤、粘膜的接触,不经肝脏解毒直接进入血液循环,致使细胞破坏并失去活力,也可通过口腔侵入人体,造成细胞损伤。人如果长期饮用被酚类化合物污染过的水能引起慢性中毒,出现贫血、头晕、记忆力衰退以及各种神经系统的疾病,严重的会引起死亡。含酚类化合物的污水不仅对人类的健康带来严重威胁,也对植物产生危害。水中酚含量达到一定含量时,鱼类就会出现中毒症状或死亡,灌溉农田,则会使农作物减产或枯死。
目前,低浓度大容量水样品萃取,由于料液中需萃取成分含量低,研究工作者一般采用加大原料的方法进行实验,一旦加大了原料,在萃取这一步骤经常遇到待萃取的液体较多,用常规分液漏斗 (100-2000ml) 难以胜任,如果采用特制的5000ml 或更大的分液漏斗,由于液体较多,质量大,很难进行摇匀,操作困难 ;这种分液漏斗一般采用玻璃材料,容易碰碎,而且5000ml 的体积仍然不足够大,仍然难以胜任实验室大体积液体的萃取。如果采用工业设备,则实验室待萃取的液体又显得过小。现有的萃取设备不方便野外现场或实验室用,且对液体进行萃取不方便。兰州黄河水中污染水质的苯酚含量虽然可达200微克/升,但对分析检测来说,浓度还是较低,导致采用加大原料的方法进行萃取,玻璃萃取器无法满足要求,大型工业萃取设备又不方便的缺陷。景技术描述段落。
发明内容
本发明为解决现有的低浓度大容量水样品萃取时采用常规分液漏斗存在操作复杂,容易碰碎,体积较小的技术问题和兰州黄河水中污染水质的苯酚含量浓度还是较低,采用加大原料的方法进行萃取,玻璃萃取器无法满足要求,大型工业萃取设备又不方便技术缺陷,提供一种结构简单、安装使用方便、提高工作效率的野外现场或实验室用大型萃取装置,并采用该装置对兰州黄河水质中低浓度苯酚含量的快速高效准确的检测方法。本发明是一种采用低浓度大容量水样品萃取装置及其对兰州黄河水质中苯酚的萃取方法,该装置主要由高效萃取设备和重力沉降分离器组成,所述高效萃取设备包括一个圆筒形外壳和圆筒两端封闭的卧式萃取室,油相和水相由进液口通过进液控制阀和法兰与置于卧式萃取室顶端的喇叭式进液口相连,两个轴承安装在卧式萃取室的圆筒两端封闭板中央,传动转轴穿过两个轴承架设固定,传动转轴在卧式萃取室外的一端与旋转手动装置通过联轴器连接,置于卧式萃取室内的圆盘与传动转轴同轴焊接相连,弧形漏斗式混合萃取部件底端下圆弧侧面与圆盘圆弧接触焊接相连,卧式萃取室内混合萃取后液由其下端的出液管通过出液控制阀和法兰与后续的常规的重力沉降油、水两相分离器进液管相连;采用上述萃取装置对兰州黄河水质中苯酚的萃取方法,包括萃取相和含苯酚的黄河水相通过进液口和相连的喇叭式进液口加到卧式萃取室内,加到一定体积的处理液后,关闭进液控制阀,启动旋转手动装置,带动弧形漏斗式混合萃取部件组成的萃取单元一起旋转,使得混合液在萃取部件的喇叭式进液口进入萃取部件漏斗式内腔,由于离心力的作用,溶液通过萃取部件壳体上的圆形小孔以细流线型状态快速流出萃取部件内腔,微细的液丝被萃取部件腔外的大量的逆流液体快速冲刷分散成微小的液滴,进入萃取部件腔外的大量的逆流液体中,以此提高油水两相的均混度和增大油水两相的接触面积,强化混合和萃取过程,使得油水两相快速混合均匀和苯酚萃取快速达到平衡。之后,萃取后液由卧式萃取室下端的出液管通过出液控制阀进入后续的常规的重力沉降油、水两相分离器分离,分离后形成萃取相含酚溶剂和萃余水相。
进一步地,所述的高效萃取设备的为不锈钢制作;所述的萃取室的容积为 10L-100L。
进一步地,弧形漏斗式混合萃取部件的离心旋转是由旋转手动装置提供,为防止油水相混合易于乳化,不需要高速旋转,在人工操作下低速旋转即可满足工况要求,人工容易实现的操作转速20~40r/min即可。
进一步地,待处理溶液和萃取剂按配比先后一次加入萃取设备腔体内,腔体盛液量为总容积的1/2~3/4为宜。
进一步地,卧式萃取室上端设有排气口,防止油水两相混合萃取时产生气体而无法及时排出,导致萃取室内部气压升高而造成安全隐患。
进一步地,卧式萃取室内壁上水平方向均布至少焊接至少1块逆流挡板,用以增大弧形漏斗式混合萃取部件的进液压力和通过的流量,同时更易于及时把从弧形漏斗式混合萃取部件通过圆形小孔流出的微细的液丝被萃取器腔外的逆流液体快速冲刷分散成微小的液滴带离小孔。
