离子交换技术去除锦州自来水硬度的实验研究

田嫒嫒，周立岱，于永杰，连伟涛，于 豹，刘相帝

（辽宁工业大学 化学与环境工程学院，辽宁 锦州121001）

1 引言

离子交换法是利用离子交换剂把水中的离子与离子交换剂中可扩散的离子进行交换作用，使水得到软化的方法。即采用特定的阳离子交换树脂，以钠离子将水中的钙镁离子置换出来，由于钠盐的溶解度很高，所以就避免了随温度的升高而造成水垢生成的情况，而且长期使用后失效的树脂还可以通过再生而重复使用。故此这种方法是目前最常用的、较经济的方法。主要优点是：效果稳定准确，工艺成熟，可以将硬度降至0。所以针对锦州自来水高硬度特性，采用离子交换技术对其进行去除，为了确保在水质达标的同时树脂的使用经济环保，需要对离子交换树脂处理水的最佳吸附条件进行探究。

2 实验部分

2.1 树脂预处理

树脂使用前，要进行预处理，首先使用饱和食盐水浸泡树脂18～20h，而后用蒸馏水洗净，使排出水不带黄色，再用2%～4%氢氧化钠溶液浸泡2～4h，放尽碱液后，用蒸馏水冲洗至中性，最后用5%盐酸溶液浸泡4～8h，放尽酸液，用蒸馏水漂洗至中性后烘干待用。

2.2 732、D001和D61离子交换树脂处理能力比较

2.2.1 实验方法

根据离子交换理论，用732、D001和D61三种氢离子交换树脂（三树脂均为强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂，D61和D001是大孔树脂，732是凝胶树脂）对锦州自来水分别进行处理。首先用EDTA络合滴定法对锦州自来水硬度进行测定，得到原水硬度为367.2。然后取一定体积的锦州自来水于三个烧杯中，分别加入相同质量预处理后的三种树脂，在水温25℃条件下用恒温振荡器振荡（振荡速度40～50r/min），使树脂与水样充分接触，每间隔30min测定水样中的硬度，一直到平衡状态。

2.2.2 实验数据与分析

用732、D001和D61三种氢离子交换树脂对锦州自来水中的钙镁离子进行交换吸附，得到三种树脂对锦州自来水的处理能力如图1。

图1 三种树脂处理能力比较

从图1可知，在原水水质、水量相同时，732树脂对锦州自来水中钙镁离子的吸附性能最好，D61次之，D001最差。另外综合考虑经济成本，选择732型树脂作为锦州自来水高硬度去除的离子交换剂最佳。

2.3 离子交换树脂对锦州自来水硬度去除的静态实验

采用经过预处理后阳离子交换树脂对锦州自来水进行静态吸附试验。研究离子交换树脂的投加量、吸附时间对其吸附钙镁的影响。确定树脂静态吸附原水中钙镁的最佳投加量、吸附时间以及根据树脂的吸附等温线判断吸附类型，确定离子交换树脂的静态最大饱和吸附量，为动态实验的进行提供数据基础。

2.3.1 离子交换树脂对锦州自来水钙镁交换吸附的最佳投加量的确定

分别取2 000mL锦州自来水水样于5个烧杯中，分别加入3～7g不同质量的离子交换树脂。在25℃条件下恒温振荡4h，分别测定自来水硬度。得到不同质量树脂对锦州自来水硬度去除率如图2。

图2 树脂投加量对交换吸附钙镁的影响

由图2可知，随着离子交换树脂投加量的增加，钙镁去除率逐渐升高。当离子交换树脂质量达到5g时，锦州自来水中钙镁的去除率为34.64%。之后随着离子交换树脂质量的增加，原水中钙镁的去除率基本保持不变。因此选定5g为2 000mL的最佳投加量。

2.3.2 离子交换树脂对锦州自来水最佳吸附时间的确定

取2 000mL锦州自来水水样于烧杯中加入5g离子交换树脂。在25℃条件下恒温振荡每隔一定时间测定自来水硬度，一直到平衡为止。得到树脂对锦州自来水处理不同时间的硬度去除率如图3。

图3 不同振荡时间对交换吸附钙镁的影响

由图3可知，随着振荡时间的增加离子交换树脂去除钙镁的效率逐渐升高。这是因为在离子交换过程中延长阳离子交换树脂的接触时间对单位体积的自来水来讲，一方而更有利于钙镁离子进入树脂内部品体结构使树脂对钙镁离子的接触更加牢靠；另一方面反应活性点增多。当振荡时间为18h时去除效率达到最大66.23%。之后随着时间的增加，钙镁的去除率不再发生变化。因此确定离子交换树脂的对自来水的最佳吸附时间为18h。

2.3.3 吸附平衡试验

在7个锥形瓶中准确移取200mL锦州自来水，分别加入0.4g，0.3g，0.2g，0.1g，0.08g，0.07g，0.068 g经预处理后的离子交换树脂，在25℃条件下恒温振荡20h，测定其硬度。用平衡浓度—平衡吸附量作图。按下式计算平衡吸附量Q＝（C0－Ce）＊V/m。

式中：C0自来水钙镁初始浓度，mg/L；Ce自来水钙镁平衡时浓度（mg/L）；V 加入的自来水体积（mL）；m加入的离子交换树脂质量（g）。

离子交换树脂吸附水中钙镁的等温线如图4。

使用origin线性拟合工具，利用Langmuir等温式对树脂吸附钙镁离子的数据进行拟合，回归方程为1/q＝2.043＊（1/c）＋0.005，R2＝0.99739。如图5所示。

