強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂在模擬含鎳廢水處理中的應(yīng)用研究

嚴(yán)義芳，曹為民，陳福北

（廣西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院石油與化學(xué)工程系，廣西 南寧 530001）

強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂在模擬含鎳廢水處理中的應(yīng)用研究

嚴(yán)義芳，曹為民，陳福北

（廣西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院石油與化學(xué)工程系，廣西 南寧 530001）

以模擬鎳廢水作原料，001×7強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂作為吸附劑，采用正交試驗法研究得出強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂—鎳溶液體系中分配系數(shù)的最佳條件是：樹脂用量60 mL，模擬鎳廢液用量為15 mL，硫酸用量10 mL，其中影響最大的因素是溶液用量，其次是樹脂用量，影響最小的是硫酸用量。采用單因素實驗法得出：交換系數(shù)及交換容量與平衡pH值之間呈現(xiàn)直線關(guān)系，交換系數(shù)和交換容量隨著平衡溶液pH值的增大而增大。

強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂；鎳廢水；處理；分配系數(shù)；交換容量

在我國，電鍍廢水處理經(jīng)過50多年的發(fā)展，主要的處理方法有：化學(xué)法、離子交換法、電解法和膜分離技術(shù)等，在這些處理方法中，離子交換法有出水水質(zhì)好，可回收有用物質(zhì)，工藝簡單、投資少、效果好等優(yōu)點。在廢水處理中，離子交換主要用于回收和去除廢水中的鎳、銅、鋅等重金屬離子。近年來，隨著人們對電鍍廢水資源的興趣越來越濃厚，離子交換技術(shù)作為電鍍廢水的深度處理方法再度引起人們的重視［1～5］。

本文選用001×7強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂對鎳模擬廢液進(jìn)行了吸附研究，用正交試驗法研究樹脂用量、鎳廢水用量和硫酸用量對樹脂-鎳溶液平衡體系的分配系數(shù)的影響，得出了最佳的條件。利用單因素試驗法研究了平衡溶液的pH值、鎳廢液的初始濃度、固液比對平衡體系的分配系數(shù)和交換容量的影響，并得到了較好的結(jié)果，為離子交換法在含鎳廢水處理技術(shù)中的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 實驗部分

1.1 實驗藥品與儀器

1.1.1 實驗藥品

氯化氯化銨，氨水，紫脲酸銨，二甲酚橙，氯化鈉，EDTA，硫酸鎳，硫酸，氫氧化鈉，三乙醇胺，六亞甲基四胺（均為AR）。001×7強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂。

1.1.2 實驗儀器

50mL酸式滴定管；250 mL容量瓶；250 mL錐形瓶；50 mL、100 mL、500 mL燒瓶；PHS-3C 型酸度計。

1.2 實驗方案

1.2.1 新樹脂的預(yù)處理

將樹脂用去離子水浸泡24 h，然后用體積為樹脂體積的2倍、濃度為3%的鹽酸浸泡24 h，用去離子水洗滌至中性；接著用體積為樹脂體積的2倍、濃度為3%的NaOH浸泡24 h，用去離子水洗滌至中性；最后用體積為樹脂體積的2倍、濃度為3%的鹽酸浸泡24 h，將其轉(zhuǎn)化為氫型，用去離子水反復(fù)洗滌至中性后置于廣口瓶中密封備用。

1.2.2 鎳離子濃度的分析方法

用絡(luò)合滴定法，在氨性緩沖溶液（pH＝10）中，以紫脲酸銨作指示劑，用EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液直接滴定鎳離子。

1.2.3 溶液的標(biāo)定［6］

1.2.3.1 EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液的標(biāo)定

以鋅為基準(zhǔn)物的標(biāo)定，準(zhǔn)確稱取金屬鋅0.3～0.4 g，置于250 mL燒杯中，蓋好表明皿，然后滴加10 mL HCl溶液（1 ∶1），必要時微熱，使之完全溶解后，轉(zhuǎn)入250 mL容量瓶中，加水稀釋到刻度，搖勻。