进一步地,卧式萃取室内壁上水平方向均布至少焊接至少1块逆流挡板,用以增大弧形漏斗式混合萃取部件的进液压力和通过的流量,同时更易于及时把从弧形漏斗式混合萃取部件通过圆形小孔流出的微细的液丝被萃取器腔外的逆流液体快速冲刷分散成微小的液滴带离小孔。
进一步地,弧形漏斗式混合萃取部件的横截面为长方形、矩形、圆形、椭圆形任意一种,进液口呈放大喇叭口形,除进液口外,其它组合面有序开设圆形小孔,并且从进液口向后底延伸方向,开孔率逐渐增大,距离进液口五分之一段不开小孔,小孔总面积为进液口面积的1.5~3.0倍,小孔孔径1~3mm。
进一步地,根据液体处理量的多少,圆盘上可对称焊接2~12个弧形漏斗式混合萃取器为一萃取单元,也可在传动转轴上焊接2~10个萃取单元并联使用。
进一步地,萃取室盛液量最好为总容积的1/2~3/5,逆流挡板最好4~6块,弧形漏斗式混合萃取器小孔孔径最好2mm且总开小孔面积为进液口面积的2倍,萃取单元最好4-6个并联使用,每一萃取单元的弧形漏斗式混合萃取器为4-6个。
进一步地,萃取液为模拟不同浓度的含酚污水和正式受污染的兰州黄河水,模拟的配置的水质中苯酚含量为0~200mg/L。
进一步地,所述的萃取剂是二异丙醚、醋酸丁脂、甲基异丁基甲酮、30%磷酸三丁酯和煤油混合物、煤油、重苯油中的一种或多种。
进一步地,兰州黄河水和萃取剂的混合体积比为100:1~1000:1 。
本发明具有的优点和积极效果是 :该野外现场或实验室用大型萃取装置结构简单,使用方便,无能耗、成本低廉、安全环保,根据需要设计不同体积规格的萃取室,通过弧形漏斗式混合萃取组件组成的萃取单元,在离心旋转过程中快速混匀萃取液并快速完成萃取过程,具有处理量大、萃取效率均高达94%以上、苯检测值低于国家限值的10微克/升标准,相比适应范围宽等优点和效果。适用于兰州黄河水质中低浓度苯酚含量的快速、高效、准确的检测方法。
附图说明
图1是手动漏斗式萃取设备总装置图
图2是手动漏斗式萃取设备A-A剖视图
图3是弧形漏斗式混合萃取部件结构图
图1、2、3中:1-进液管;2-进液控制阀;3、17-法兰;4-排气口;5-莲蓬式喷头;6-逆流挡板; 7-卧式萃取室;8-弧形漏斗式混合萃取部件;9-轴承;10-旋转手动装置;11-转轴;12-固定圆盘;13-喇叭式进液口;14-萃取设备固定板;15-出液管;16-出液口控制阀;18-可移动支撑架19-圆形小孔;20-油、水相混合萃取液。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解,下面结合具体实施方式,进一步阐述本发明,并配合附图详细说明如下。
请参阅图 1-2 所示 :该野外现场或实验室用大型萃取装置包括 :进液管 1、进液控制阀 2、法兰 3、排气口 4; 莲蓬式喷头 5、逆流挡板 6、 卧式萃取室 7、弧形漏斗式混合萃取部件 8; 轴承 9、旋转手动装置10、转轴 11、固定圆盘 12、萃取设备固定板 14;出液管 15; 出液口控制阀 16、法兰 17、可移动支撑架 18;
请参阅图 3 所示 :弧形漏斗式混合萃取部件结构包括: 喇叭式进液口 13、圆形小孔19;
由圆筒形外壳和圆筒两端封闭组成的卧式萃取设备的萃取室(7)上端贯穿依次从下往上连接有喇叭式进液口(5)、连接法兰(3)、进液控制阀(2)和油水相进液口(1),卧式萃取室(7)水平中央通过轴承(9A)和轴承(9B)固定安装有传动转轴(11),传动转轴(11)上固定的圆盘(12)与弧形漏斗式混合萃取组件(8)焊接相连,伸出卧式萃取室(7)外一端的传动转轴(11)与旋转手动装置相连(10),萃取室(7)内壁上水平方向均布有多块逆流挡板(6),萃取室(7)上端贯穿设有排气口(4),萃取室(7)下端贯穿依次从上往下连接有出液管(15)、出液控制阀(16)和连接法兰(17),该法兰(17)与后续的重力沉降萃取液油、水分离设备进液管相连。
本发明还可以采用如下技术措施 :
所述的萃取设备,采用不锈钢、特种塑料材质制作,但最好使用不锈钢材质制作。
所述的萃取室的容积为 10L—100L,从而适用于野外现场或实验室不同萃取体积的需要。
