利用陰離子交換樹脂處理模擬含鉻廢水的研究

嚴(yán)義芳，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，南寧530001）

利用陰離子交換樹脂處理模擬含鉻廢水的研究

嚴(yán)義芳，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，南寧530001）

以200 mL含Cr（Ⅵ）300 mg·L-1模擬廢水作為試驗(yàn)液，采取單因素試驗(yàn)法研究用201×7陰離子交換樹脂處理含鉻廢水，研究了在交換過程中不同的廢水pH值、處理時(shí)間、樹脂用量和廢水的流量對(duì)處理效果的影響。得出靜態(tài)交換的最佳工藝條件是：pH值為3～3．5，交換時(shí)間為3 h，樹脂用量為2．5 g，固定廢液初始濃度為300 mg·L-1，流速為20 BV·h-1（床層體積）。進(jìn)行動(dòng)態(tài)交換試驗(yàn)，得出可以處理廢水量約為65 BV·h-1，樹脂的吸附量在19．496 mg·g-1以上，處理后的清液達(dá)到65 BV時(shí)，Cr（Ⅵ）濃度仍符合國家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)。

陰離子交換樹脂；模擬；含鉻（Ⅵ）廢水；處理

水體中的鉻污染主要來自制革、電鍍及鉻鹽生產(chǎn)等排放的廢水，鉻在水中主要以三價(jià)和六價(jià)形式存在，其中六價(jià)鉻的毒性很大，大約是三價(jià)鉻的100倍，水中六價(jià)鉻的含量大于0．1 mg·L-1，就會(huì)對(duì)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(huì)引起癌癥，而且對(duì)人體皮膚、黏膜有刺激性，嚴(yán)重威脅人類的健康。國家明文規(guī)定工廠排出廢水含鉻（Ⅵ）最高濃度為0．5 mg·L-1［1～2］。 因此含鉻的廢水、廢渣的治理已成為全球關(guān)注的熱點(diǎn)。目前，國內(nèi)外治理鉻污染的方法甚多［3］，主要有化學(xué)處理法、離子交換處理法、電解處理法、吸附處理法、液膜分離法、生物化學(xué)法、不溶性淀粉黃原酸脂（ISX）處理法、超臨界處理法、離子浮選法等。

離子交換法是一種借助于離子交換劑上的離子和水中的離子進(jìn)行交換反應(yīng)而除去水中含鉻離子的方法。利用陰離子交換樹脂，可以有效地去除廢水中呈鉻酸根或重鉻酸根狀態(tài)的Cr（Ⅵ），利用陽離子交換樹脂則可以去除廢水中Cr（Ⅲ）及其它金屬離子。研究表明離子交換樹脂法具有處理效果好，設(shè)備簡單，操作方便，成本低，沒有二次污染等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于處理污染物濃度低、水量小、出水要求高的廢水［4～5］。

本文以模擬鉻廢水作為試驗(yàn)液，選用201×7強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂對(duì)含Cr（Ⅵ）廢水進(jìn)行處理，用單因素影響法研究離子交換樹脂處理含鉻廢水的最佳工藝條件，現(xiàn)將研究結(jié)果報(bào)告如下。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1．1 試劑和儀器

丙酮（AR）；重鉻酸鉀（AR）；二苯碳酰二肼（AR）；氫氧化鈉（AR）；鹽酸（AR）；強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂201×7（）。

pHS-3C pH計(jì)，721分光光度計(jì)，CL-3恒溫加熱磁力攪拌器。

1．2 實(shí)驗(yàn)方案

1．2．1 樹脂預(yù)處理

取適量201×7樹脂于燒杯中，加入4倍量去離子水浸泡18～20 h后沖洗至澄清，再加入4倍量1 mol·L-1的HCl溶液浸泡8 h后倒出酸液，用去離子水洗至中性；再加入4倍量1 mol·L-1的NaOH溶液浸泡8 h后倒出堿液，用去離子水洗至中性，減壓抽濾至不滴水，置于廣口瓶中備用。

1．2．2 原料制備

不同pH值模擬含鉻廢水：直接以重鉻酸鉀溶于去離子水中，用硫酸調(diào)節(jié)pH值，得到pH值分別為1、1．5、2、2．5、3、3．5、4、4．5、5，含Cr（Ⅵ）為300 mg·L-1的模擬含鉻廢水。

1．2．3靜態(tài)交換實(shí)驗(yàn)步驟

取具有一定pH值含Cr（Ⅵ）300 mg·L-1模擬廢水200 mL放入碘量瓶中，加入適量的樹脂，按設(shè)計(jì)好的時(shí)間進(jìn)行離子交換處理，處理結(jié)束后取出上層清液50 mL測定其吸光度值，再通過相關(guān)的計(jì)算公式計(jì)算處理后清液含Cr（Ⅵ）的濃度和樹脂的交換量。

