离子交换纤维处理电镀废水中重金属离子方法的验证

杨 明 王海明 王天琦

(1.中国工程物理研究院动力部，四川绵阳，621900; 2.绵阳中学，四川绵阳，621900)

1 引言

随着电镀工业迅速发展及环保要求的不断提高，国内外开发了许多电镀废水处理技术。主要集中在化学法、电解法、离子交换法、吸附法、膜分离法、生物处理法等几种工艺方法。

化学法又包括沉淀法、氧化还原法、铁氧体法等方法。化学法处理电镀废水开发比较早，技术较为成熟，目前应用最广，适用于各类电镀金属废水的处理。传统化学法处理大致可分为四个阶段，分别是：①预处理阶段，该阶段主要除去废水中的杂质、油污，调节废水pH值；②氧化阶段，该阶段主要将电镀废水中的重金属离子氧化；③沉淀压泥阶段，该阶段主要将被氧化后易于沉淀的重金属离子沉淀压泥，达到重金属离子与废水分离的目的；④调节阶段；该阶段主要调节处理之后水的pH值及各种生化指标，最后达标排放。化学法存在的问题：处理后水质不能稳定地一次性达到国家排放标准，需反复加药，尤其在对低浓度废水处理时。产生大量淤泥形成二次污染，不能实现连续处理，效率低。

离子交换纤维是以纤维状材料为骨架的离子交换剂，离子交换基团主要存在于纤丝表面，具选择吸附性能、比表面积大、传质距离短等优点，适合于较大浓度范围的吸附交换，吸附饱和后可再生，特别适合于电镀综合废水中重金属离子的处理。其特点是工艺方法简单、可对目标废水进行连续处理，并一次稳定达到排放标准；可再生，对有价值重金属回收利用，废固少，无二次污染。

本方法以电镀综合废水为处理对象，在考察了离子交换纤维静态吸附性能的基础上，通过建立可移动式离子交换处理装置，验证不同浓度、不同流量对电镀综合废水中重金属离子的去除及再生效果，同时，验证装置在突发事件时的应急转运性能。

2 方法和装置

2.1 静态饱和交换容量

q=(C0-Ct)·V/m

C0和Ct分别是溶液中离子的起始质量浓度和平衡质量浓度，m是离子交换纤维的质量，V是溶液体积。

2.2 废水水质

本次验证试验处理的目标水样是某单位电镀车间经破氰后的电镀原水水样(见表1)。

2.3 装置验证

可移动式装置结构及布局示意图见图1。装置主要参数：装置外形尺：3000mm×2250mm×2815mm；再生液储罐2个吨桶；中间储罐2个容积4 m3(直径1.8米，占地3 m3/个)；占地面积：30m3；处理能力3 m3/小时；电机额定功率：2kW/380V。

表1 原水水质

图1 可移动式装置结构及布局示意图

2.4 验证方法

可移动式装置的验证主要通过：装车、运输、卸车、运行4个步骤进行。整个装置由主体装置及中间储罐(槽)构成。主体装置由过滤器、离子交换吸附罐ⅠⅡⅢ、泵、管路、阀门、控制系统组成，集成布置在一个机架上，可实现整体吊装、运输。本装置涉及的废水、处理后水、浓缩液储存设施采用单独设置储罐(槽)解决，共设置酸碱槽2个，中间储罐3个。装置吊装就位后，按照布局示意图1将主体装置与储槽、储罐连接在一起，并外接电、废水池，即可运行。

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工艺方法的验证主要通过：在不同条件下(浓度、流量)废液中重金属离子吸附、再生工艺完成。离子交换吸附采用串联型式：利用废水提升泵将中间储罐中经预处理后的电镀废水，泵入袋式过滤器滤去悬浮物，然后依次进入串联的吸附罐Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，处理后水排入达标水中间储罐中，检测水质，达标排放。

离子交换柱再生时罐体采用并联型式：如果吸附罐Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中某一罐饱和后，根据吸附罐中吸附材料特性，使用再生液循环泵，将再生液箱中预先配置好的一定浓度再生液从该吸附罐底部泵入、静置、浸泡1小时后，将解析液排入解析液中间储罐。