所述的旋转手动装置,可以采用两个大小不一的转向齿轮垂直啮合连接,增大放大级数,提高转速,大转向齿轮与旋转手柄连接,小转向齿轮与转轴连接,增大放大级数可增大2-3倍,相应转速可提高2-3倍,即,原来的到20~40r/min转速可增大到60~120r/min,可满足需要转速较高的体系场合。
所述的萃取室上端设有排气口,防止油水两相混合萃取时产生气体而无法及时排出,导致萃取室内部气压升高而造成安全隐患。排出的气体可根据其性质,导入吸收液吸收处理,防止对操作人员和环境的伤害和污染。
所述的萃取室内壁上水平方向均布至少焊接至少1块逆流挡板,阻止和改变流体方向,用以增大弧形漏斗式混合萃取部件(8)的进液压力和通过的流量,同时更易于及时把从弧形漏斗式混合萃取部件(8)上的小孔(19)流出的微细的液丝被萃取室的逆流液体快速冲刷分散成微小的液滴并被带离小孔。
所述的弧形漏斗式混合萃取部件的横截面为长方形、矩形、圆形、椭圆形等,进液口呈放大喇叭口形,除进液口外,其它组合面都开小孔,并且从进液口向后底延伸方向,开孔率逐渐增大,距离进液口五分之一段不开小孔,小孔孔径1~3mm,小孔总面积为进液口面积的1.5~3.0倍为宜。
所述的萃取单元,由4—6个弧形漏斗式混合萃取部件组成。传动转轴(11)上焊接2~10个萃取单元并联使用。
所述的萃取单元,根据萃取室的容积的大小,可在传动转轴上焊接1~10个萃取单元并联使用。
所述的兰州黄河水质中苯酚的萃取方法,萃取液为模拟的不同浓度的含酚污水和正式受污染的兰州黄河水,模拟的配置的水质中苯酚含量为0~200mg/L(受污染的兰州黄河水质中苯酚含量最高检测为200mg/L,pH值为6.5~6.7为依据)。所述的萃取剂是二异丙醚、醋酸丁脂、甲基异丁基甲酮、30%磷酸三丁酯和煤油混合物、煤油、重苯油中的一种或多种。根据含酚量的不同,兰州黄河水和萃取剂的混合体积比为100:1~1000:1 。原则上:含酚量高时,混合体积比大,含酚量低时,混合体积比小。
本发明的具体操作步骤:油相和水相混合体系依次经过进液口(1)、进液控制阀(2)和莲蓬式喷头(5)进入萃取设备萃取室(7)内呈一定体积的处理液,关闭进液控制阀(2)。启动旋转手动装置(10),带动弧形漏斗式混合萃取部件(8)组成的萃取单元一起旋转,使得混合液在萃取部件(8)的喇叭式进液口(13)进入萃取部件漏斗式内腔,由于离心力的作用,溶液通过萃取部件(8)壳体上的圆形小孔(19)以细流线型状态快速流出萃取部件(8)内腔,微细的液丝被萃取部件(8)腔外的大量的逆流液体(20)快速冲刷分散成微小的液滴,并进入大量的逆流液体(20)。混合反应一定时间后,停止旋转手动装置(10),完成混合萃取过程。打开出液管上的控制阀(16),把萃取后液排入后续的重力沉降萃取液油水分离设备中,进一步萃取液沉降油相和水相分离过程。之后,进行下一轮的混合萃取过程。
实施例一 :取 20 升模拟的配置的水质中苯酚含量为0~200mg/L(0、0.1、1.0、5.0、10.0、20.0、30.0、40.0、50.0、60.0、70.0、80.0、90.0、100.0、120.0、140.0、160.0、180.0、200.0mg/L)提取液 ( 水相 ),通过进液口 1 导入萃取室 7,然后将 0.1~0.2升煤油(苯酚含量<100.0mg/L时,取0.1升煤油;苯酚含量为≥100.0mg/L时,取0.2升煤油)通过进液口 1 导入萃取室 7,缓慢启动旋转手动装置10,使转轴 11的转速为20 转 / 分,搅拌5 分钟,静置2 分钟后,萃取完成。打开出液管上的控制阀16,把萃取后液排入后续的重力沉降萃取液油水分离设备中,进一步萃取液沉降油相和水相分离过程。分离后形成萃取相含酚溶剂和萃余水相。用721型分光光度计对萃取相含酚溶剂的吸光度进行分析检测,用插值法列出吸光度与苯酚含量的对应关系,并求得萃取率。先测得吸光度与模拟的配置的水质中苯酚含量的对应关系如下表1所示。吸光度与萃取相含酚溶剂中苯酚含量(兑水到20升检测)的对应关系和萃取率计算如下表2所示。萃取效率均高达94%以上、苯检测值低于国家限值的10微克/升标准。
表1 吸光度与模拟的配置的水质中苯酚含量的对应关系
吸光度A |
0.031 |
0.069 |
0.399 |
3.758 |
7.491 |
11.224 |
