離子交換樹脂在廢水處理中的應用

王林江，佟建超

（中海油天津化工研究設計院有限公司，天津 300131）

水資源污染問題在當下已經成為影響到我國民生經濟發展的關鍵問題，而工業廢水則是造成水體污染的主要原因之一，廢水排放至水體中，會造成水體內和周圍土壤重金屬含量超標，不僅會影響水體周圍居民的日常生活和身體健康，還會給水體附近的生態環境帶來巨大負擔。離子交換樹脂法是常見的工業廢水處理方法，對于含汞、銅等重金屬的廢水處理能夠取得顯著成效。與其他處理方法相比，離子交換樹脂在廢水處理中的應用，具有凈化程度深、效率高、幫助回收金屬等多種優勢，在未來水污染治理領域擁有良好的應用前景。

1 離子交換樹脂概述

離子交換樹脂是一種功能高分子材料，其內部含有離子交換基團。根據交聯聚合物品種的不同，可以將離子交換樹脂分為酚醛系樹脂、苯乙烯系樹脂、環氧系樹脂等。以離子交換樹脂包含官能團的性質作為劃分依據，可分為強酸型、強堿型、弱酸型、弱堿型、螯合型等幾類，按照不同的樹脂形態將離子交換樹脂分成大孔型和凝膠型[1]。此外，離子交換樹脂還可以根據用途劃分為脫色樹脂、水處理樹脂、催化樹脂等。離子交換樹脂功能十分廣泛，在廢水處理領域，其應用過程中主要體現的是吸附性、交換性等性能，其中大孔離子交換樹脂具有抗污染能力強、處理穩定性高、離子交換速度快等多個優點，被廣泛應用于工業廢水處理領域。隨著我國可持續發展理念的提出，以及一系列環保政策的出臺，國家愈發重視工業廢水排放問題，排放標準也一再提高，應用離子交換樹脂進行廢水處理是滿足國家發展需求的必然選擇。尤其樹脂可以再生，且應用起來十分簡便，既可以節約原材料使用，還能縮減廢水處理流程，同時還可以對部分稀有貴重金屬進行處理回收，應用效果十分理想。

2 離子交換樹脂在廢水處理中的具體應用

2.1 處理含銅廢水

在工業廢水中，銅廢水比較常見，通常產生于礦山、有色金屬冶煉、電鍍等工業生產加工過程中。銅廢水中含有大量的銅離子，這些銅離子會對不同種類生物體造成不同程度的影響和危害，且會隨著食物鏈流動出現富集現象。其中，軟體動物及海草對銅離子反應較大，水體中銅離子濃度超過10μg/L便超出了其承擔范圍。人體對銅離子的攝入也比較敏感，過量銅離子會引發腹痛、嘔吐等癥狀，更嚴重時會造成人體肝硬化，對人體危害極大[2]。

對于含銅廢水處理，傳統的處理方法是沉淀銅法，處理過程主要是借助金屬的還原性，事先準備一個裝有鐵屑的流槽，含銅廢水通過后銅離子會在鐵屑表面被還原為單質銅，可以將沉積在流槽中的銅金屬進行處理回收。此種方式適用范圍較窄，對于低濃度的銅廢水處理效果不明顯，只適用于含銅離子濃度較高的廢水。離子交換樹脂也能夠在含銅廢水中起到良好的處理效果，不少學者對此方法展開研究，本文對其中幾種進行簡單介紹。

（1）氨基磷酸螯合樹脂。與其他螯合樹脂相比，氨基磷酸螯合樹脂具有更強的吸附功能，這是因為氨基磷酸螯合樹脂屬于鈉離子型螯合樹脂，與氫離子型螯合樹脂相比，對廢水中銅離子的吸附性提高近30%[3]。此外，氨基磷酸螯合樹脂處理廢水使用的裝置比較簡單，很容易操作使用，經實踐證明經氨基磷酸螯合樹脂處理后的銅廢水中，銅離子濃度可降至不超過0.15mg/L。

（2）含醚鍵離子交換樹脂。含醚鍵離子交換樹脂由苯氧基乙酸和甲醛為原料合成，對銅廢水能夠起到良好處理效果，但應用過程中應用效果會受到溶液溫度、酸堿性的影響。通過對含醚鍵離子交換樹脂吸附性的深入分析，得出含醚鍵離子交換樹脂在含銅廢水處理中的最佳應用條件：水溶液溫度為25℃，pH值為4.5，在此條件下含醚鍵離子交換樹脂的吸附性最強，飽和吸附量能夠達到約2.3mol/kg，去除率高達97%。

