離子交換降低地下水中硝酸鹽含量的研究

曾 婧 荀久玉

(錦州市生態(tài)環(huán)境保護(hù)中心，遼寧 錦州 121001)

水體中的硝酸鹽在人體內(nèi)經(jīng)硝酸鹽還原菌作用可轉(zhuǎn)變?yōu)閬喯跛猁}，亞硝酸鹽可以對(duì)人體健康構(gòu)成威脅。亞硝酸鹽是劇毒物質(zhì)，成人攝入0.2—0.5g即可引起中毒，3g即可致死。亞硝酸鹽能使血液中正常攜氧的低鐵血紅蛋白氧化成高鐵血紅蛋白，因而失去攜氧能力而引起組織缺氧。亞硝酸鹽還是一種致癌物質(zhì)，在胃酸環(huán)境下亞硝酸鹽與食物中的仲胺、叔胺和酰胺等反應(yīng)生成強(qiáng)致癌物N—亞硝胺。亞硝胺還能夠透過(guò)胎盤進(jìn)入胎兒體內(nèi)，對(duì)胎兒有致畸作用[1]。因此我國(guó)生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定硝酸鹽氮最高限值為10mg/L[2]。

在我國(guó)飲用水總用水量中，地下水占了其中的50%[3]。因此地下水是非常重要的飲用水水資源。目前，我國(guó)大多數(shù)地下水中硝酸鹽氮含量大大超過(guò)10mg/L，因此，急需探尋一種有效的降低地下水中硝酸鹽含量的方法。

本文利用D890硝酸鹽選擇性大孔強(qiáng)堿性陰離子交換樹(shù)脂上的Cl-與地下水中的NO3-進(jìn)行離子交換來(lái)降低地下水中的硝酸鹽含量。地下水中含有多種陰離子，D890硝酸鹽選擇性離子交換樹(shù)脂可優(yōu)先對(duì)水中的NO3-進(jìn)行離子交換去除，不受水中其它陰離子如SO42-的影響。這種樹(shù)脂對(duì)NO3-的選擇性增加可歸因于：隨著烷基碳原子數(shù)增加，其體積增大，需要占用更大的空間，從而引起樹(shù)脂的空間張力增大，對(duì)于減小這種空間張力而言，NO3-比SO42-具有更強(qiáng)的能力[4]。

為使離子交換樹(shù)脂能重復(fù)利用，本文采用氯化鈉溶液作為再生劑對(duì)離子交換樹(shù)脂進(jìn)行再生，再生劑中的Cl-可與樹(shù)脂上的NO3-進(jìn)行離子交換，使樹(shù)脂上的NO3-被置換下來(lái)，Cl-重新被固定在樹(shù)脂上。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)藥品及材料

硫酸鈉、氯化鈉、硝酸鉀、鹽酸、氫氧化鈉、酚二磺酸、氨水、高錳酸鉀、苯酚、濃硫酸、三氯甲烷、氫氧化鈣、D890硝酸鹽選擇性交換樹(shù)脂。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

HHS-2S電子恒溫不銹鋼水浴鍋，101-0電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，PHS-25酸度計(jì)，721可見(jiàn)分光光度計(jì)，HZS-H恒溫水浴振蕩器，TG-382A電子天平。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 硝酸鹽標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

采用酚二磺酸分光光度法檢測(cè)地下水中的硝酸鹽。硝酸鹽在無(wú)水情況下與酚二磺酸反應(yīng)，生成硝基二磺酸酚，在堿性溶液中，生成黃色化合物，于410 nm波長(zhǎng)處進(jìn)行分光光度測(cè)定。

按文獻(xiàn)[5]繪制硝酸鹽標(biāo)準(zhǔn)曲線，得到擬合方程：

y=0.07158 x-0.00297

式中：x —水樣中硝酸鹽的質(zhì)量，μg；

y —經(jīng)空白校正后吸光度。

1.3.2 模擬地下水的配制

取取0.74 g硫酸鈉、0.1 g硝酸鉀配置250 mL模擬地下水，其中SO42-的濃度為250 mg/L、NO3-的濃度為45 mg/L。

1.3.3 離子交換

量取100 mL濃度為45mg/L的模擬地下水于250 mL具塞錐形瓶中，加入一定量的D890硝酸鹽選擇性離子交換樹(shù)脂，放在恒溫水浴振蕩器中，于150 r/min的轉(zhuǎn)速下震蕩一定時(shí)間，取出靜置10 min，用酚二磺酸分光光度法分析上清液中硝酸鹽濃度，計(jì)算其去除率。

