離子交換樹脂在水處理中的應(yīng)用

郭亞麗

（太原城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030027）

離子交換樹脂在水處理中的應(yīng)用

郭亞麗

（太原城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030027）

離子交換樹脂的用途十分廣泛，如工業(yè)領(lǐng)域中的分離、純化、回收、催化，化學(xué)分析中的純化、富集等都可用離子交換樹脂。隨著離子交換技術(shù)的不斷發(fā)展，樹脂在水處理領(lǐng)域的應(yīng)用不斷擴大，越來越顯示出它的優(yōu)越性，具有可深度凈化、效率高及能達到綜合回收等優(yōu)點。

離子交換樹脂；水處理；應(yīng)用

水處理工藝中，離子交換樹脂的用途十分廣泛。在給水處理中，可用于水質(zhì)軟化和脫鹽，制取軟化水、純水和超純水；在廢水處理中，可除去廢水中的某些有害物質(zhì)，回收有價值化學(xué)品、重金屬和稀有元素；在化工、生物制藥等方面，能有效地進行分離、濃縮、提純等。

離子交換工藝具有可深度凈化、效率高及可綜合回收等優(yōu)點。隨著工業(yè)向高技術(shù)發(fā)展，對工業(yè)用水的水質(zhì)也提出了更高純度的要求，此外，環(huán)境廢水的深度處理也變得更加必要，離子交換技術(shù)因而占有十分重要的地位。

一、原理

離子交換樹脂的單元結(jié)構(gòu)主要由三部分組成：不溶性的三維空間網(wǎng)狀骨架、連接在骨架上的功能基和功能基團所帶的相反電荷的可交換離子。在水溶液中，連接在離子交換樹脂固定不變的骨架上的功能基能離解出可交換離子，這些離子在較大范圍內(nèi)可以自由移動并能擴散到溶液中。同時，溶液中的同類型離子也能擴散到整個樹脂多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)部，這兩種離子之間的濃度差推動它們互相交換，其濃度差越大，交換速度就越快；同時由于離子交換樹脂上所帶的一定的功能基對于各種離子的親和力大小各不相同，所以在人為控制的條件下，功能基離解出來的可交換離子就可與溶液里的同類型離子發(fā)生交換。

陽離子交換過程可用下式表示：

陰離子交換過程可用下式表示：

式中R—樹脂本體；A、C—樹脂上可被交換的離子；B、D—溶液中的交換離子。

二、離子交換樹脂的應(yīng)用

1.鹽溶液中有用元素的提取和回收

從鹽類水溶液中提取有用元素，是利用離子交換樹脂能從溶液中有選擇性地吸附某種離子的特性。王敏用離子交換法處理錸含量為120mg/L的銅冶煉廠廢液進行了試驗研究，選用大孔強堿性樹脂D296進行交換，研究發(fā)現(xiàn)，D296對錸有較好的吸附作用，經(jīng)洗滌蒸餾后，可析出錸酸銨晶體產(chǎn)品。

金、鉑和銀都是價值極高和有重要用途的貴金屬，用離子交換樹脂從廢液中回收這些貴重金屬是很有價值的。這些金屬在廢液中總是以具有極高選擇性效應(yīng)的陰離子絡(luò)合物存在如等，因此即使在含有痕量貴金屬和高濃度鹽類的廢液中，也能用離子交換樹脂將其回收。

2.水的軟化

水中的Ca2+、Ma2+含量在0.4mmol/L以上時稱為硬水。如果硬水中含有HCO3-時，則加熱時會產(chǎn)生CaCO3和MgCO3沉淀，鍋爐在使用這種水時在運行中會有結(jié)垢，造成危害。離子交換法軟化水，是將水中的Ca2+、Mg2+除去，使水軟化，因此實質(zhì)是一種化學(xué)脫鹽法。軟化水系統(tǒng)一般以減少水中的鈣鎂離子的含量為主，有些軟化系統(tǒng)中還可以去掉水中的碳酸鹽，甚至還可以降低水中的陰陽離子的含量(即降低水中的含鹽量)。

3.除鹽水、純水、高純水的制備

純水是隨著工業(yè)對水質(zhì)要求的日益嚴(yán)格而不斷發(fā)展起來的。如半導(dǎo)體、集成電路的日趨微型化，工藝用水的純度要求越來越高，目前純水已經(jīng)成為集成電路的基礎(chǔ)材料之一。超純水制備中離子交換樹脂是最主要的純化手段，是脫鹽的關(guān)鍵。通過離子交換反應(yīng)將原水中的所有的溶解性的鹽類以及游離態(tài)的酸堿離子除去，可制取除鹽水。

