申请日2014.04.29
公开(公告)日2014.07.16
IPC分类号C02F9/02; C02F1/62; C02F1/26
摘要
本发明涉及一种废水中重金属离子旋流强化萃取方法及装置，该方法包括旋流乳化、混合萃取、旋流分离及聚结深度分离等四个过程，针对含重金属废水，将旋流混合、分离，重力沉降与聚结分离相结合，形成了重金属离子高效萃取及快速深度分离萃取剂的方法，本工艺的优势是萃取分离时间短、效率高，并采用艺预分离、深度分离的组合分离工彻底去除净化水中的萃取剂，保证净化水的纯度及萃取剂的回收率。本装置占地面积小、萃取剂使用量少、操作维护成本低，弥补了传统萃取分离会引入二次污染的不足，能达到绿色环保的要求，可广泛应用于废水处理领域。
权利要求书
1.一种废水中重金属离子旋流强化萃取方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：含重金属离子的废水与有机萃取剂分别经由各自的动力单元，按一 定压力和流量比例，先进入旋流预混合萃取单元，受到所述旋流预混合萃取单元 中旋流剪切力的乳化混合作用，然后进入螺旋静态混合萃取单元，通过所述螺旋 静态混合萃取单元中内部螺旋元件进行切割、剪切、分流、旋转和重新汇合，使 得有机萃取剂乳化、良好分散混合并充分萃取所述重金属;
步骤2：步骤1中经过萃取后的混合液体进入旋流萃取分离单元，在所述旋 流萃取分离单元中进行二次萃取及不相溶的两相的快速分离;两相分离后，含有 萃取剂的比重大于水的有机相从底流口流出回收，净化水相从溢流口流出单元。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述净化水相和所述有机相中的 萃取剂按如下方法进行深度分离：
从溢流口流出的所述净化水相进入深度聚结分离净化单元，分别流经高效波 纹板聚结分离段和亲油纤维深度聚结分离段，使得所述净化水相中夹带的少量萃 取剂深度分离，得到再次净化的水相;
含有大量萃取剂的从底流口流出的所述有机相进入深度聚结分离回收单元， 分离后的萃取剂通过收集器回收利用，分离后的水返回含重金属废水动力单元入 口，再次进入装置中循环，直至饱和后;所述深度聚结分离回收单元中的高效波 纹板聚结分离段与亲油纤维聚结分离段不直接连通。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中所述有机萃取剂与含重 金属离子的废水的体积流量比为0.1～5%，废水中重金属离子浓度为0.1～ 1000ppm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述底流口萃取剂回收率为90～ 99%，操作压降为0.1～0.2MPa。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述再次净化的水相从所述深度 聚结分离净化单元的水出口流出，进入二次净化单元;所述二次净化单元选自膜 过滤分离装置、多孔吸附分离装置或磁分离装置。
6.一种实现如权利要求1至5中任一所述方法的装置，其特征在于，所述装置 包括依次连接的旋流预混合萃取单元、螺旋静态混合萃取单元、旋流萃取分离单 元、深度聚结分离回收单元、深度聚结分离净化单元;
其中，所述旋流预混合萃取单元包括两个对称的进水口和两个对称的萃取剂 入口、乳化混合萃取腔和轴向排出管，含重金属离子的废水和萃取剂以一定压力 和流量比由各自切向进口进入所述乳化混合萃取腔中进行初步乳化混合和萃取， 混合后液体通过轴向排出管排出并进入与所述旋流预混合萃取单元串联的所述 螺旋静态混合萃取单元;
所述螺旋静态混合萃取单元由扭向交替变化的螺旋片组成，在此完成萃取剂 的进一步乳化混合萃取工作;
所述旋流萃取分离单元是液-液分离水力旋流器，设有两个对称入口、用以 排出分离后废水的溢流口以及用以排出分离后的萃取剂的底流口;
所述深度聚结分离净化单元包括高效波纹板聚结分离段和深度纤维聚结分 离段两段联通的筒体，所述深度聚结分离净化单元的入口设有布液器以使流体流 场稳定，出口设有萃取剂收集器，方便萃取剂聚集回收;