1.3.4 樹(shù)脂再生

稱取5 g吸附達(dá)飽和的樹(shù)脂于100 mL具塞磨口瓶中，加入一定量濃度為5%的NaCl溶液，放在恒溫水浴振蕩器中，于150 r/min的轉(zhuǎn)速下震蕩一定時(shí)間，取出過(guò)濾，用去離子水將過(guò)濾后的樹(shù)脂洗凈過(guò)濾，得到再生樹(shù)脂。樹(shù)脂的再生效果用在最佳離子交換條件下硝酸鹽去除率來(lái)衡量。

2 結(jié)果與討論

2.1 離子交換

2.1.1 交換時(shí)間對(duì)硝酸鹽去除率的影響

固定樹(shù)脂用量為1 g、交換溫度為25℃，改變交換時(shí)間分別為15 min、20 min、25 min、30 min、35 min、40 min，考察其對(duì)硝酸鹽去除率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 交換時(shí)間對(duì)硝酸鹽去除率的影響

由圖1可知，當(dāng)交換時(shí)間短于35 min時(shí)，隨著交換時(shí)間的延長(zhǎng)，水中硝酸鹽去除率明顯升高；當(dāng)交換時(shí)間達(dá)35 min時(shí)，再延長(zhǎng)交換時(shí)間，硝酸鹽去除率變化不明顯。

這是因?yàn)椋粨Q時(shí)間越長(zhǎng)，樹(shù)脂上的Cl-與水中更多的NO3-進(jìn)行離子交換，固定到樹(shù)脂上的NO3-越多，硝酸鹽去除率越高；而當(dāng)交換時(shí)間達(dá)到35min 時(shí)，離子交換反應(yīng)基本達(dá)到平衡，再延長(zhǎng)交換時(shí)間，硝酸鹽去除率不再有明顯變化。

因此，選取最佳交換時(shí)間為35 min。

2.1.2 交換溫度對(duì)硝酸鹽去除率的影響

固定樹(shù)脂用量為1 g、交換時(shí)間為35 min，改變交換溫度分別為15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃，考察其對(duì)硝酸鹽去除率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 交換溫度對(duì)硝酸鹽去除率的影響

由圖2可知，當(dāng)交換溫度低于25℃時(shí)，隨著交換溫度的升高，水中硝酸鹽去除率也明顯提高；當(dāng)交換溫度達(dá)25℃時(shí)，再提高交換溫度，硝酸鹽去除率變化不明顯。

這是因?yàn)?，?dāng)交換溫度低于25℃時(shí)，交換溫度越高，樹(shù)脂上的Cl-與水中的NO3-進(jìn)行的離子交換反應(yīng)速率越快，在相同時(shí)間內(nèi)交換的NO3-越多，硝酸鹽去除率越高；當(dāng)交換溫度達(dá)25℃時(shí)，離子交換反應(yīng)速率已足夠快，再升高交換溫度，硝酸鹽去除率變化不明顯。

因此，選取最佳交換溫度為25℃。

2.1.3 樹(shù)脂用量對(duì)硝酸鹽去除率的影響

固定交換溫度為25℃、交換時(shí)間為35 min，改變樹(shù)脂用量分別為1 g、1.2 g、1.4 g、1.6 g、1.8 g、2.0 g，考察其對(duì)硝酸鹽去除率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 樹(shù)脂用量對(duì)硝酸鹽去除率的影響

由圖3可知，隨著樹(shù)脂用量增加，水中硝酸鹽去除率升高。

這是因?yàn)?，?shù)脂用量越多，樹(shù)脂上可交換離子Cl-越多，廢水中被交換的NO3-越多，硝酸鹽去除率越高；當(dāng)樹(shù)脂用量為1.8 g時(shí)，其硝酸鹽去除率達(dá)到81.1%，濃度為8.5 mg/L，已低于我國(guó)生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定硝酸鹽氮的最高限值10 mg/L，再增加樹(shù)脂用量，只會(huì)白白浪費(fèi)樹(shù)脂。

因此，選取最佳樹(shù)脂用量為1.8 g。

2.2 樹(shù)脂再生

2.2.1 再生時(shí)間對(duì)樹(shù)脂再生效果的影響

固定再生劑濃度為5%、液固比為4 mL/g、再生溫度為30℃，改變?cè)偕鷷r(shí)間分別為15 min、20 min、25 min、30 min、35 min、40 min，考察其對(duì)樹(shù)脂再生效果的影響，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 再生時(shí)間對(duì)樹(shù)脂再生效果的影響