（1）離子交換除鹽工藝

用離子交換樹脂制取去離子水的工藝過程是使原水先通過強酸性陽離子交換樹脂除去陽離子，再通過強堿性陰離子交換樹脂去掉陰離子。選用何種除鹽水系統(tǒng)和設(shè)備主要依據(jù)出水質(zhì)量、系統(tǒng)產(chǎn)水量及進水水質(zhì)情況。

（2）純水、高純水的制備

純水或高純水在工業(yè)部門、科研機構(gòu)、尖端技術(shù)領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用。高純水除對水中殘余無機鹽的含量要求極嚴(yán)格以外，對水中的各種金屬離子的含量、有機物的含量、微粒粒徑、微生物的數(shù)量均有嚴(yán)格的指標(biāo)；純水系統(tǒng)的對象與高純水的相同，超純水系水質(zhì)接近于理論值的純水。

4.工業(yè)廢水的處理

近年來，隨著離子交換技術(shù)的不斷發(fā)展，樹脂在廢水處理領(lǐng)域的應(yīng)用不斷擴大，越來越顯示出它的優(yōu)越性。由于廢水排放標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)格，廢水處理正向著離子交換方向發(fā)展。應(yīng)用離子交換樹脂進行工業(yè)廢水處理，不僅樹脂可以再生，而且操作簡單、工藝條件成熟、流程短，目前在廢水處理方面得到了大量應(yīng)用。

（1）處理含汞廢水

陽離子交換樹脂，如001×7、SG-1等可用于處理以Hg2+形式存在的酸性廢水，而對于堿性廢水，可用弱酸樹脂處理，如KB-4P-2對汞的交換容量最高達9mmol/g。強堿性陰離子交換樹脂，如Amberlite、IRA400、Vionite、AT21、Dowel等對[HgCl4]2-的親和力很強，被普遍應(yīng)用于處理氯堿廠的含汞廢水。

葉一芳等通過多次試驗，選用了離子交換樹脂法。經(jīng)過近兩年的運行表明：（1）用樹脂交換法除汞作為化學(xué)法的二級處理系統(tǒng)，能保證達到排放標(biāo)準(zhǔn)，且能實現(xiàn)封閉循環(huán)、連續(xù)穩(wěn)定的運行，排放的廢水可作為冷卻水加以回用；（2）提高了生產(chǎn)能力，單位產(chǎn)品的成本降低，節(jié)約了治理費用；（3）應(yīng)用樹脂交換法還能對廢水起到脫色作用，處理的水清晰透明。失效后的樹脂不再回收，作為汞廢渣回收汞，防止了二次污染。因此，應(yīng)用離子交換法處理低濃度含汞廢水，有明顯的社會效益和經(jīng)濟效益。

（2）處理含銅廢水

較高濃度的銅對生物體有毒性，且排入水體的銅可通過食物鏈被生物大量富集，人體攝入過量銅會導(dǎo)致腹痛、嘔吐、肝硬化等。離子交換樹脂可有效地除去廢水中的Cu2+，以達到高度凈化，并有利于資源的再生。

陽離子交換樹脂001×7處理以Cu2+形式存在的含銅廢水，銅回收率達99%。對含Cu2+295mg/L，Zn2+3900mg/L，F(xiàn)e3+3140mg/L,調(diào)節(jié) pH 值后，用 Dualite A-30多胺環(huán)氧類弱酸樹脂處理，凈化效果良好。陰離子交換樹脂，如 201×7、Amberlite IRA68、IRA-93 等已成為處理冶金、電鍍等工業(yè)部門排出的銅絡(luò)離子廢水的主要材料。螯合樹脂對Cu2+具有很強的螯合能力，因此，螯合樹脂最適合于處理體系比較復(fù)雜、含銅量較低的含銅廢水。

（3）處理含酚廢水

酚是一種酸性物質(zhì)，因此可用強堿性陰樹脂處理含酚廢水。樹脂對酚吸附的好壞與酚液的濃度、pH值及所含雜質(zhì)有關(guān)，酚濃度越大，樹脂的吸附量越高；pH值以接近中性較好；酚液所含雜質(zhì)不同吸附情況也不相同，中性鹽的存在對吸附影響不大；此外，溫度越高，樹脂對酚的吸附量越低。用弱堿離子交換樹脂處理含酚廢水，設(shè)備簡單，操作方便，樹脂再生后可反復(fù)使用，成本低，處理效果好，是一種比較理想的處理方法。

