气泡及气助溶剂萃取法回收青霉素废水中的有机物

Abstract

回收青霉素废水中的少量有机物对降低青霉素的生产成本非常重要，传统的共沸精馏回收法存在堵塞和腐蚀设备、能耗高、有机物在加热条件下水解等问题，探索新的回收技术是十分重要的工作。 气泡分离法（简称气泡法）是一类基于气-液界面现象的新分离技术，广泛应用于废水中微量有机物的分离，其中，溶剂气浮技术具有较大的优势。 论文首先研究了青霉素废水的性质，其成分复杂，具有低表面张力、稍高的黏度、低pH值和良好的导电性等物化性质，定量地研究了废水中的乙酸丁酯在加热条件下的水解情况。根据其性质，青霉素废水可分为两类，一类是无乳液性质的亲水性有机物废水；另一类为具有乳液性质的疏水性有机物废水。拟溶剂气浮比气提更适合分离低浓度、强疏水性、具有乳液性质的青霉素废水中的有机物。 对间歇拟溶剂气浮回收青霉素废水中的乙酸丁酯研究结果表明，非极性的烷烃可避免水-溶剂液-液界面的严重乳化，壬烷或C10癸烷油与少量异辛醇的复合有机捕收溶剂，能较好地满足此过程对溶剂特性的要求。由于气泡携带分离、水-溶剂液-液界面扩散传质及水膜携带传质等因素的综合作用，有机物的轴向浓度在分离塔中上部有一高浓度区。增大气体流量和捕收溶剂用量可以提高拟溶剂气浮分离效率，气浮完成后利用精馏可获得合格的乙酸丁酯并可循环利用捕收溶剂。 论文利用单点脉冲法和在线电导测量技术对气浮塔内液相返混进行了研究，分离塔内增加筛板有效地抑制了液相返混，减轻了塔内的偏流和循环流等非理想流动。有机溶剂、气液两相流率均影响气浮塔的液相返混程度。 对模拟废水体系的研究表明，在气泡法分离青霉素废水中的乙酸丁酯的过程中，表面活性剂与乙酸丁酯分子间的相互作用及乙酸丁酯的分子吸附不是气泡气-液界面的主要富集机理。利用光学显微镜、冷冻蚀刻复型、FTIR等光谱学技术对青霉素废水的微观结构进行了研究。废水乳液的不稳定性导致废水会逐渐分为上、中、下三层。上层是乙酸丁酯富集层，乳液的结构复杂，存在密度高、直径小的网状结构乳滴；混合废水中有普通乳滴、膨胀胶团、末端有膨胀胶团的层状结构等三种微观结构；下层的微观结构简单，无乳化液滴的存在。 计算了青霉素含乙酸丁酯废水的展铺系数，结合在拟气浮过程中废水的物理化学性质的变化，提出了气泡气-液界面上的三种乙酸丁酯富集机理：分子吸附、乳滴在气-液界面上的展铺和沾附，并利用光学显微技术进行了验证。 定量表征了拟溶剂气浮的三种传质分离机理：气泡携带、水-溶剂界面传递和水膜传递。提出间歇拟溶剂气浮变溶剂体积数学模型，并计算出了过程中乙酸丁酯在尾气中大约为2.0%的损失率。相分配常数在大于50时，对分离效率的影响很小，但小于50时对分离效率的影响很大，水膜厚度对拟溶剂气浮分离效率的影响不明显。 在对青霉素含乙酸丁酯废水的连续拟溶剂气浮过程中，稳态时分离效率可维持在55%，两塔串联操作的分离效率可以达到80%。串联全混流模型（SCM）的模型参数m=2时，可较好地模拟连续过程。气体与废水流量是重要的操作参数。 对气浮塔气体分布方式进行了改进研究，开发了旋转布气装置。振动筛板能有效地降低筛板对上升气泡的阻碍作用，使筛板上下的气泡分布地更加均匀，而烧结多孔钛管柱适于在放大实验中应用。 在对气泡法研究的基础上，提出了基于气泡法的气助溶剂萃取技术，由于气泡的强化萃取作用，该技术可提高液－液萃取分离效率，同时由于气助减混萃取区的气泡群具有富集有机物的作用，该技术减轻了萃取溶剂的损失和对重相的二次污染