由圖4可知，當(dāng)再生時(shí)間短于30 min時(shí)，隨著再生時(shí)間的延長(zhǎng)，硝酸鹽去除率明顯升高；當(dāng)再生時(shí)間達(dá)30 min時(shí)，再延長(zhǎng)交換時(shí)間，硝酸鹽去除率變化不明顯。

這是因?yàn)?，再生時(shí)間越長(zhǎng)，樹(shù)脂上越多的NO3-被置換出來(lái)，再生劑中越多的Cl-重新被固定在樹(shù)脂上，樹(shù)脂的再生效果越好，處理地下水時(shí)通過(guò)離子交換去除的硝酸鹽越多；當(dāng)再生時(shí)間達(dá)30 min時(shí)，再生反應(yīng)基本達(dá)到平衡，再延長(zhǎng)交換時(shí)間，對(duì)樹(shù)脂的再生效果影響不明顯。

因此，選取最佳再生時(shí)間為30 min。

2.2.2 再生溫度對(duì)樹(shù)脂再生效果的影響

固定再生劑濃度為5%、液固比為4 mL/g、再生時(shí)間為30 min，改變?cè)偕鷾囟葹榉謩e15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃，考察其對(duì)樹(shù)脂再生效果的影響，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 再生溫度對(duì)樹(shù)脂再生效果的影響

由圖5可知，當(dāng)再生溫度低于30℃時(shí)，隨著再生溫度的升高，硝酸鹽去除率明顯升高；當(dāng)再生溫度達(dá)30℃時(shí)，再提高再生溫度，硝酸鹽去除率變化不明顯。

這是因?yàn)?，?dāng)再生溫度低于30℃時(shí)，再生溫度越高，再生劑中的Cl-與樹(shù)脂上的NO3-進(jìn)行再生反應(yīng)速率越快，在相同時(shí)間內(nèi)置換下來(lái)的NO3-越多，重新被樹(shù)脂固定的Cl-越多，樹(shù)脂的再生效果越好，處理地下水時(shí)通過(guò)離子交換去除的硝酸鹽越多；當(dāng)再生溫度達(dá)30℃時(shí)，再生速率已足夠快，再升高再生溫度，對(duì)樹(shù)脂的再生效果影響不明顯。

因此，選取最佳再生溫度為30℃。

2.2.3 液固比對(duì)樹(shù)脂再生效果的影響

固定再生劑濃度為5%、再生溫度為30℃、再生時(shí)間為30 min，改變液固比分別為2mL/g、3mL/g、4mL/g、5mL/g、6mL/g、7 mL/g，考察其對(duì)樹(shù)脂再生效果的影響，結(jié)果見(jiàn)圖6。

由圖6可知，當(dāng)液固比低于6 mL/g時(shí)，隨著液固比的增加，硝酸鹽去除率明顯升高；當(dāng)液固比達(dá)6 mL/g時(shí)，再增加液固比，硝酸鹽去除率變化不明顯。

這是因?yàn)?，隨著液固比的增加，再生劑中Cl-的量越多，樹(shù)脂上越多的NO3-被置換出來(lái)，越多的Cl-重新固定在樹(shù)脂上，樹(shù)脂的再生效果越好，處理地下水時(shí)通過(guò)離子交換去除的硝酸鹽越多；當(dāng)液固比為6 mL/g時(shí)，再生劑中Cl-的量已足夠多，樹(shù)脂上的NO3-基本被置換完全，再增加液固比，對(duì)樹(shù)脂的再生效果影響不明顯。

圖6 液固比對(duì)樹(shù)脂再生效果的影響

因此，確定最佳液固比為6 mL/g。

3 結(jié)論

本文采用D890硝酸鹽選擇性離子交換樹(shù)脂來(lái)降低地下水中硝酸鹽的含量，并利用NaCl溶液對(duì)樹(shù)脂進(jìn)行再生。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究得出以下結(jié)論：

(1)離子交換的最佳工藝條件為：交換時(shí)間為35 min、交換溫度為25℃、樹(shù)脂含量為1.8 g。在此條件下可使模擬地下水中硝酸鹽濃度由45 mg/L降到8.5 mg/L，硝酸鹽去除率達(dá)到81.1%。

(2)離子交換樹(shù)脂再生的最佳工藝條件為：再生時(shí)間30 min、再生溫度為30℃、液固比為6。在此條件下可使模擬地下水中硝酸鹽濃度由45 mg/L降到9.1 mg/L，硝酸鹽去除率達(dá)79.8%，樹(shù)脂再生率為98.4%。

(3)D890硝酸鹽選擇性大孔強(qiáng)堿性陰離子交換樹(shù)脂可有效降低地下水中硝酸鹽含量，且再生率高，可重復(fù)使用。