張麗珍等通過試驗考察了四種樹脂處理含酚廢水的性能，結(jié)果表明：溶液的pH值和濃度是影響樹脂吸附酚的重要因素。溶液含酚濃度高，吸附好。吸附較佳的樹脂pH值各不相同，在試驗的四種離子交換樹脂中，大孔樹脂對酚的吸附量最高，解吸也最徹底，并且集中。主要因為大孔樹脂本身是苯乙烯骨架，與苯酚的結(jié)構(gòu)相似，具有較好的親和能力，對酚的吸附最好，四種樹脂中，大孔樹脂最適合用于含酚廢水的處理。

（4）處理含鉻廢水

鉻在水中主要以三價和六價形式存在，其中Cr6+毒性很大，大約是Cr3+的100倍，若水中Cr6+含量大于0.1mg/L，就會對人體產(chǎn)生毒害作用。含量超標(biāo)的含鉻廢水混入農(nóng)業(yè)灌溉或水體養(yǎng)殖中，經(jīng)食物攝入人體，將會引起癌癥，而且對人體皮膚、黏膜有刺激性，嚴(yán)重威脅人類的健康。

吳克明等選用D370弱堿性陰離子交換樹脂處理鋼鐵鈍化含鉻廢水，通過靜態(tài)試驗考查了pH、振蕩時間和離子交換樹脂用量對吸附效果的影響，使用反應(yīng)柱動態(tài)試驗法研究了樹脂的再生，得到了令人滿意的結(jié)果。陰離子交換樹脂處理鋼鐵鈍化含鉻廢水時對Cr6+有很好的去除效果，在Cr6+為116mg/L，pH為3左右時，動態(tài)試驗表明可實現(xiàn)Cr6+殘余濃度符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

（5）處理含鉬廢水

自20世紀(jì)60年代末期就有關(guān)于采用離子交換法從工業(yè)廢水中回收鉬的報導(dǎo)。迄今為止，離子交換法仍然是治理含鉬廢水的最主要方法。

張建國在研究低價鉬酸聚合物的201×7強堿性陰離子交換樹脂上的吸附機理后指出：低價鉬酸聚合物與樹脂的交換速度較鉬酸鹽慢得多。究其原因，認(rèn)為低價鉬酸聚合物主要以六聚合物與樹脂交換，而鉬酸鹽以四聚合物被吸附。且凝膠型樹脂的孔徑很小，故低價鉬酸聚合物在樹脂中的擴散阻力較大，導(dǎo)致交換速度較低。

隨著各種新型樹脂的研制成功，離子交換技術(shù)在重金屬工業(yè)廢水處理方面有較好的應(yīng)用前景。離子交換技術(shù)在治理重金屬工業(yè)廢水的同時，可實現(xiàn)金屬的回收利用，具有較高的經(jīng)濟合理性，對增加可利用資源和改善環(huán)境質(zhì)量具有十分重要的意義。但要擴大該技術(shù)在廢水處理方面的應(yīng)用領(lǐng)域，應(yīng)提高樹脂的強度和耐用性，使之連續(xù)使用較長時間。加強交換設(shè)備和樹脂的規(guī)范化工作，為該技術(shù)的普及應(yīng)用創(chuàng)造條件。

［1］李紅艷，李亞新，李尚明.離子交換技術(shù)在重金屬工業(yè)廢水處理中的應(yīng)用［J］.水處理技術(shù)，2008，（2）：12-15.

［2］雷兆武，孫穎.離子交換技術(shù)在重金屬廢水處理中的應(yīng)用［J］.環(huán)境科學(xué)與管理，2008，（10）：82-84.

［3］李紅艷，李亞新，岳秀萍.離子交換去除飲用水中有機物的研究進展［J］.工業(yè)水處理，2009，（4）：16-20.

［4］邵林.水處理用離子交換樹脂［M］.北京：水利電力出版社，1989.

［5］錢庭寶.離子交換劑應(yīng)用技術(shù)［M］.天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社，1984.

［6］王敏.從廢液中回收貴重金屬錸［J］.上海有色金屬，2002，（4）：169～170.

X5

A

1673-0046（2010）6-0171-02