利用Freundlich等温式的直线式对树脂吸附钙镁离子的实验数据进行拟合，甚本公式为：logQe＝0.529logCe＋0.599，R2＝0.77115。如图6所示。

图4 吸附等温线

图5 Langmuir式对树脂吸附曲线拟合

对比图5和图6，树脂处理锦州自来水时吸附类型Langmuir的R2相对更高一些，所以离子交换树脂对锦州自来水中钙镁离子的交换吸附更符合Langmuir型。

图6 Freundlich式对树脂吸附曲线拟合

2.4 离子交换树脂对锦州自来水硬度去除的动态实验

为了确定动态吸附时不同流量对树脂吸附钙镁离子的影响，测定了在不同流量条件下离子交换树脂对自来水中钙镁离子的吸附效果，并最终确定离子交换树脂对钙镁的最佳流量。

称取一定量的经过预处理后的离子交换树脂于吸附柱中，首先用纯净水在一定流量下自上而下流过装有离子交换树脂的交换柱，时间为30min左右，之后将锦州自来水分别以60mL/min、80mL/min、100mL/min、120mL/min的流量自下而上通过装有离子交换树脂的交换柱，根据不同吸附时间的出水浓度可得到不同流量条件下离子树脂吸附水中钙镁离子的动态穿透曲线如图7。

试验选择吸附柱出水硬度达到世界饮用水标准（50mg/L）的时间点为穿透时间，出水硬度超过标准（100mg/L）的时间点为最大饱和吸附时间点。

图7 不同流量对树脂交换吸附钙镁的影响

由表1可知，流量对阳离子交换树脂吸附自来水中钙镁有显著的影响。随着流量的增大，穿透时间和饱和时间明显缩短，穿透点吸附量和饱和点吸附量也减少。这是因为当流量加快时，溶液与树脂接触时间缩短，吸附效率下降。流量太慢时，溶液会在吸附柱内引起反泥现象，对吸附不利。表1可知在流量80mL/min时树脂对自来水中钙镁的吸附效果最好，穿透点吸附量165.3mg/g，饱和点吸附量248mg/g。

表1 不同流量树脂对自来水钙镁交换吸附参数

2.5 树脂再生效果的测定

常温下让处理过水的离子交换树脂与再生剂发生离子交换反应，使改性后的树脂重新获得离子交换能力。这一过程即为再生过程。取处理过水的离子交换树脂，用10%氯化钠溶液浸泡，查阅可知，732型离子交换树脂的再生时间为60min左右。将再生后的离子交换树脂重新装入离子交换柱中，在80mL/min的流量下，再次对自来水中钙镁离子进行交换吸附，直到达标为止。步骤同上。比较再生之前和再生之后离子交换树脂的处理能力如图8。

图8 再生前后树脂对钙镁的交换吸附

再生后的树脂穿透时间和穿透点吸附量相对降低，经计算再生效率可达90%，如表2所示。

表2 再生前后树脂吸附参数

3 结论

本文对采用离子交换技术降低锦州自来水硬度的过程进行了实验研究。包括离子交换树脂的选择，树脂对自来水交换吸附的静态实验和动态实验，确定了最佳剂量及时间，并对实验数据做了模拟分析，得出动态试验的最佳流量，同时对再生后的树脂进行了效果测定。通过实验得出以下结论。

（1）针对锦州自来水高硬度特点，对三种型号树脂的处理能力进行实验研究，经测定发现732型树脂处理能力相对其他两种树脂要高，综合考虑成本等要素，选择732型树脂作为处理锦州自来水硬度的离子交换剂。

（2）采用经过预处理的离子交换树脂对锦州自来水进行静态实验，确定了处理2 000mL自来水的最佳剂量为5g，最佳吸附时间为18h，并通过对实验数据进行拟合分析，得出732型树脂处理锦州自来水的吸附符合langmuir等温式。

（3）采用经过预处理的离子交换树脂对锦州自来水进行动态实验使其自来水硬度达到饮用标准，确定了最佳流量为80mL/min，在此流量下树脂对自来水中钙镁吸附的穿透点吸附量和饱和点吸附量分别为165.3、248mg/g。

（4）对失效的离子交换树脂采用10%氯化钠溶液进行再生，确定了再生后的树脂在80mL/min流量下对自来水中钙镁吸附的穿透点吸附量148.8mg/g，再生效率可达90%。

4 建议

由于条件和时间的限制，本实验还存在着诸多不足之处，所以在此给出以下几点建议。

（1）本文中只对离子交换树脂的最基本性质做了探索，还有其他一些可能的影响条件未能一一测定，有必要建立更加详实的指标，用以全面评估树脂的性能。

（2）实验中仅选用了有代表性的离子交换树脂进行测定分析，若保证数据的准确性，还需要测定更多种类的树脂。

（3）本实验采用滴定法进行硬度的测定，由于肉眼观察颜色变化存在误差，可能会影响数据的精确性。所以需要考虑更准确的方法进行测定。

（4）由于时间和条件的限制，再生剂选用氯化钠进行再生，也达到了较好的再生效果，但应该会有更好的再生方法，需要重点考虑再生方法。

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