所述深度聚结分离回收单元包括高效波纹板聚结分离段和深度纤维聚结分 离段，且该两个分离段不直接连通;两个分离段分别在其入口设有布液器、在出 口设有萃取剂收集器;流体先经过此处的高效波纹板聚结分离段，分离后的废水 再进入此处的深度纤维聚结分离段。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置还包括二次净化单元， 该单元选自膜过滤分离装置、多孔吸附分离装置或磁分离装置，对深度聚结分离 净化单元流出的净化水进行二次净化。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述液-液分离水力旋流器为双切 向入口，是单一或者多个并联设置。
9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述深度聚结分离回收单元还包 括聚结材料，所述萃取剂收集器分别设有液位计。
说明书
一种废水中重金属离子旋流强化萃取方法及其装置
技术领域
本发明涉及节能环保领域，涉及一种萃取废水中重金属离子的旋流强化萃 取、旋流分离及聚结分离的方法，以离子液体萃取重金属离子为原型，确切的说 涉及一种萃取剂萃取去除废水中重金属的旋流乳化、混合萃取、旋流分离及聚结 深度分离的方法与装置。
背景技术
重金属离子来源广泛，涉及化工、矿山、机械制造、冶金、电子和仪表等行 业。重金属污染具有隐蔽性、长期性和不可逆等特点，既可以直接进入水体、大 气和土壤，造成直接污染，也能在各种环境中相互迁移，造成间接污染。重金属 不能由微生物降解，在环境中只能进行形态间的相互转化，直接或间接地使人体 永久性中毒，引发多种疾病甚至致癌。因此控制重金属离子的排放已刻不容缓。 目前去除废水中重金属离子的方法包括化学沉淀、离子交换、生物絮凝、蒸发浓 缩、溶剂萃取等，但大多数工艺和设备成本高，效率低，操作复杂，后续处理困 难。其中液液溶剂萃取由于具有能耗低投资小设备简单适应性强分离效果好易于 连续操作等优点已成功用于废水中重金属的回收，但传统的有机萃取剂由于与水 有一定的互溶性而且挥发性大毒性强，会对环境造成二次污染。为克服传统萃取 分离的缺点，最近一些研究者尝试将功能化的离子液体用于废水中重金属离子的 去除和回收，并在实验室中取得了良好的效果，本申请正是基于以憎水型咪唑型 功能离子液体为萃取剂萃取废水中铜离子的工业应用为背景的。目前国内外尚未 见有离子液体萃取废水中重金属的工业化应用的报道，研究工作一直停留在实验 室阶段，本申请集萃取、分离、回收循环于一体，提供了一种可行的工业化实施 工艺与装置。
中国专利申请CN201310556596、发明人许萧等，公开了一种使用固体颗粒 吸附剂吸附水中重金属离子的旋流强化方法，涉及固相吸附重金属离子、旋流强 化吸附、旋流分离的方法与装置。本申请与其不同的是针对液相萃取剂并增加了 聚结深度分离单元。中国专利申请CN201410013074，发明人张剑，公开了一种 应用于石油化工油水两相非均相混合液模块化高效分离设备，其内件由整流段、 粗粒化、强化沉降分离、纳米纤维聚结分离几个部分组成，经过专利申请人的指 导，本申请的深度聚结分离单元采用了与其相似的原理，但该单元与其对比，应 用领域不同、分离相的性质不同、聚结材料的选择不同及其不需要回收循环，因 此在该段单元的装置设置上有很大差异。
发明内容
为了克服传统液-液溶剂萃取中萃取剂消耗量大、引入二次污染的不足，本 申请集萃取、分离、回收循环于一体，提供了一种废水中重金属离子的旋流萃取 及萃取剂深度分离的方法及装置。
具体的技术方案为：
一种废水中重金属离子旋流强化萃取方法，包括以下步骤：
步骤1：含重金属离子的废水与有机萃取剂分别经由各自的动力单元，按一 定压力和流量比例，先进入旋流预混合萃取单元，受到所述旋流预混合萃取单元 中旋流剪切力的乳化混合作用，然后进入螺旋静态混合萃取单元，通过所述螺旋 静态混合萃取单元中内部螺旋元件进行切割、剪切、分流、旋转和重新汇合，使 得有机萃取剂乳化、良好分散混合并充分萃取所述重金属;
即，在该步骤中，由于高速旋转受到旋流剪切力的作用萃取剂将乳化成小液 滴成为分散相分散于废水中并萃取重金属离子，旋流预混合萃取单元的作用是乳 化、预混合、萃取，之后混合流体进入螺旋静态混合萃取单元，受内部螺旋元件 的切割、剪切、分流、旋转和重新汇合，从而达到萃取剂乳化、良好分散混合、 充分萃取的目的;
