吸附树脂组合工艺对自来水的净化处理效果研究

沈磊

(江苏省盐城市环境监测中心站，盐城 224002)

1 引言

水是不可替代的自然资源，在经济发展和人类生活中占有重要的位置，水资源和水源污染已经成为当今世界最重大的资源环境问题，世界各国都把水当作为一种宝贵的资源去研究、开发、利用和保护。

在饮用水源不断遭受污染的今天，仅仅强化传统的常规处理工艺往往是不能满足饮用水水质标准的要求。目前我国多数地区的自来水是采用传统的氯气消毒工艺生产的，在氯化过程中，必然形成潜在的致癌、致突变物三卤甲烷、三卤乙烯等，而且其含量往往超过卫生标准的规定。因此，积极探索新技术、新工艺，尤其是在现有工艺基础上进行技术改造，是符合我国国情的解决饮用水中有机污染物的经济、有效的途径。

吸附被认为是对有机化工废水中有机物的纯化和分离最有效果的技术之一［1-4］。然而，树脂吸附法在微污染水处理的基础研究和应用基础研究还刚刚起步。以苯乙烯-二乙烯苯共聚物为主的大孔吸附树脂及超高交联吸附树脂在微污染饮用水处理上还存在着吸附与脱附性能有待改善的问题。在这个领域中，苯乙烯-二乙烯苯高分子聚合物吸附树脂的使用比较广泛。为了改进吸附树脂的吸附能力，环境工作者已经做了大量的研究工作，并取得了较好的进展［5-9］。李爱民等通过用乙酰基修饰Amberlite XAD-4使吸附剂的比表面积大幅提高［7］。Davankov综述了一系列新的超高交联聚合物的化学修饰方法［8，9］，而经修饰后的超高交联吸附剂，将大大提高它们对许多吸附质的吸附容量［7，10］。

为此，本文利用江苏省盐城市自来水作为源水，对自来水直接进样进行气相顶空分析，主要低沸点挥发性卤代烃有5种，其中氯仿、三氯乙烯在同类型中含量较高，占总有机物浓度的52%。由于自来水中氯仿、三氯乙烯具有一定代表性，而且它们与水中的SOCs等其他微污染物的性质有相似之处，所以以氯仿、三氯乙烯为指示性指标探讨树脂组合工艺去除水中微污染物的效果和再生效果。

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

气相-质谱联用仪(GC/MS)(美国Agilent公司，HP6890型);元素分析仪(美国PE公司，PE2400型)。氯仿和三氯乙烯均为分析纯。ZH-00、ZH-01和ZH-03是在大孔低交联聚苯乙烯的基础上进行后交联反应制得的，分别在聚苯乙烯骨架上连接了二甲胺基、2-羧基苯甲酰基和苯甲酰基，从而改变了表面特征和孔结构。表1中列出了几种吸附树脂的表面性质。

表1 3种吸附树脂的表面性质

2.2 小柱吸附和热水脱附实验

准确量取一定体积的湿的树脂加入到玻璃吸附柱中，在常温下下进行小柱动态吸附实验。将一定起始浓度的自来水溶液以一定流量过柱吸附，测定一定体积时流出液中氯仿和三氯乙烯的浓度。将吸附后的吸附剂用80℃热水以1BV/h的流量过柱脱附。

3 结果与讨论

3.1 处理工艺及再生效果

将自来水作为处理对象，但为了减少实验时间，人为增加自来水中氯仿、三氯乙烯的含量，实验起始浓度分别为6.0～8.0μg/mL。树脂吸附剂用量分别为3mL，流量为1mL/min。吸附柱尺寸(Φ10mm×100mm)。处理单元如图1的组合，测定经ZH-01处理后的氯仿、三氯乙烯的即时浓度，结果如图2，其中1是新树脂，2为经再生后的树脂。当吸附剂处理6L水以后，用不加样品的自来水进行实验，观察是否存在脱附的情况。

根据文献［10］的研究结果，在水溶液中氯仿、三氯乙烯在温度较高时吸附量较差。于是测定了几个温度下的微孔较丰富的ZH-01对氯仿和三氯乙烯的的静态吸附实验结果(图3)，在353K时，其去除率几乎为0。因此采用80℃热水进行再生，再生处理后的吸附效果没有差别(图2)，再生前后元素分析结果表明再生效果较好(表2)。

图1 自来水中去除DBPs的树脂法组合工艺

图2 树脂组合工艺对氯仿和三氯乙烯的去除效果

表2 吸附后以及再生后的吸附剂的元素分析(两次平均值)

图3 不同温度下ZH-01对氯仿和三氯乙烯的静态吸附去除率

从图2来看，三种树脂吸附剂组合处理自来水，在处理量达到约2500BV时仍然具有较好的去除微污染物的效果。无论低浓度还是高浓度，在实验范围内没有出现脱附现象。根据文献［10］，氯仿和三氯乙烯的分子直径较小(0.66nm和0.73nm)，吸附剂的最佳吸附孔径为吸附质分子尺寸的1.7～3倍，所以其最佳吸附孔径范围为1.1～1.5nm。由于ZH-01、ZH-00和ZH-03具有发达的微孔和中孔，它们的平均孔径分别为1.20、1.25和1.32nm，而且比表面积较高，所以去除自来水中微污染物的效果较好。

3.2 运行费用估算

自来水中总有机物浓度假设为0.4mg/L计算，则实验时的浓度将是自来水中总有机物浓度的40倍以上。按照3.1提供的数据，三根吸附柱各装3L树脂计算，每运行半年可以制得纯净水240，000L，树脂的价格为每立方10万元，并再生一次，使用寿命10年，净化每240吨水所需原料成本估算见表3，可见平均每吨水深度处理费用为0.2元左右，具有较好的应用前景。

表3 运行材料费用估算

4 结论

在饮用水源不断遭受污染的今天，仅仅强化传统的常规处理工艺往往是不能满足饮用水水质标准的要求，积极探索新技术、新工艺，尤其是在现有工艺基础上进行技术改造，是符合我国国情的解决饮用水中有机污染物的经济、有效的途径。吸附被认为是对有机化工废水中有机物的纯化和分离最有效果的技术之一。然而，树脂吸附法在微污染水处理的基础研究和应用基础研究还刚刚起步。为了改进吸附树脂的吸附能力，环境工作者已经做了大量的研究工作，并取得了较好的进展。本文利用江苏省盐城市自来水作为源水，采用树脂吸附处理工艺探讨了新型吸附树脂对自来水的深度处理效果和树脂吸附剂的再生效果。

以上研究表明，该吸附树脂的组合工艺对实际自来水中微污染有机化合物的吸附去除研究，并用元素分析的手段证实了组合工艺中的几种吸附树脂的脱附效果，结论如下:

(1)ZH-03、ZH-00和ZH-01树脂吸附柱的顺序进行组合，在空床接触时间较短时对自来水中氯化消毒副产物的吸附去除效果也较好，水中吸附质浓度较低，也没有出现脱附现象。可以方便地被热水脱附，不影响重复使用的效果。

(2)对自来水进行深度处理的原料成本大约为0.26元/t。

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