3.6　萃取

3.6.1　原理与功能

物质质量从一相传递到另一相的过程称为传质过程或扩散过程。传质过程中，两相之间的传质速率G与传质过程的推动力ΔC（污染物质在两相间的浓度差）和两相之间的接触面积F的乘积成正比，即：

G=KFΔC

式中，G为物质的传递速率，即单位时间内从一相传递到另一相的物质的质量，kg/h；F为两相的接触面积，m²；ΔC为传质过程的推动力，即废水中杂质的实际浓度与平衡时的浓度差，kg/m³；K为传质系数，与两相的性质、浓度、温度、pH值等因素有关。

随着传质过程的进行，在一相中污染物的实际浓度逐渐减小，而在另一相中其浓度逐渐增高，因此，传质过程的推动力ΔC是一个变数。为了加快传质速率，萃取法多采用逆流操作，即气-液两相或液-液两相呈逆流流动，密度大的由上而下流动，密度小的由下而上流动。由于传质速率与两相之间的接触面积成正比，因此在工艺上应尽量使某一相呈分散状态。分散程度越高，两相之间的接触面积越大。另外，传质速率还与其他因素有关，如增加两相的搅动程度，即增加传质系数，这样可以加速传质过程的进行。

若用一种与水互不相溶的溶剂同废水混合，使废水中的某些杂质溶入此溶剂中，再把溶剂与水分离，就降低了水中杂质的含量，如果杂质在此溶剂中的溶解度远远超过其在水中的溶解度，则分离杂质的效果可以达到很高的程度，这种操作称为萃取，所用的专门溶剂称为萃取剂。例如用苯、重苯、磷酸三甲酸、醋酸丁酯、苯乙酮等作为萃取剂，可从工业废水中萃取回收酚，用重油等萃取剂可从废水中回收苯胺等。

萃取的实质是溶质（废水处理中可理解为需去除或回收的杂质）在水中和萃取剂中有不同的溶解度。溶质从水中转入萃取剂中是传质过程，其推动力是废水中的实际浓度与平衡浓度之差。在达到平衡状态时，溶质在萃取剂中及水中的溶解度成一定的比例关系：

式中，C₁为溶质在萃取剂中的平衡浓度；C₂为溶质在废水中的平衡浓度；K为分配系数。

应当指出，上式的适宜条件应在稀溶液中，在一定的温度和压力下，溶质在两液相中的分子是同样大小，既不离解也不络合的条件下才成立，否则分配系数将不是常数，不呈直线关系，而呈曲线关系。

由于工业废水的水质复杂，干扰因素很多，因此平衡浓度关系式往往呈曲线关系，其分配系数应该通过试验确定。

3.6.2　技术与装备

（1）萃取剂的选择

萃取要取得满意的效果，必须选择恰当的萃取剂，因为它关系到本身的用量、两相分离的效果、萃取设备的大小等技术经济问题。萃取剂应尽量满足下列要求。

①有较大的分配系数，以节省萃取剂用量，减小萃取设备容积。

②有良好的选择性。萃取剂的选择性就是萃取剂对废水中各种杂质的分离能力，良好的选择性能提高萃取效率。

③物理性质、化学性质与废水有较大区别。如密度差要大，便于两相分层，萃取剂在水中的溶解度要小，可减少容积的损失等。

④无毒，以免形成新的污染。

⑤来源广泛，价格低廉。

实际上，一种萃取剂往往不能同时满足上述要求，应根据具体情况，抓住主要影响因素加以选择。

（2）萃取技术与设备

萃取设备分为间歇萃取和连续萃取两类。

①间歇萃取　间歇萃取设备由萃取罐和分离罐组成。在工业上，一般采用多段逆流方式运行。使进水（新鲜废水）与将近饱和的萃取剂接触，而新鲜萃取剂与经过几段萃取处理后的低浓度废水接触，这样可相对增大传质过程的推动力（ΔC），节省萃取剂用量，同时可提高萃取效率。