步骤2：步骤1中萃取后的混合液体进入旋流萃取分离单元，在所述旋流萃 取分离单元中进行二次萃取及不相溶的两相的快速分离;两相分离后，含有萃取 剂的比重大于水的有机相从底流口流出回收，净化水相从溢流口流出单元;
即，在该步骤中，萃取后液体进入旋流萃取分离单元，在此单元利用不同密 度、不相溶的两相在旋流器中高速旋转产生的离心场和旋流场达到分离的目的， 高流速旋转同时具有乳化、分散和分离的作用，可以完成进二次萃取及萃取剂与 水的分离过程，萃取剂比重大于水因此萃取剂从底流进行回收，净化水从溢流流 出单元。
所述净化水相和所述有机相中的萃取剂按如下方法进行深度分离：
从溢流口流出的所述净化水相进入深度聚结分离净化单元，分别流经高效波 纹板聚结分离段和亲油纤维深度聚结分离段，使得所述净化水相中夹带的少量萃 取剂深度分离，得到再次净化的水相;
上述再次净化的原理为：溢流液体带有少量微小粒径的萃取剂进入深度聚结 分离净化单元，入口设置布液器以使流场流态稳定，然后流体分别流经高效波纹 板聚结分离器和深度纤维聚结分离器，高效波纹板聚结分离器选用表面具有亲油 疏水性质的开孔波纹板材料，将“浅池原理”和“聚结技术”有效相结合，当含 油(有机萃取剂为亲油性，简称油)废水通过聚结板堆时波纹板的曲折通道迫使 水流形成近似正弦波的流态，从而增大油珠间的碰撞几率，促使小油滴的聚结。 聚结材料的表面性质和板组结构是影响分离效率的关键，波纹板的聚结机理是 “润湿聚结”和“碰撞聚结”，油珠沉集分离的过程大体上是这样的：由于波纹 板是亲油的，因此首先在波纹板表面形成一层油膜，随着水流的不断经过，油膜 逐渐加厚，借助油的表面张力形成一定大小的油珠之后，受油珠本身重力及水流 冲力使油珠脱落，随水流经波谷处沉油孔下沉。再者由于波纹板是波浪形的，流 向不断发生变化，增加碰撞几率使小油珠变大，根据Stocks公式，油珠沉降速 度与油珠粒径的平方成正比，且大油珠比表面积变小与水的表面张力相对变小， 因此加速了油珠沉降，达到了油水分离的目的。深度纤维聚结分离器由不同亲油 或亲水性的几种纤维材料编制而成，主要聚结机理是“碰撞聚结”，纤维状的材 料组成的聚结床层，其空隙均构成互相连续的通道，犹如无数根直径很小的交错 的微管，但含油废水流经床时，两个或多个油滴会同时与管壁碰撞或相互碰撞， 其冲量将使它们合成一个较大的油珠，从而达到逐渐长大，最后完成分离;
含有大量萃取剂的从底流口流出的所述有机相进入深度聚结分离回收单元， 分离后的萃取剂通过收集器回收利用，分离后的水返回含重金属废水动力单元入 口，再次进入装置中循环，直至饱和后;所述深度聚结分离回收单元中的高效波 纹板聚结分离段与亲油纤维聚结分离段不直接连通。
由于底流液体含有大量萃取剂进入深度聚结分离回收单元，回收单元的分离 原理与净化单元的相同，在聚结材料中油滴经过截留、聚结、迁移和释放的粗粒 化过程完成分离，不同的是在此单元中高效波纹板聚结分离段与深度纤维聚结分 离段是分开的，由于底流含油量太大因此采用分开分离的方法以方便萃取剂的回 收，首先经过高效波纹板聚结段大部分的有机试剂会分离出来，经过下部的收集 器进入萃取剂罐回收循环，然后含有少量油的液体进入深度纤维聚结分离段进行 深度分离，分离后的萃取剂通过收集器回收利用，分离后的水与含重金属废水一 同进入动力单元，再次进入装置中循环。
步骤1中所述有机萃取剂与含重金属离子的废水的体积流量比为0.1～5%， 废水中重金属离子浓度为0.1～1000ppm。
萃取剂与含重金属废水在旋流萃取分离单元中，经过高流速旋转具有乳化、 分散的作用完成二次萃取;依靠不同密度、不相溶的两相在旋流器中高速旋转产 生的离心场和旋流场完成萃取剂与废水的快速分离过程，所述底流口萃取剂回收 率为90～99%，操作压降为0.1～0.2MPa。
旋流萃取分离单元的溢流流体进入深度聚结分离净化单元，依次流经高效波 纹板聚结分离段和深度纤维聚结分离段，此单元将“浅池原理”和“聚结技术” 有效相结合，在聚结材料中油滴(萃取剂亲油性简称油，下同)经截留、聚结、 迁移和释放的粗粒化过程完成分离，通过对聚结材料的选择和材料结构的优化， 可以将粒径1μm以上的油滴分离完全，本单元出口净化水中的油含量可以达到 5ppm以下。