3 结果与讨论

3.1 静态饱和交换容量的测定

选择强碱性阴离子交换纤维(以下简称阴离子纤维)、强酸性阳离子交换纤维(以下简称阳离子纤维)为对象，以模拟含Cr(Ⅵ)、Cu2+电镀废水作为实验对象。取数只250 mL带塞锥形瓶，各加入两种离子交换材料和100 mL电镀废水模拟溶液，保持在25℃，超声波振荡器振荡吸附30 min。取上清液测定溶液中Cr(Ⅵ)和Cu2+的质量浓度，求得两种离子纤维分别对两种离子的交换容量。

交换量按下式计算：q=(c0-ct)·V/m

其中，c0和ct分别是溶液中离子的起始质量浓度和平衡质量浓度，m是离子交换纤维的质量，V是溶液体积。

考察后发现：阴离子交换纤维对Cr(Ⅵ)的静态吸附容量为223.525 mg/g，阳离子交换纤维对Cu2+的静态吸附容量为168.05 mg/g。由此确定，处理该目标水样应同时使用阴离子和阳离子两种离子交换纤维。

3.2 装置可移动性能的验证

(1)装车：旋转机架四个角的升降调节螺栓，使机架底部提高70 mm，叉车臂能够顺利插入机架底部。叉车臂提升过程无异常响声，无变形，叉车行走转弯自如。叉车垂直车厢长度方向将装置提升到货车厢板高度后放下，可顺利退出叉臂。载重8吨货车车厢板内宽为2300 mm，装置装车后，车侧面厢板可完全关上。上述过程，证明装置机架刚性、离地调节、机架尺寸满足装卸及运输要求。

(2)运输：装置装上车后离地总高约为4.1 m，能够顺利通过限高4.5 m路段。运输过程中，装置无变形，设备及管线无松动。

3.3 对三种不同浓度目标水样处理效果的验证(见表2)

(1)目标水样有三种不同浓度，分别为原液1、原液2、原液3；流量：2m3/h每种浓度废液处理120分钟后出水口分别取样：出水1、出水2、出水3。

(2)从表2中可以看出，不同浓度的废水原液，在同样流量2m3/h条件下处理后，其出水水质满足并优于国标排放标准。处理浓度范围广、操作弹性较大、适应性强。

3.4 使用不同流量对目标水样处理效果的验证(见表3)

(1)处理流量范围：1m3/h 2m3/h 3m3/h；在每种流量下处理废液120分钟后出水口分别取样。

表2 三种不同浓度目标水样处理效果的验证

表3 不同流量对目标水样处理效果的验证

(2)从表3中可以看出，在不同的流量下，处理结果均能达到并优于国家排放标准。特别是将设计流量2m3/h减少到1m3/h，或增加到3m3/h，仍然具有理想处理效果。说明在适当的调整流量后，该工艺方法及装置性能仍然可以稳定、可靠地运行，适应性强，能很好地满足实际工程应用需要。

3.5 离子交换装置的再生效果验证(见表4和表5)

将碱性再生液打入吸附罐体，浸泡1h后放出。15分钟后在出水口取样。从表4中可以看出，6价铬被成功洗脱，而总铜、总锌、总镍基本保留在罐体内。

表4 阴离子交换纤维的再生

表5 阳离子交换纤维的再生

将酸性再生液打入吸附罐体，浸泡1h后放出。15分钟后在出水口取样。从表5中可以看出，总铜、总锌、总镍被成功洗脱。

4 结论

(1)可移动式处理装置通过现场装车、卸车、转运过程中整体结构稳定，运输方便，吊装安全，机动性能强，具备针对突发事件应急处理的机动能力。

(2)采用离子交换纤维处理电镀综合废水，可将废水中6价铬、铜、锌、镍、总镉等重金属离子去除掉，并优于国家排放标准。

(3)离子交换纤维再生洗脱后，可重复使用。

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