移取25.00 mL Zn2＋標(biāo)準(zhǔn)溶液，置于250 mL錐形瓶中，加水約30 mL和二甲酚橙指示劑1～2滴，滴加 NH3·H2O 溶液，（1∶1）至溶液由黃色變?yōu)槌壬缓蠹? mL六亞甲基四胺溶液，用EDTA溶液滴定至溶液由紫紅色恰變?yōu)榱咙S色即為終點，根據(jù)滴定用去的EDTA溶液的體積計算EDTA溶液的濃度，計算公式如下：

經(jīng)計算EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度為0.02694mol·L-1

1.2.3.2 硫酸鎳溶液的標(biāo)定

吸取10 mL的硫酸鎳溶液置于250 mL容量瓶中，用水稀釋到刻度。移取10 mL試液，置于250 mL 錐形瓶中，加 1～2 mL 三乙醇胺（1∶2），25～30 mL水，加氨水調(diào)至微氨性，加入pH＝10氨性緩沖溶液，加適量紫脲酸銨指示劑，用EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液（C）滴定至溶液由暗黃色變?yōu)槌壬?，直至突變?yōu)榱磷霞t色為終點，消耗EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液體積記為 V（mL）。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理［7～10］

表1 其他數(shù)據(jù)表

表2 計算公式表

2 正交試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)分析

把樹脂量、溶液量、硫酸量3種原料加入250 mL的容量瓶中，稀釋到刻度，放置2 h，取出上層清液10 mL，用標(biāo)準(zhǔn)EDTA在規(guī)定的條件下進(jìn)行滴定，記下消耗EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，正交試驗與計算結(jié)果列于表3。

表3 L9（33）正交試驗及結(jié)果

試驗表明，各因素的影響次序是溶液用量＞樹脂用量＞硫酸用量，最佳工藝方案為：模擬鎳廢液用量為15 mL，樹脂用量60 mL，硫酸用量10 mL。

3 單因素試驗及結(jié)果分析

在正交試驗中對分配系數(shù)產(chǎn)生影響的因素有樹脂用量、溶液用量、硫酸用量，利用單因素實驗法研究各因素對分配系數(shù)和交換容量的影響規(guī)律。

3.1 單因素實驗

3.1.1 平衡pH值對分配系數(shù)及交換容量的影響

在 7個 250 mL的容量瓶分別加入 0、2、5、10、15、20、25 mL 硫酸和 40 mL 樹脂及 25 mL 硫酸鎳溶液，稀釋到刻度，放置2h。取清液10mL，根據(jù)2.2.2鎳離子濃度的分析方法分析平衡溶液鎳濃度，然后進(jìn)行有關(guān)計算，結(jié)果如圖1所示。

圖1 分配系數(shù)Ke交換容量Cs與平衡pH值的關(guān)系

3.1.2 初始鎳濃度對分配系數(shù)及交換容量的影響

在7個250 mL的容量瓶分別加入5、10、15、20、25、30、40 mL 硫酸鎳溶液和 20 mL 樹脂，稀釋至刻度，放置2 h。取一定體積的清液，根據(jù)2.2.2鎳離子濃度的分析方法分析平衡溶液鎳濃度，然后進(jìn)行有關(guān)計算，結(jié)果如圖2所示。3.1.3 固液比對分配系數(shù)及交換容量的影響

圖2 分配系數(shù)Ke交換容量與鎳初始濃度C0的關(guān)系

將 5、10、20、30、40、50、60 mL 樹脂和 25 mL（0.03235 mol）硫酸鎳溶液，分別加入到 7個250 mL的容量瓶中，稀釋到刻度，放置2 h。取清液10 mL，根據(jù)2.2.2鎳離子濃度的分析方法分析平衡溶液鎳濃度，然后進(jìn)行有關(guān)計算，結(jié)果如圖3所示。

圖3 分配系數(shù)Ke及交換容量Cs與固液比的關(guān)系

3.2 單因素影響分析

（1）從圖 1 看出，從 pH～Ke～Cs實驗數(shù)據(jù)點可以看出為一直線關(guān)系，將pH～Ke數(shù)據(jù)擬合直線方程為：Ke＝235.6515pH-178.23479，線性相關(guān)系數(shù)為：r＝0.97815。將pH～Cs數(shù)據(jù)擬合直線方程為：Cs＝0.52805 pH＋0.49815， 線性相關(guān)系數(shù)為： r＝0.93255。