所述再次净化的水相从所述深度聚结分离净化单元的水出口流出，进入二次 净化单元;所述二次净化单元选自膜过滤分离装置、多孔吸附分离装置或磁分离 装置，以彻底去除净化水中的有机萃取剂，保证萃取分离后无萃取剂的引入，达 到绿色环保要求。
实现上述任一方法的装置，所述装置包括旋流预混合萃取单元、螺旋静态混 合萃取单元、旋流萃取分离单元、深度聚结分离回收单元、深度聚结分离净化单 元;
其中，所述旋流预混合萃取单元包括两个对称的进水口和两个对称的萃取剂 入口、乳化混合萃取腔和轴向排出管，含重金属离子的废水和萃取剂以一定压力 和流量比由各自切向进口进入所述乳化混合萃取腔中进行初步乳化混合和萃取， 混合后液体通过轴向排出管排出并进入与所述旋流预混合萃取单元串联的所述 螺旋静态混合萃取单元;
所述螺旋静态混合萃取单元由扭向交替变化的螺旋片组成，在此完成萃取剂 的进一步乳化混合萃取工作;
所述旋流萃取分离单元是液-液分离水力旋流器，设有两个对称入口、用以 排出分离后废水的溢流口以及用以排出分离后的萃取剂的底流口;
所述深度聚结分离净化单元包括高效波纹板聚结分离段和深度纤维聚结分 离段两段联通的筒体，所述深度聚结分离净化单元的入口设有布液器以使流体流 场稳定，出口设有萃取剂收集器，方便萃取剂聚集回收;
所述深度聚结分离回收单元包括高效波纹板聚结分离段和深度纤维聚结分 离段，且该两个分离段不直接连通;两个分离段分别在其入口设有布液器、在出 口设有萃取剂收集器;流体先经过此处的高效波纹板聚结分离段，分离后的废水 再进入此处的深度纤维聚结分离段。
所述装置还包括二次净化单元，该单元选自膜过滤分离装置、多孔吸附分离 装置或磁分离装置，对深度聚结分离净化单元流出的净化水进行二次净化。
所述液-液分离水力旋流器为双切向入口，是单一或者多个并联设置。
所述深度聚结分离回收单元还包括聚结材料，所述萃取剂收集器分别设有液 位计。
较佳的，所述萃取剂与含重金属离子的废水体积流量比为1～2%，废水中重 金属离子浓度为0.1～200ppm，铜离子的萃取效率为97～99%
较佳的，所述旋流萃取分离单元，经过优化设计的此单元的底流萃取剂回收 率能达到98%。
较佳的，所述萃取分离单元中依靠离心场和旋流场完成萃取剂的分离，进口 压力为0.10～0.30MPa。
较佳的，所述深度聚结分离净化单元，在此单元流体依次流经高效波纹板聚 结分离段和深度纤维聚结分离段，此单元将“浅池原理”和“聚结技术”有效相结 合，在聚结材料中油滴经过截留、聚结、迁移和释放的粗粒化过程完成分离通过 挑选合适的聚结材料和材料结构的优化，可以将粒径1μm以上的油滴分离完全， 本单元出口净化水中的油含量可以达到5ppm以下。
本发明的有益效果在于：本发明采用的萃取及分离方法，首先是利用旋流预 混合萃取和螺旋静态混合萃取单元产生的旋转及变化的流场完成萃取剂的乳化、 混合及对重金属离子的充分萃取;然后通过旋流萃取分离单元产生的离心场和旋 流场对混合液进行二次萃取及快速高效的分离;之后利用深度聚结分离净化单元 对溢流液体进行深度聚结分离，分离后的萃取剂通过收集器进行回收循环利用， 分离后的净化水进入二次净化单元进行更进一步的净化处理;利用深度聚结分离 回收单元对底流液体进行两段式分离，分离后的萃取剂通过收集器进行回收循环 利用，分离后的水与含重金属废水一同进入动力单元再次进入装置中循环;二次 净化单元可以根据具体的环保要求，选择是否需要及使用单一或组合的方式来达 到更高的环保要求。
本发明所述方法中，旋流预混合萃取单元和螺旋静态混合萃取单元具有快速 乳化、均匀混合、充分萃取的特点，无需专门的乳化萃取机;旋流萃取分离单元 具有二次萃取及快速高效分离的特点;深度聚结分离单元可以完成微量微粒径的 萃取剂的深度分离，使萃取剂的回收循环效率高，避免了二次污染的引入;这些 设备都为静设备，因此该方法具有处理量大、工作长期稳定及绿色节能环保的优 点，并且设备操作简单、占地面积小，克服了传统萃取分离法中萃取剂耗量大及 引入二次污染的问题，可广泛应用于含有重金属离子的废水处理过程。