1．2．4 動(dòng)態(tài)交換實(shí)驗(yàn)步驟

稱取5．0000 g（1BV）樹脂，置于交換柱中（樹脂層應(yīng)無氣泡），加入具有一定pH，含Cr（Ⅵ）300 mg·L-1的模擬廢水，使其以100 mL·h-1（約20 BV·h-1）的流速通過交換柱，間隔0.5~1 h收集1份50 mL體積的流出液，測其吸光度值，計(jì)算Cr（Ⅵ）濃度。以累積體積為橫坐標(biāo)，流出液的Cr（Ⅵ）濃度為縱坐標(biāo)作圖，確定廢液以100mL·h-1（約20BV·h-1）的流速通過交換柱時(shí)，樹脂處理廢水的能力，計(jì)算在動(dòng)態(tài)吸附的條件下樹脂吸附Cr（Ⅵ）的吸附量。

1．2．5 分析方案

采用二苯碳酰二肼分光光度法［6］，測定原理是在酸性溶液中，六價(jià)格與二苯碳酰二肼反應(yīng)生成紫紅色化合物，用721分光光度計(jì)于波長540 nm處測定溶液的吸光度。

（1）標(biāo)準(zhǔn)工作曲線的繪制

向9只50 mL比色管中分別加入0、0．20、0．40、0．60、1．00、1．50、2．00、2．50、3．00 mL鉻標(biāo)準(zhǔn)溶液（含鉻1．000 mg·L-1），用去離子水稀釋至標(biāo)線。準(zhǔn)確加入0．5 mL（1＋1硫酸溶液）、0．5 mL（1＋1磷酸溶液）、2 mL顯色劑后搖勻，放置5～10 min后，用721分光光度計(jì)在540 nm波長處，用30 mm的比色皿，以去離子水作參比，以試劑為空白，測定標(biāo)準(zhǔn)溶液的吸光度，扣除空白溶液的吸光度后，作為標(biāo)準(zhǔn)溶液的最終吸光度。

以標(biāo)準(zhǔn)溶液Cr（Ⅵ）濃度為橫坐標(biāo)，吸光度為縱坐標(biāo)作圖，得到圖1，擬合方程式為：A＝1．2245C＋0．0023，R2＝0．9992。 其中A為 吸光度，C為Cr（Ⅵ）濃度，單位為mg·L-1。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)工作曲線

（2）離子交換后清液吸光度的測定

①離子交換后清液的預(yù)處理

如離子交換后清液含Cr（Ⅵ）濃度較大時(shí)，先將其稀釋一定倍數(shù)后，得到本分光光度法可測范圍濃度（0．004~1．0 mg·L-1）的試液。

②取50 mL試液，置于比色管中，按照與標(biāo)準(zhǔn)溶液的測定步驟相同的步驟測定其吸光度，根據(jù)1．2．5（1）得到的擬合方程式計(jì)算離子交換后清液中Cr（Ⅵ）的濃度。

（3）數(shù)據(jù)處理方法

用下面公式：

計(jì)算實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

式中：Q——樹脂吸附量，mg·g-1；

C0——模擬含Cr（Ⅵ）廢水的初始濃度，mg·L-1；

Ce——模擬含Cr（Ⅵ）廢水用樹脂離子交換后清液的濃度，mg·L-1；

m——樹脂的使用量，g。

2 結(jié)果與討論

2.1 靜態(tài)交換試驗(yàn)結(jié)果與討論

2．1．1pH值的影響

不同pH值的模擬含Cr（Ⅵ）廢液，初始濃度為300mg·L-1，用量200 mL，樹脂用量3 g，交換時(shí)間1 h后，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 pH值與吸附量關(guān)系曲線

從圖2可以看出，當(dāng)模擬含Cr（Ⅵ）廢液的pH值為3～3．5時(shí)，樹脂的吸附量最大，因此廢液的pH值選擇3至3．5為宜。

2．1．2 時(shí)間影響

模擬含Cr（Ⅵ）廢液pH值為3．5，初始濃度300 mg·L-1，廢液體積200 mL，樹脂用量3 g，進(jìn)行時(shí)間變化，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

從圖3可看出，當(dāng)交換時(shí)間達(dá)到3 h以后，離子交換達(dá)到平衡，因此交換時(shí)間選擇3 h為宜。

圖3 時(shí)間與吸附量關(guān)系曲線

2．1．3 樹脂用量的影響

模擬含Cr（Ⅵ）廢液pH值為3．5，初始濃度300mg·L-1，廢液體積200 mL，改變樹脂用量，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 樹脂用量與廢液處理后清液Cr（Ⅵ）濃度關(guān)系曲線