（3）大孔強酸型離子交換樹脂。與其他樹脂相比，大孔強酸型離子交換樹脂在銅廢水中的應用效果最穩定，樹脂溶脹率偏低，且離子交換容量較大[4]。經大孔強酸型離子交換樹脂處理后的銅廢水中，銅離子濃度可低至0.1μg/mL，應用效果十分明顯，因此常被用于含銅廢水處理。

2.2 處理含汞廢水

在正常情況下，自然水體中含有大量汞元素，當工業含汞廢水大量排入水體后，水體中含汞濃度嚴重超標，這些汞由浮游生物攝入體內后，經食物鏈流動會被大量魚類吞食，在魚類體內呈富集狀態。水體受到汞污染后，魚類體內含汞量遠超過0.2×10-6，會引發汞中毒。人體進食汞中毒魚類后，會出現四肢麻痹、情緒失控等癥狀，更嚴重時會造成中樞神經系統損傷，甚至失明殘疾。

對于含汞廢水處理，傳統的處理方式為硫化鈉-明礬化學凝聚沉淀法，這種方法屬于對廢水的二級處理。含汞廢水中含有大量有機汞、無機汞和金屬汞，成分十分復雜，因此在使用硫化鈉-明礬化學凝聚沉淀法對含汞廢水進行處理時，難以控制好硫酸鈉的準確用量以及酸化pH值，經此方法處理后的汞廢水中汞濃度依舊處于0.05～0.5mg/L，處理效果不夠明顯，難以達到廢水排放標準[5]。針對這一情況，含汞廢水處理大多會選擇應用離子交換樹脂法，同屬于二級處理系統的離子交換樹脂法除汞，具有穩定性強、封閉循環、經濟性強等明顯優勢，經此方法處理后的含汞廢水，不僅水體中含汞量能夠達到排放標準，水體顏色也會經脫色處理變得清澈透明。其中，大孔巰基離子交換樹脂對含汞廢水處理效果極佳，樹脂上的巰基具有較強的吸附性，將經樹脂吸附在表面的汞離子通過濃鹽酸洗脫后，可以對其進行處理回收。經大孔巰基離子交換樹脂處理后的含汞廢水中汞含量可以低至0.05mg/L，處理效果非常理想。

2.3 處理含鉻廢水

在含鉻廢水中，鉻離子通常以兩種形式存在，其中六價鉻離子的毒性要超出三價鉻離子約100倍，排入水體后會對水體及周邊環境造成極大的危害。含鉻廢水主要由礦石加工、金屬處理、皮革制造等行業生產加工過程中排放，由于含鉻廢水對生態環境危害較大，甚至會威脅到周邊居民的身體健康，國家規定，只有含鉻量不超過0.05mg/L的廢水才可以排放至自然水體中[6]。

對于含鉻廢水處理，傳統的處理方法有混凝沉淀法、電解法等，其中混凝沉淀法通常被用于pH值較高的含鉻廢水中，能夠對六價鉻離子進行部分去除，但此種方法在應用過程中會混凝沉淀形成污泥，沉積在水體中造成二次污染，因此不推薦使用。離子交換樹脂在含鉻廢水處理中的應用，在國外比較廣泛，其中大孔弱酸離子交換樹脂效果顯著，具有較強的抵抗有機污染能力，其應用過程中機械破損也相對較少。強酸陽離子交換樹脂可以對廢水中的金屬鉻和鎘起到良好的處理回收作用，鉻廢水中的三價鉻離子可以使用螯合樹脂去除，六價鉻離子可以使用二甲基離子交換樹脂進行處理。近些年，國內對于離子交換樹脂在含鉻廢水處理中的應用也展開了一系列研究。經實踐證實，陰離子交換樹脂對于含鉻濃度較高的廢水，能夠達到理想處理效果。通過對處理過程中各項影響條件的觀察發現，離子交換樹脂能夠有效去除含鉻廢水中毒性較強的六價鉻，處理效果十分明顯[7]。