（2）從圖1看出，交換容量Cs～pH的曲線斜率并不大，與pH-Ke直線的斜率235.6515相比小得多，說明溶液的pH值對交換容量的影響較小，而對分配系數(shù)的影響卻很大。

（3）從圖2中看出，分配系數(shù)在低的初始濃度范圍隨初始濃度變化的幅度很大，初始濃度從0.03 mol·L-1變化到 0.16 mol·L-1， 分配系數(shù)則大約從830變化到50，而在此初始濃度的變化范圍內(nèi)，交換容量只大約從0.5 mol·L-1變化到1.4 mol·L-1。當(dāng)初始濃度大于 0.16 mol·L-1后， 分配系數(shù)和交換容量隨初始濃度的變化均明顯緩慢。

（4）從圖 3 看到，Ke～Sv（分配系數(shù)-固液比）的擬合曲線方程為： Ke＝13.253＋294.245Sv＋2.566×103Sv2，相關(guān)系數(shù)為 R＝0.975，固液比增加，分配系數(shù)也增加，交換容量卻隨固液比增大而減小。

4 結(jié)論

（1）001×7強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂作為吸附劑，由正交試驗可知，強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂—鎳溶液體系中分配系數(shù)的最佳條件是：樹脂用量 60 mL，模擬鎳廢液用量為15 mL，硫酸用量10 mL，其中影響最大的因素是溶液用量，其次是樹脂用量，影響最小的是硫酸用量。

（2）采用單因素實驗法得出：交換系數(shù)及交換容量與平衡pH值之間呈現(xiàn)直線關(guān)系，交換系數(shù)和交換容量隨著平衡溶液pH值的增大而增大，且平衡溶液pH值對交換系數(shù)的影響比對交換容量的影響大得多；分配系數(shù)在低的初始濃度范圍隨初始濃度變化幅度很大，初始濃度從0.03 mol·L-1變化到 0.16 mol·L-1， 分配系數(shù)則大約從830降到到50，而在此初始濃度的變化范圍內(nèi)，交換容量只從 0.5 mol·L-1變化到 1.4 mol·L-1，當(dāng)初始濃度大于0.16 mol·L-1后，分配系數(shù)和交換容量隨初始濃度的變化均明顯緩慢；固液比增加，分配系數(shù)也增加，交換容量卻隨固液比增大而減小。本研究可為離子交換法在含鎳廢水處理技術(shù)中的應(yīng)用提供一定的理論指導(dǎo)。

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［4］ 馬小冷，劉曉東，周廣柱.電鍍廢水處理存在的問題及解決方案［J］.污染防治技術(shù)，2005，24（1）：57-61.

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［6］ 高職高?；瘜W(xué)教材篇寫組.分析化學(xué)實驗第二版［M］.北京：高等教育出社，1999.34.

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Treatment of Analogue Wastewater Containing Nickel with Strong Acid Cation Exchange Resin

YAN Yi-fang， CAO Wei-min，CHEN Fu-bei
（Department of Petrolchemical Engineering，Guangxi Vocational＆ Technical Institute of Industry，Nanning 530001，China）

The analogue wastewater containing Ni was treated with 001×7 strong acid cation exchange resin，the partition coefficient of strong acid cation exchange resin-nickel solution system was studied by orthogonal test， the optimal treatment conditions were： resin amount was 60mL； the analogue wastewater containing nickel amount was 15mL， and sulfate 10mL.Among them ，the most remarkable effect was solution amount， resin amount secondly， and sulfate influences least.According to single factor experiments， it was straight line relation between exchange coefficient， exchange capacity and pH value exchange coefficient，and exchange capacity were increased with increase of pH of solution.

strong acid cation exchange resin； wastewater containing nickel； treatment； partition coefficient；exchange capacity

X 703

A

1671-9905（2011）04-0047-04

嚴(yán)義芳，女，廣西賓陽人，主要從事精細(xì)化學(xué)品產(chǎn)品開發(fā)和產(chǎn)品性能方面的研究。通訊地址：廣西南寧市秀靈路37號廣西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院石油與化學(xué)工程系，聯(lián)系電話：0771-3825378，E-mail：yanyifang520＠163.com

2010-12-16