離子交換樹脂在廢水處理中的應(yīng)用

王林江，佟建超

（中海油天津化工研究設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300131）

水資源污染問題在當(dāng)下已經(jīng)成為影響到我國(guó)民生經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵問題，而工業(yè)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(huì)造成水體內(nèi)和周圍土壤重金屬含量超標(biāo)，不僅會(huì)影響水體周圍居民的日常生活和身體健康，還會(huì)給水體附近的生態(tài)環(huán)境帶來巨大負(fù)擔(dān)。離子交換樹脂法是常見的工業(yè)廢水處理方法，對(duì)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(yīng)用，具有凈化程度深、效率高、幫助回收金屬等多種優(yōu)勢(shì)，在未來水污染治理領(lǐng)域擁有良好的應(yīng)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(nèi)部含有離子交換基團(tuán)。根據(jù)交聯(lián)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(huán)氧系樹脂等。以離子交換樹脂包含官能團(tuán)的性質(zhì)作為劃分依據(jù)，可分為強(qiáng)酸型、強(qiáng)堿型、弱酸型、弱堿型、螯合型等幾類，按照不同的樹脂形態(tài)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(jù)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(lǐng)域，其應(yīng)用過程中主要體現(xiàn)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(qiáng)、處理穩(wěn)定性高、離子交換速度快等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)廢水處理領(lǐng)域。隨著我國(guó)可持續(xù)發(fā)展理念的提出，以及一系列環(huán)保政策的出臺(tái)，國(guó)家愈發(fā)重視工業(yè)廢水排放問題，排放標(biāo)準(zhǔn)也一再提高，應(yīng)用離子交換樹脂進(jìn)行廢水處理是滿足國(guó)家發(fā)展需求的必然選擇。尤其樹脂可以再生，且應(yīng)用起來十分簡(jiǎn)便，既可以節(jié)約原材料使用，還能縮減廢水處理流程，同時(shí)還可以對(duì)部分稀有貴重金屬進(jìn)行處理回收，應(yīng)用效果十分理想。

2 離子交換樹脂在廢水處理中的具體應(yīng)用

2.1 處理含銅廢水

在工業(yè)廢水中，銅廢水比較常見，通常產(chǎn)生于礦山、有色金屬冶煉、電鍍等工業(yè)生產(chǎn)加工過程中。銅廢水中含有大量的銅離子，這些銅離子會(huì)對(duì)不同種類生物體造成不同程度的影響和危害，且會(huì)隨著食物鏈流動(dòng)出現(xiàn)富集現(xiàn)象。其中，軟體動(dòng)物及海草對(duì)銅離子反應(yīng)較大，水體中銅離子濃度超過10μg/L便超出了其承擔(dān)范圍。人體對(duì)銅離子的攝入也比較敏感，過量銅離子會(huì)引發(fā)腹痛、嘔吐等癥狀，更嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成人體肝硬化，對(duì)人體危害極大[2]。

對(duì)于含銅廢水處理，傳統(tǒng)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(zhǔn)備一個(gè)裝有鐵屑的流槽，含銅廢水通過后銅離子會(huì)在鐵屑表面被還原為單質(zhì)銅，可以將沉積在流槽中的銅金屬進(jìn)行處理回收。此種方式適用范圍較窄，對(duì)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(xué)者對(duì)此方法展開研究，本文對(duì)其中幾種進(jìn)行簡(jiǎn)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(qiáng)的吸附功能，這是因?yàn)榘被姿狎蠘渲瑢儆阝c離子型螯合樹脂，與氫離子型螯合樹脂相比，對(duì)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(jiǎn)單，很容易操作使用，經(jīng)實(shí)踐證明經(jīng)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(duì)銅廢水能夠起到良好處理效果，但應(yīng)用過程中應(yīng)用效果會(huì)受到溶液溫度、酸堿性的影響。通過對(duì)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(yīng)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(qiáng)，飽和吸附量能夠達(dá)到約2.3mol/kg，去除率高達(dá)97%。