2.4 處理含酚廢水

大多數含酚廢水通常由煤礦、石油等工業生產加工過程中排放，酚對動植物和人體健康危害極大，含酚廢水會對自然水域造成嚴重污染。與此同時，酚作為一種用途廣泛的有機試劑，十分貴重，因此根據國家環保政策和可持續發展政策要求，含酚廢水必須經過科學的處理回收后，才能排入自然水域中。常用的含酚廢水處理方法較多，包括生物濾池法、活性污泥法、離子交換法等，其中離子交換樹脂的應用效果極佳。大孔吸附樹脂能夠在含高濃度酚的廢水處理中，體現較強的吸附性能和脫附性能，應用過程中對酚的吸附量高達600mg/L，對酚的回收率高達96%。大孔吸附樹脂可以多次使用，再生性較強，吸附性能不會因多次利用受到較大影響，具有較強的經濟性[8]。經多次實踐證實，大孔吸附樹脂CHA-111對于含酚廢水的吸附性和脫附性遠超于美國的AmberhteXAD-2以及國產的X-5，有良好的應用前景。弱堿離子交換樹脂在含酚廢水中的應用，具有設備操作簡單、處理成本低、處理效果明顯等優勢，且弱堿離子交換樹脂再生性較強，可以重復使用，能夠減少資源浪費，屬于比較理想的含酚廢水處理方法。陰離子交換樹脂也可以去除廢水中的酚，適用于含酚量在100～600mg/L的廢水處理，不僅可以回收部分酚，還能凈化水質。研究人員在對幾種樹脂進行同條件檢測后發現，大孔樹脂對酚的吸附性最佳，且應用效果十分穩定，解析也十分徹底，因此大孔樹脂最適合用于含酚廢水的處理[9]。

2.5 處理含氰廢水

含氰廢水主要由金屬冶煉、電鍍、制革、選礦等行業生產加工過程中排放。含氰廢水中的氰化物屬于劇毒物質，人體攝入后會迅速和體內高鐵細胞色素酶結合，影響氧氣運輸，引發組織窒息，嚴重威脅到人類的生命安全。而且，氰化物還屬于二類污染物，不經處理排放至自然水域中會污染水源、損害農田，對水體附近的生態環境造成嚴重破壞。通常情況下，含氰廢水的主要成分有絡合氰化物和簡單氰化物兩種，其中絡合氰化物的毒性相對較弱，但鋅氰和鎘氰絡合物溶液對魚類會造成較大危害，鐵氰絡合物在一般情況下毒性不太明顯，但若經陽光直射會發生光解反應，光解產生的HCN是劇毒物質。

對于含氰廢水處理，傳統的處理方式包括二氧化硫-空氣法、氯氧化法、酸化回收法等，這些處理方法通常成本較高、設備操作煩瑣，不僅對含氰廢水處理效果不明顯，還可能生成沉淀物造成水體的二次污染，因此傳統的含氰廢水處理方法難以滿足當下國家環保政策和可持續發展政策要求，推廣應用受到限制。對此，研究人員通過探索研究，確定離子交換樹脂也能夠在含氰廢水處理中達到良好的應用效果[10]。其中，陰離子交換樹脂LSD-263效果極佳，適用于低濃度含氰廢水處理，經其處理后的含氰廢水中氰含量可低至1.04mg/L。但是由于陰離子交換樹脂飽和吸附容量有限，因此不適用于高質量濃度的含氰廢水處理，高濃度含氰廢水對樹脂的用量、再生頻率要求較高，而在高濃度廢水中，陰離子交換樹脂會迅速達到飽和狀態，因此陰離子交換樹脂法并不適配高濃度的含氰廢水處理。我國化工行業還在不斷發展，研究人員一直在研究開發具有高飽和吸附容量的離子交換樹脂，處理穩定性和處理效果也在不斷提升，在未來擁有廣闊的發展空間。

3 結束語

經實踐證實，傳統的廢水處理方法大多存在處理成本高、效果不明顯、造成二次污染等不足之處，針對這些問題，離子交換樹脂在廢水處理中的應用具有明顯優勢。近幾年，離子交換樹脂已經在廢水處理領域被廣泛應用，因此有大量寶貴的經驗值得借鑒，此方法的應用不僅可以通過離子交換起到良好的廢水處理效果，還具備一定的回收功能，能夠回收處理廢水中的金屬元素，在保護環境的基礎上，還能產生一定的經濟效益。但是離子交換樹脂法也存在一些問題，如樹脂中毒、再生、老化等問題，還需對此方法進行不斷研究，有針對性地改良優化，使其在廢水處理領域擁有更廣闊的發展空間。