3.6　萃取

3.6.1　原理與功能

物質(zhì)質(zhì)量從一相傳遞到另一相的過程稱為傳質(zhì)過程或擴散過程。傳質(zhì)過程中，兩相之間的傳質(zhì)速率G與傳質(zhì)過程的推動力ΔC（污染物質(zhì)在兩相間的濃度差）和兩相之間的接觸面積F的乘積成正比，即：

G=KFΔC

式中，G為物質(zhì)的傳遞速率，即單位時間內(nèi)從一相傳遞到另一相的物質(zhì)的質(zhì)量，kg/h；F為兩相的接觸面積，m²；ΔC為傳質(zhì)過程的推動力，即廢水中雜質(zhì)的實際濃度與平衡時的濃度差，kg/m³；K為傳質(zhì)系數(shù)，與兩相的性質(zhì)、濃度、溫度、pH值等因素有關。

隨著傳質(zhì)過程的進行，在一相中污染物的實際濃度逐漸減小，而在另一相中其濃度逐漸增高，因此，傳質(zhì)過程的推動力ΔC是一個變數(shù)。為了加快傳質(zhì)速率，萃取法多采用逆流操作，即氣-液兩相或液-液兩相呈逆流流動，密度大的由上而下流動，密度小的由下而上流動。由于傳質(zhì)速率與兩相之間的接觸面積成正比，因此在工藝上應盡量使某一相呈分散狀態(tài)。分散程度越高，兩相之間的接觸面積越大。另外，傳質(zhì)速率還與其他因素有關，如增加兩相的攪動程度，即增加傳質(zhì)系數(shù)，這樣可以加速傳質(zhì)過程的進行。

若用一種與水互不相溶的溶劑同廢水混合，使廢水中的某些雜質(zhì)溶入此溶劑中，再把溶劑與水分離，就降低了水中雜質(zhì)的含量，如果雜質(zhì)在此溶劑中的溶解度遠遠超過其在水中的溶解度，則分離雜質(zhì)的效果可以達到很高的程度，這種操作稱為萃取，所用的專門溶劑稱為萃取劑。例如用苯、重苯、磷酸三甲酸、醋酸丁酯、苯乙酮等作為萃取劑，可從工業(yè)廢水中萃取回收酚，用重油等萃取劑可從廢水中回收苯胺等。

萃取的實質(zhì)是溶質(zhì)（廢水處理中可理解為需去除或回收的雜質(zhì)）在水中和萃取劑中有不同的溶解度。溶質(zhì)從水中轉(zhuǎn)入萃取劑中是傳質(zhì)過程，其推動力是廢水中的實際濃度與平衡濃度之差。在達到平衡狀態(tài)時，溶質(zhì)在萃取劑中及水中的溶解度成一定的比例關系：

式中，C₁為溶質(zhì)在萃取劑中的平衡濃度；C₂為溶質(zhì)在廢水中的平衡濃度；K為分配系數(shù)。

應當指出，上式的適宜條件應在稀溶液中，在一定的溫度和壓力下，溶質(zhì)在兩液相中的分子是同樣大小，既不離解也不絡合的條件下才成立，否則分配系數(shù)將不是常數(shù)，不呈直線關系，而呈曲線關系。

由于工業(yè)廢水的水質(zhì)復雜，干擾因素很多，因此平衡濃度關系式往往呈曲線關系，其分配系數(shù)應該通過試驗確定。

3.6.2　技術與裝備

（1）萃取劑的選擇

萃取要取得滿意的效果，必須選擇恰當?shù)妮腿驗樗P系到本身的用量、兩相分離的效果、萃取設備的大小等技術經(jīng)濟問題。萃取劑應盡量滿足下列要求。

①有較大的分配系數(shù)，以節(jié)省萃取劑用量，減小萃取設備容積。

②有良好的選擇性。萃取劑的選擇性就是萃取劑對廢水中各種雜質(zhì)的分離能力，良好的選擇性能提高萃取效率。

③物理性質(zhì)、化學性質(zhì)與廢水有較大區(qū)別。如密度差要大，便于兩相分層，萃取劑在水中的溶解度要小，可減少容積的損失等。

④無毒，以免形成新的污染。

⑤來源廣泛，價格低廉。

實際上，一種萃取劑往往不能同時滿足上述要求，應根據(jù)具體情況，抓住主要影響因素加以選擇。

（2）萃取技術與設備

萃取設備分為間歇萃取和連續(xù)萃取兩類。

①間歇萃取　間歇萃取設備由萃取罐和分離罐組成。在工業(yè)上，一般采用多段逆流方式運行。使進水（新鮮廢水）與將近飽和的萃取劑接觸，而新鮮萃取劑與經(jīng)過幾段萃取處理后的低濃度廢水接觸，這樣可相對增大傳質(zhì)過程的推動力（ΔC），節(jié)省萃取劑用量，同時可提高萃取效率。