（3）大孔強(qiáng)酸型離子交換樹脂。與其他樹脂相比，大孔強(qiáng)酸型離子交換樹脂在銅廢水中的應(yīng)用效果最穩(wěn)定，樹脂溶脹率偏低，且離子交換容量較大[4]。經(jīng)大孔強(qiáng)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(yīng)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(dāng)工業(yè)含汞廢水大量排入水體后，水體中含汞濃度嚴(yán)重超標(biāo)，這些汞由浮游生物攝入體內(nèi)后，經(jīng)食物鏈流動(dòng)會(huì)被大量魚類吞食，在魚類體內(nèi)呈富集狀態(tài)。水體受到汞污染后，魚類體內(nèi)含汞量遠(yuǎn)超過0.2×10-6，會(huì)引發(fā)汞中毒。人體進(jìn)食汞中毒魚類后，會(huì)出現(xiàn)四肢麻痹、情緒失控等癥狀，更嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷，甚至失明殘疾。

對(duì)于含汞廢水處理，傳統(tǒng)的處理方式為硫化鈉-明礬化學(xué)凝聚沉淀法，這種方法屬于對(duì)廢水的二級(jí)處理。含汞廢水中含有大量有機(jī)汞、無機(jī)汞和金屬汞，成分十分復(fù)雜，因此在使用硫化鈉-明礬化學(xué)凝聚沉淀法對(duì)含汞廢水進(jìn)行處理時(shí)，難以控制好硫酸鈉的準(zhǔn)確用量以及酸化pH值，經(jīng)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(dá)到廢水排放標(biāo)準(zhǔn)[5]。針對(duì)這一情況，含汞廢水處理大多會(huì)選擇應(yīng)用離子交換樹脂法，同屬于二級(jí)處理系統(tǒng)的離子交換樹脂法除汞，具有穩(wěn)定性強(qiáng)、封閉循環(huán)、經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)等明顯優(yōu)勢(shì)，經(jīng)此方法處理后的含汞廢水，不僅水體中含汞量能夠達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，水體顏色也會(huì)經(jīng)脫色處理變得清澈透明。其中，大孔巰基離子交換樹脂對(duì)含汞廢水處理效果極佳，樹脂上的巰基具有較強(qiáng)的吸附性，將經(jīng)樹脂吸附在表面的汞離子通過濃鹽酸洗脫后，可以對(duì)其進(jìn)行處理回收。經(jīng)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(jià)鉻離子的毒性要超出三價(jià)鉻離子約100倍，排入水體后會(huì)對(duì)水體及周邊環(huán)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(yè)生產(chǎn)加工過程中排放，由于含鉻廢水對(duì)生態(tài)環(huán)境危害較大，甚至?xí){到周邊居民的身體健康，國(guó)家規(guī)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(duì)于含鉻廢水處理，傳統(tǒng)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?qū)α鶅r(jià)鉻離子進(jìn)行部分去除，但此種方法在應(yīng)用過程中會(huì)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(yīng)用，在國(guó)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(qiáng)的抵抗有機(jī)污染能力，其應(yīng)用過程中機(jī)械破損也相對(duì)較少。強(qiáng)酸陽離子交換樹脂可以對(duì)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(jià)鉻離子可以使用螯合樹脂去除，六價(jià)鉻離子可以使用二甲基離子交換樹脂進(jìn)行處理。近些年，國(guó)內(nèi)對(duì)于離子交換樹脂在含鉻廢水處理中的應(yīng)用也展開了一系列研究。經(jīng)實(shí)踐證實(shí)，陰離子交換樹脂對(duì)于含鉻濃度較高的廢水，能夠達(dá)到理想處理效果。通過對(duì)處理過程中各項(xiàng)影響條件的觀察發(fā)現(xiàn)，離子交換樹脂能夠有效去除含鉻廢水中毒性較強(qiáng)的六價(jià)鉻，處理效果十分明顯[7]。