由圖4可看出隨著樹脂用量的增加，離子交換后清液Cr（Ⅵ）濃度在減小，當(dāng)樹脂用量增加到3 g時(shí)，離子交換后清液Cr（Ⅵ）濃度變化不大。當(dāng)樹脂用量達(dá)到2．5 g以后，處理后清液Cr（Ⅵ）的濃度已經(jīng)達(dá)到了國家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)（Cr（Ⅵ）＜0．5 mg·L-1）［7］。

圖5 樹脂用量與樹脂吸附量關(guān)系曲線

由圖5可看出隨著樹脂用量的增加，樹脂的吸附量在減少，樹脂利用率降低，所以綜合考慮，樹脂用量選擇2．5 g為宜。即當(dāng)廢水含Cr（Ⅵ）為300 mg·L-1時(shí)， 樹脂用量為12．5 mg·mL-1廢水即可。

2．2 動(dòng)態(tài)交換實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

樹脂用量5．000 g（約5 mL＝1 BV，BV為床層體積），模擬廢液pH值為3．5，含Cr（Ⅵ）300 mg·L-1，廢液流過交換柱的流量為100 mL·h-1，試驗(yàn)結(jié)果圖6所示。

圖6 流出清液累積體與流出清液Cr（Ⅵ）濃度的關(guān)系曲線

由圖6可看出，模擬廢水pH值為3．5，含Cr（Ⅵ）300 mg·L-1，以100 mL·h-1（約20BV·h-1）的流速通過交換柱時(shí)，樹脂可以處理廢水量約為65BV左右，樹脂的吸附量大，在19．496 mg·g-1以上，處理后的清液在達(dá)到65BV時(shí)，Cr（Ⅵ）的濃度仍符合國家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)論

（1） 固定含Cr（Ⅵ）廢水初始濃度300mg·L-1，用量為200 mL時(shí)，通過單因素試驗(yàn)方法得出靜態(tài)交換時(shí)廢水的最佳pH值為3～3．5，交換時(shí)間為3 h，樹脂用量是2．5 g，處理后的廢液含Cr（Ⅵ）的濃度符合國家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)，且樹脂吸附Cr（Ⅵ）的量大，達(dá)到19．987 mg·g-1。

（2） 固定pH值為3．5，含Cr（Ⅵ）300 mg·L-1的模擬廢水，以100 mL·h-1（約20BV·h-1）的流速通過交換柱時(shí)，樹脂可以處理廢水量約為65BV，樹脂的吸附量大，在19．496 mg·g-1以上，處理后的清液在達(dá)到65BV時(shí)，Cr（Ⅵ）的濃度仍符合國家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)。

［1］ 范力，張建強(qiáng)，程新，等．離子交換法及吸附法處理含鉻廢水的研究進(jìn)展［J］．水處理技術(shù)，2009，35（1）：30-34．

［2］ 閆旭，李亞峰．含鉻廢水的處理方法［J］．遼寧化工，2010，39（2）：143-146．

［3］ 劉存海，朱玉鳳，張光華．含鉻廢水處理技術(shù)概況及進(jìn)展［J］．遼寧化工，2009，38（11）：811-814．

［4］ 徐靈，王成端，姚嵐．離子交換樹脂處理含鉻廢水的研究［J］．工業(yè)安全與環(huán)保，2007，33（11）：12-13．

［5］ 唐樹和，徐芳，王京平．離子交換法處理含Cr（Ⅵ）廢水的研究［J］．應(yīng)用化工，2007，36（1）：22-25．

［6］GB 7467-87，水質(zhì)六價(jià)鉻的測定二苯碳酞二腆分光光度法［S］．

［7］GB 8778-1996，污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)［S］．

Study on Treatment of Analogue Wastewater Containing Cr（Ⅵ）with Anion Exchange Resin

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

The analogue wastewater containing Cr（Ⅵ）300 mg／L was treated with 201×7 aion exchange resin．The pH，treatment time，amount of resin and the flux on the treatment effect were analyzed．According to single factor experiments，the optimal treatment conditions for the static exchange were obtained：pH 3～3．5，processing time 3 h，resin amount was 2．5 g；the concentration of Cr（Ⅵ）was 300 mg/L，flux was 20 BV／h．a(chǎn)nd the dynamic exchange experiments showed that，when amount of treatment flux was about 65BV，the adsorption capacity was 19．496 mg／g，the Cr（Ⅵ）concentration could meet the country standard．

anion exchange resin；analogue；wastewater containing Cr（Ⅵ）；treatment

X 703

A

1671-9905（2011）05-0046-04

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)及產(chǎn)品性能方面的研究。通訊地址：廣西南寧市秀靈路37號(hào)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：west9898＠163．com

2011-01-20