14.958 |
18.691 |
22.424 |
模拟水苯酚浓度c(mg/L) |
0 |
0.1 |
1.0 |
10.0 |
20.0 |
30.0 |
40.0 |
50.0 |
60.0 |
吸光度A |
26.157 |
29.890 |
33.851 |
37.356 |
44.822 |
52.289 |
59.755 |
67.221 |
74.687 |
模拟水苯酚浓度c(mg/L) |
70.0 |
80.0 |
90.0 |
100.0 |
120.0 |
140.0 |
160.0 |
180.0 |
200.0 |
表2 吸光度与与萃取相含酚溶剂中苯酚含量的对应关系和萃取率
吸光度A |
0.030 |
0.066 |
0.394 |
3.745 |
7.473 |
11.200 |
14.925 |
18.650 |
22.375 |
20L萃取相苯酚浓度c(mg/L) |
0 |
0.096 |
0.987 |
9.965 |
19.952 |
29.932 |
39.911 |
49.890 |
59.868 |
萃取率(%) |
- |
96 |
98.7 |
99.65 |
99.7 |
99.8 |
99.7 |
99.7 |
99.7 |
吸光度A |
25.028 |
27.713 |
31.028 |
33.641 |
44.107 |
50.712 |
56.947 |
63.815 |
70.184 |
20L萃取相苯酚浓度c(mg/L) |
66.978 |
74.173 |
82.494 |
90.055 |
118.086 |
135.778 |
152.482 |
170.884 |
188.012 |
萃取率(%) |
95.7 |
92.72 |
91.66 |
90.06 |
98.4 |
97.0 |
95.3 |
94.9 |
94.0 |
实施例二 : 基本同实施例一,取 50 升模拟的配置的水质中苯酚含量为0~200mg/L(0、0.1、1.0、5.0、10.0、20.0、30.0、40.0、50.0、60.0、70.0、80.0、90.0、100.0、120.0、140.0、160.0、180.0、200.0mg/L)提取液 ( 水相 ),通过进液口 1 导入萃取室 7,然后将0.2~0.5 升醋酸丁脂(苯酚含量<100.0mg/L时,取0.2升醋酸丁脂;苯酚含量为≥100.0mg/L时,取0.5升醋酸丁脂)通过进液口 1 导入萃取室 7,缓慢启动旋转手动装置10,使转轴 11的转速为30 转 / 分,搅拌 3 分钟,静置 2 分钟后,萃取完成。打开出液管上的控制阀16,把萃取后液排入后续的重力沉降萃取液油水分离设备中,进一步萃取液沉降油相和水相分离过程。 分离后形成萃取相含酚溶剂和萃余水相。分光光度计对萃取相含酚溶剂的吸光度进行分析检测,用插值法列出吸光度与苯酚含量的对应关系,并求得萃取率。萃取效率均高达94%以上、苯检测值低于国家限值的10微克/升标准。
本发明具有的优点和积极效果是 :该野外现场或实验室用大型萃取装置结构简单,使用方便,无能耗、成本低廉、安全环保,根据需要设计不同体积规格的萃取室,通过弧形漏斗式混合萃取组件组成的萃取单元,在离心旋转过程中快速混匀萃取液并快速完成萃取过程,具有处理量大、萃取效率均高达98%以上、相比适应范围宽等优点和效果。适用于兰州黄河水质中低浓度苯酚含量的快速、高效、准确的检测方法。
以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已,并非对本发明作任何形式上的限制,凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改,等同变化与修饰,均属于本发明技术方案的范围内。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述 的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都纳入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。