磁性树脂耦合电吸附的再生水制备工艺研究

张满成，王长明，朱增银，付益伟，王 栋

（江苏省环境科学研究院江苏省环境工程重点实验室，江苏 南京 210036）

0 引言

我国每年产生的工业废水和城市生活污水总量呈逐年上升趋势，新鲜水的大量消耗和废水的大量产生排放，导致我国水资源匮乏，保护和节约水资源已成为基本国策之一。废水资源的循环再利用能有效缓解水资源短缺的问题，再生水制备更是拓展了废水循环利用的空间和用途。

再生水制备工艺已成为水处理领域的研究热点，鉴于污水成分复杂多样，再生水制备大多采用组合工艺。在水处理技术研究中，比表面积大、官能团种类多、再生快捷且不易流失的磁性阴离子交换树脂对于有机物有着很好的处理效果[1]，相较于混凝和一些高级氧化技术不会产生二次污染[2]。电吸附技术自问世以来，以脱盐率高、低电耗、方便简洁的特点[3]，比反渗透和蒸发结晶为代表的脱盐技术更加高效经济，引起了全球科研工作者广泛的关注。

本文提出磁性阴离子交换树脂耦合电吸附再生水制备工艺，以此来处理印染废水生化出水。实验比较了树脂吸附、电吸附及其耦合工艺对盐度和有机物的去除效果，阐述了树脂吸附和电吸附耦合的优势。该耦合技术污染物去除效率高，操作性强，有着广阔的应用前景。

1 材料与方法

1.1 废水水质分析

实验研究对象为江苏某印染厂污水处理生化出水，具体检测指标见表1。其废水COD质量浓度为85 mg/L，电导率为2 104 μS/cm，溶解性总固体（TDS）质量浓度为 1 455 mg/L。

表1 废水指标检测值mg·L-1

1.2 磁性阴离子交换树脂吸附实验

磁性阴离子交换树脂采用丙烯酸酯、二乙烯苯和Fe3O4纳米粒子悬浮聚合而成[4]。吸附实验步骤：将0.05 g磁性阴离子交换树脂投加入装有100 mL废水的锥形瓶中，并置于恒温摇床培养箱（HPY-91R）里20℃振荡，接触反应时间为500 min，震荡转速为130 r/min。

1.3 电吸附装置制备与电吸附实验

电吸附电极由活性炭-聚四氟乙烯-炭黑（质量比为5∶4∶1）制备而成[5]。电吸附装置主要包含电极、电源（PS-305D，兆信）、蠕动泵（BT100-2J，LongerPump）、反应器、搅拌器（SM-3A，上海志威）和电导率仪（Seven Excellence，METTLER TOLEDO）组成。

电吸附实验运行参数：电极电压1.8 V、电极间距2 mm，进水流速15 mL/min和反应时间90 min[5]。每次实验处理100 mL废水。

1.4 试验仪器

废水中无机离子测定使用Thermo公司ICS-1100型号离子色谱仪；TOC的测定选用美国OI公司1030C型总有机碳分析仪；COD测定选用华晨公司HCA-102型COD消解仪；三维荧光测定选用日本Hitachi公司F-7000型荧光光谱仪。

2 结果与讨论

2.1 脱盐效果

实验对比了树脂吸附、电吸附和耦合工艺3种技术的脱盐效果，见图1。结果发现，废水经磁性阴离子交换树脂处理后电导率仅下降了39 μS/cm，去除率1.85%。电吸附和耦合工艺的脱盐效果较好，处理60 min，脱盐效率分别达到86.0%和92.3%，其中废水经耦合技术处理后电导率仅为162 μS/cm。

图1 3种技术脱盐过程

采用离子色谱进一步分析处理后溶液中Cl-和SO42-2种离子变化情况，结果见图2。从图2可以看出，原水经磁性阴离子交换树脂处理后Cl-质量浓度上升了205 mg/L，SO42-质量浓度下降了256 mg/L，这是具有较大电荷的SO42-置换了树脂表面Cl-的结果。电吸附和耦合工艺处理后Cl-和SO42-2种离子浓度下降显著。对比耦合工艺和电吸附技术处理后废水离子含量发现，2种工艺对Cl-的去除效果相当，但电吸附处理后废水中SO42-高于耦合工艺处理后的含量，这是因为电吸附技术对于Cl-吸附优于SO42-[6-7]，而磁性树脂吸附 SO42-，释放 Cl-的行为，恰恰增强了耦合工艺的脱盐效果。

图2 不同技术处理后Cl-和SO42-质量浓度

2.2 有机物去除效果

树脂吸附、电吸附和耦合工艺3种技术对废水中COD的去除情况见图3。从图3可以看出，单独电吸附工艺虽然能去除一些带电荷的有机物，但整体去除效果较差，废水经电吸附处理后COD质量浓度为69 mg/L，不能达到再生水水质标准（60 mg/L）。磁性树脂吸附处理后，废水的COD质量浓度下降到56 mg/L，去除率为34.1%，处理出水能够达到再生水水质标准。相比而言，在树脂吸附后，再进行电吸附处理，进一步增强了废水中有机物的去除，耦合工艺对废水COD的去除率为45.9%，出水COD质量浓度为46 mg/L。

图3 不同技术处理后废水COD质量浓度

树脂吸附、电吸附和2者耦合工艺3种技术处理后废水TOC去除情况见图4。从图4可以看出，经单独磁性阴离子交换树脂、电吸附和2者耦合工艺处理后废水TOC质量浓度分别下降了4.60，2.60，5.20 mg/L，3种技术对TOC去除趋势与COD基本一致。废水有机物去除实验表明磁性阴离子交换树脂耦合电吸附技术的有机物净化能力优于树脂吸附或电吸附单一技术。

图4 不同技术处理后废水TOC质量浓度

2.3 技术耦合优势

在实际废水中往往存在较高浓度的溶解性有机质（DOMs），已有研究表明，以碳材料制备电极存在易受DOMs中类腐殖质污染影响而降低脱盐能力[8-9]。实验采用三维荧光分析了废水原水、磁性阴离子交换树脂处理后废水的有机物种类，样品三维荧光图谱见图5。依据有机物荧光图谱分类情况[10-11]，图5（a）显示废水中主要含有DOMs中的类蛋白质和类腐殖酸物质，经过磁性阴离子交换树脂技术处理后废水中类腐殖酸物质得到有效去除（图5（b）），证明磁性阴离子交换树脂对类腐殖酸物质有着很好的处理效果[12]。废水中类腐殖酸去除后，降低了后续电吸附电极被污染的风险，延长了电吸附处理能力和寿命。因此，磁性阴离子交换树脂耦合电吸附技术既能去除有机物，又能降低废水盐度，且有效保护电吸附电极性能。

图5 样品三维荧光图谱

3 结论

（1）磁性阴离子交换树脂技术能有效去除废水中的有机物，包含类腐殖酸物质，COD去除率34.1%，但降低废水盐度效果微弱。

（2）电吸附技术对废水的脱盐率达86.0%，但有机物效果去除不佳。

（3）磁性阴离子交换树脂耦合电吸附的脱盐效率达92.3%，COD去除效率达45.9%，技术耦合既增加了电吸附技术的脱盐能力和磁性树脂吸附技术的有机物去除能力，又保护了电吸附电极、延长使用寿命，是一种极具潜力的高效再生水制备工艺。