耦合技术与萃取过程强化(第二版)
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2.4.4 实现过程强化的几点讨论

按照“场”“流”分析的基本观点,调控“流”和“场”的作用,可以实现过程强化;多种“流”和多种“场”的组合可以产生新的过程。应该指出的是,这里提出的仅是实现过程强化的“可能性”。针对体系特性及工艺要求,具体问题具体分析,真正处理好可能性与可行性、可能性与适用性、可能性与经济性的关系,才有可能合理利用耦合技术,真正开发环境友好过程,实现过程强化,提高过程的效率和经济性。

(1)可能性与可行性

在实现多种“流”和多种“场”的新的组合时,存在过程“搭建”的可行性问题。例如,在设计多“流”耦合时,不同体相的流在过程中必须是可以分隔的。然而,设计萃取-反萃耦合的多“流”多“场”过程时,有两个水相,即料液相和反萃相,它们之间的分隔在一般的操作条件下是基本上不能做到的,需要选用膜技术,才能使萃取-反萃耦合过程的设计成为可能。当然,这一过程的传质阻力就会由于“膜”的存在而增大。又如,萃取反萃取交替过程中“流”的设计,通常为料液相与萃取相呈逆流流动,萃取相与反萃取相呈并流流动。若将萃取相与反萃相也设计为逆流流动,对于某些体系就可能达不到过程强化的目的[23]。再如,油-水-水类型的三相萃取过程,其特征是可以直接分离出较纯净的单一产品,且分离级数不易过多。如满足此类需求,才考虑采用这一耦合过程。对于油-水-水类型的三相萃取过程,如果需要实现“多级级联”,在萃取设备的设计方面会出现一定的难度。

(2)可能性与适用性

通常而言,在分离过程中引入化学作用或利用化学因素调控“场”的相对强度,是分离过程强化的重要途径。需要注意的是,利用化学因素调控“场”的相对强度应注意实施有“度”,需要注意“过程强化”的适用性。

例如,络合萃取法对于极性有机物稀溶液的分离具有高效性和高选择性。相对于物理萃取的范德华力“场”作用,络合萃取过程中溶质与萃取剂之间的化学作用包括氢键缔合、离子对缔合和离子交换等,作用能的大小比范德华力大很多。然而,使用季铵盐类的络合萃取剂,虽然其化学作用机制为离子交换机制,作用能很大,但在进行逆向反应,溶质回收、萃取剂循环使用时的操作条件就会比较苛刻。

又如,同级萃取反萃取过程的优势在体系的萃取分配系数较小时更容易体现出来。如果可能选用可提供较大分配系数的萃取剂(如络合萃取剂),就可以直接选用络合萃取过程,而并不采用“萃取/反萃耦合过程”。这样可以避免实施乳状液膜分离过程或支撑液膜分离过程中可能出现的较难保障稳定操作等问题。

再如,对于特定体系、特殊的工艺要求,并不一定需要利用化学因素调控“场”的相对强度。乙草胺是一种芽前选择性旱田除草剂。乙草胺生产过程中,由于洗涤、车间冲洗等操作使乙草胺进入生产废水,生产废水未经处理直接排入水体,水体中的乙草胺的含量增大,农民使用污染水灌溉稻田,可能导致水稻的大面积受害。乙草胺生物降解性的研究表明,乙草胺的生物降解性很差,即使在很低的浓度下也难以生物降解。然而,乙草胺的疏水性常数lgP等于2.60,表明乙草胺容易被有机溶剂物理萃取,其中苯和二甲苯提供了很高的平衡分配系数。由于在生产工艺中,采用二甲苯配制乙草胺,因此,可以采用二甲苯作为萃取剂对乙草胺废水进行萃取处理,而不用络合萃取剂进行化学萃取。结果表明,利用二甲苯作为萃取溶剂,对乙草胺生产废水进行一级萃取,可以使废水中乙草胺的浓度由94mg/L降低至0.2mg/L以下,远远低于中国科学院生态环境中心推荐的乙草胺废水的允许累积平均排放浓度。虽然萃余水相的化学耗氧量比萃取前降低不多(CODCr值从224mg/L降至206mg/L),但萃余水相的BOD5/CODCr值却显著增大(从0增大至0.476)。利用容易降解的有机溶剂(二甲苯)置换出废水中的难降解有机物(乙草胺),使废水中的有用成分得以回收,同时提高萃取后的废水的生物降解性,这就是“萃取置换”处理过程的有效性[24]

(3)可能性与经济性

在引入化学作用或利用化学因素调控“场”的相对强度,或实现多种“流”和多种“场”的新的组合时,形成的新过程并不一定是实现过程强化的最佳技术,会存在新“过程”的经济性问题,必须处理好可能性与经济性的关系。一些过程的“搭建”是可能的,但过程工艺效率的提高与新设备的投入、动力消耗的增大相比,会出现“得不偿失”现象,最终不能取得“过程强化”的实际效果。有些过程的设计,在实验室规模范围内可行,但很难“放大”或实现连续化操作,因此较难付诸实施。耦合技术的应用必须结合体系特性及工艺要求,正确进行技术经济评价,细致分析,认真选用。