为了增加两相之间的接触面积（F），提高传质速率（G），一般在萃取罐内设置搅拌装置，搅拌器转速约为300r/min，搅拌时间为15min左右。然后把它们排放到分离罐进行静置分离，废水在分离罐内的沉淀时间约30min。

经过几段萃取后，根据物料平衡关系可推导出废水中溶质的残余浓度为：

式中，C_n为经n段萃取后废水中溶质（杂质）的浓度；C₀为废水中溶质（杂质）的原始浓度；K为分配系数；b为萃取剂量（q）与污水量（Q）之比，b>1/K；n为萃取段数，一般取2～4。

由于间歇萃取操作麻烦，设备笨重，因此只适用于小量废水的处理。

②连续萃取　连续萃取多采用塔式逆流方式。将废水和萃取剂同时通入一个塔中，相对密度大的从塔顶进入，从塔底流出；相对密度小的从塔底进入，从塔顶流出。在萃取剂与废水逆流相对运动中完成萃取过程。由于是逆流操作，因此新鲜萃取剂进入塔后先遇到低浓度废水，提高了萃取效率。

目前连续萃取设备种类很多，有填料塔、筛板塔，还有外加能量的脉冲填料塔、脉冲筛板塔、转盘塔以及离心萃取机等。

1）填料塔。填料塔的结构如图3-20所示。塔中填料（如瓷环）的作用是不断地打碎萃取剂液滴，从而产生新的接触面，提高传质效率。填料塔的特点是设备简单、造价低、操作容易，可以处理腐蚀性物料。但处理能力小，效率不高，悬浮物高时填料易堵塞。

2）往复叶片式脉冲筛板塔。往复叶片式脉冲筛板塔的构造如图3-21所示。相对密度大的液体自塔上部进入，相对密度小的由下部进入。塔的中部为萃取工作段，是进行传质的主要部位，上下两个扩大部分为分离区，是轻重液相分层区域。工作段内有一根纵向轴（中心轴），轴上安装了多块穿孔的筛板，中心轴在塔顶电动机和偏心轮的带动下，使筛板做脉冲运动，造成了两相液体之间的湍流条件，从而加强了萃取剂与废水的充分混合，强化了传质过程。经过上下两个分离区，轻液由塔顶流出，重液由塔底流出。

根据生产实践经验，往复叶片式脉冲筛板塔的主要设计参数可采用：筛板间距200～400mm，筛板与塔体间隙5～10mm，筛板孔径6～8mm，呈正三角形排列，孔隙率20%～25%，脉冲强度=2×振幅×频率。脉冲筛板塔的萃取效率与振幅（mm）和频率（次/min）有重要关系，根据试验，脉冲强度一般在3000～4000mm/min为宜，振幅4～8mm，脉冲设备最好做成可调节的，以便通过实践找出最佳运行参数。

3）离心萃取机。离心萃取机的核心部件是转鼓，其构造如图3-22所示。转鼓内有许多层同心圆筒，每层的上端或下端有若干孔口。在轻相及重相输送泵的压力下，两相液体分别经过进液装置和夹套式立轴进入高速旋转的转鼓，转鼓转速达4700r/min。轻相进入转鼓壁处，沿螺旋流道向中心方向流动；重相进入转鼓中心处，沿螺旋流道由内向外流动。两相液体逆向穿越每个萃取筒的小孔时互相混合，充分接触。在螺旋流道中流动时，由于离心力的作用，轻相靠内层，重相靠外层。在这样的逆向对流中，两相反复混合和分离，多次萃取。

萃取后的重相在转鼓壁澄清区分离出夹带的轻相，轻相在中心澄清区分离出夹带的重相，然后两相沿各自的通道排出机外，完成整个萃取过程。由于离心萃取机的分离因数可高达6000，所以两相的澄清区可产生较纯净的出流液，澄清效果远高于沉淀过程。

离心萃取机的特点是设备体积小，效率高，特别适用于两相密度差较小的液-液萃取，但电耗较大，较易堵塞，要求有较充分的预处理。