2.4 處理含酚廢水

大多數(shù)含酚廢水通常由煤礦、石油等工業(yè)生產(chǎn)加工過程中排放，酚對(duì)動(dòng)植物和人體健康危害極大，含酚廢水會(huì)對(duì)自然水域造成嚴(yán)重污染。與此同時(shí)，酚作為一種用途廣泛的有機(jī)試劑，十分貴重，因此根據(jù)國(guó)家環(huán)保政策和可持續(xù)發(fā)展政策要求，含酚廢水必須經(jīng)過科學(xué)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(yīng)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(xiàn)較強(qiáng)的吸附性能和脫附性能，應(yīng)用過程中對(duì)酚的吸附量高達(dá)600mg/L，對(duì)酚的回收率高達(dá)96%。大孔吸附樹脂可以多次使用，再生性較強(qiáng)，吸附性能不會(huì)因多次利用受到較大影響，具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性[8]。經(jīng)多次實(shí)踐證實(shí)，大孔吸附樹脂CHA-111對(duì)于含酚廢水的吸附性和脫附性遠(yuǎn)超于美國(guó)的AmberhteXAD-2以及國(guó)產(chǎn)的X-5，有良好的應(yīng)用前景。弱堿離子交換樹脂在含酚廢水中的應(yīng)用，具有設(shè)備操作簡(jiǎn)單、處理成本低、處理效果明顯等優(yōu)勢(shì)，且弱堿離子交換樹脂再生性較強(qiáng)，可以重復(fù)使用，能夠減少資源浪費(fèi)，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(zhì)。研究人員在對(duì)幾種樹脂進(jìn)行同條件檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)，大孔樹脂對(duì)酚的吸附性最佳，且應(yīng)用效果十分穩(wěn)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(yè)生產(chǎn)加工過程中排放。含氰廢水中的氰化物屬于劇毒物質(zhì)，人體攝入后會(huì)迅速和體內(nèi)高鐵細(xì)胞色素酶結(jié)合，影響氧氣運(yùn)輸，引發(fā)組織窒息，嚴(yán)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(jīng)處理排放至自然水域中會(huì)污染水源、損害農(nóng)田，對(duì)水體附近的生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞。通常情況下，含氰廢水的主要成分有絡(luò)合氰化物和簡(jiǎn)單氰化物兩種，其中絡(luò)合氰化物的毒性相對(duì)較弱，但鋅氰和鎘氰絡(luò)合物溶液對(duì)魚類會(huì)造成較大危害，鐵氰絡(luò)合物在一般情況下毒性不太明顯，但若經(jīng)陽光直射會(huì)發(fā)生光解反應(yīng)，光解產(chǎn)生的HCN是劇毒物質(zhì)。

對(duì)于含氰廢水處理，傳統(tǒng)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(shè)備操作煩瑣，不僅對(duì)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(tǒng)的含氰廢水處理方法難以滿足當(dāng)下國(guó)家環(huán)保政策和可持續(xù)發(fā)展政策要求，推廣應(yīng)用受到限制。對(duì)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(dá)到良好的應(yīng)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(jīng)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(zhì)量濃度的含氰廢水處理，高濃度含氰廢水對(duì)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(huì)迅速達(dá)到飽和狀態(tài)，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(guó)化工行業(yè)還在不斷發(fā)展，研究人員一直在研究開發(fā)具有高飽和吸附容量的離子交換樹脂，處理穩(wěn)定性和處理效果也在不斷提升，在未來擁有廣闊的發(fā)展空間。

3 結(jié)束語

經(jīng)實(shí)踐證實(shí)，傳統(tǒng)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(duì)這些問題，離子交換樹脂在廢水處理中的應(yīng)用具有明顯優(yōu)勢(shì)。近幾年，離子交換樹脂已經(jīng)在廢水處理領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，因此有大量寶貴的經(jīng)驗(yàn)值得借鑒，此方法的應(yīng)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(hù)環(huán)境的基礎(chǔ)上，還能產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)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(duì)此方法進(jìn)行不斷研究，有針對(duì)性地改良優(yōu)化，使其在廢水處理領(lǐng)域擁有更廣闊的發(fā)展空間。