為了增加兩相之間的接觸面積（F），提高傳質(zhì)速率（G），一般在萃取罐內(nèi)設置攪拌裝置，攪拌器轉(zhuǎn)速約為300r/min，攪拌時間為15min左右。然后把它們排放到分離罐進行靜置分離，廢水在分離罐內(nèi)的沉淀時間約30min。

經(jīng)過幾段萃取后，根據(jù)物料平衡關系可推導出廢水中溶質(zhì)的殘余濃度為：

式中，C_n為經(jīng)n段萃取后廢水中溶質(zhì)（雜質(zhì)）的濃度；C₀為廢水中溶質(zhì)（雜質(zhì)）的原始濃度；K為分配系數(shù)；b為萃取劑量（q）與污水量（Q）之比，b>1/K；n為萃取段數(shù)，一般取2～4。

由于間歇萃取操作麻煩，設備笨重，因此只適用于小量廢水的處理。

②連續(xù)萃取　連續(xù)萃取多采用塔式逆流方式。將廢水和萃取劑同時通入一個塔中，相對密度大的從塔頂進入，從塔底流出；相對密度小的從塔底進入，從塔頂流出。在萃取劑與廢水逆流相對運動中完成萃取過程。由于是逆流操作，因此新鮮萃取劑進入塔后先遇到低濃度廢水，提高了萃取效率。

目前連續(xù)萃取設備種類很多，有填料塔、篩板塔，還有外加能量的脈沖填料塔、脈沖篩板塔、轉(zhuǎn)盤塔以及離心萃取機等。

1）填料塔。填料塔的結(jié)構(gòu)如圖3-20所示。塔中填料（如瓷環(huán)）的作用是不斷地打碎萃取劑液滴，從而產(chǎn)生新的接觸面，提高傳質(zhì)效率。填料塔的特點是設備簡單、造價低、操作容易，可以處理腐蝕性物料。但處理能力小，效率不高，懸浮物高時填料易堵塞。

2）往復葉片式脈沖篩板塔。往復葉片式脈沖篩板塔的構(gòu)造如圖3-21所示。相對密度大的液體自塔上部進入，相對密度小的由下部進入。塔的中部為萃取工作段，是進行傳質(zhì)的主要部位，上下兩個擴大部分為分離區(qū)，是輕重液相分層區(qū)域。工作段內(nèi)有一根縱向軸（中心軸），軸上安裝了多塊穿孔的篩板，中心軸在塔頂電動機和偏心輪的帶動下，使篩板做脈沖運動，造成了兩相液體之間的湍流條件，從而加強了萃取劑與廢水的充分混合，強化了傳質(zhì)過程。經(jīng)過上下兩個分離區(qū)，輕液由塔頂流出，重液由塔底流出。

根據(jù)生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，往復葉片式脈沖篩板塔的主要設計參數(shù)可采用：篩板間距200～400mm，篩板與塔體間隙5～10mm，篩板孔徑6～8mm，呈正三角形排列，孔隙率20%～25%，脈沖強度=2×振幅×頻率。脈沖篩板塔的萃取效率與振幅（mm）和頻率（次/min）有重要關系，根據(jù)試驗，脈沖強度一般在3000～4000mm/min為宜，振幅4～8mm，脈沖設備最好做成可調(diào)節(jié)的，以便通過實踐找出最佳運行參數(shù)。

3）離心萃取機。離心萃取機的核心部件是轉(zhuǎn)鼓，其構(gòu)造如圖3-22所示。轉(zhuǎn)鼓內(nèi)有許多層同心圓筒，每層的上端或下端有若干孔口。在輕相及重相輸送泵的壓力下，兩相液體分別經(jīng)過進液裝置和夾套式立軸進入高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)鼓，轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速達4700r/min。輕相進入轉(zhuǎn)鼓壁處，沿螺旋流道向中心方向流動；重相進入轉(zhuǎn)鼓中心處，沿螺旋流道由內(nèi)向外流動。兩相液體逆向穿越每個萃取筒的小孔時互相混合，充分接觸。在螺旋流道中流動時，由于離心力的作用，輕相靠內(nèi)層，重相靠外層。在這樣的逆向?qū)α髦校瑑上喾磸突旌虾头蛛x，多次萃取。

萃取后的重相在轉(zhuǎn)鼓壁澄清區(qū)分離出夾帶的輕相，輕相在中心澄清區(qū)分離出夾帶的重相，然后兩相沿各自的通道排出機外，完成整個萃取過程。由于離心萃取機的分離因數(shù)可高達6000，所以兩相的澄清區(qū)可產(chǎn)生較純凈的出流液，澄清效果遠高于沉淀過程。

離心萃取機的特點是設備體積小，效率高，特別適用于兩相密度差較小的液-液萃取，但電耗較大，較易堵塞，要求有較充分的預處理。