吸附樹脂組合工藝對自來水的凈化處理效果研究

沈磊

(江蘇省鹽城市環(huán)境監(jiān)測中心站，鹽城 224002)

1 引言

水是不可替代的自然資源，在經(jīng)濟發(fā)展和人類生活中占有重要的位置，水資源和水源污染已經(jīng)成為當(dāng)今世界最重大的資源環(huán)境問題，世界各國都把水當(dāng)作為一種寶貴的資源去研究、開發(fā)、利用和保護。

在飲用水源不斷遭受污染的今天，僅僅強化傳統(tǒng)的常規(guī)處理工藝往往是不能滿足飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的要求。目前我國多數(shù)地區(qū)的自來水是采用傳統(tǒng)的氯氣消毒工藝生產(chǎn)的，在氯化過程中，必然形成潛在的致癌、致突變物三鹵甲烷、三鹵乙烯等，而且其含量往往超過衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。因此，積極探索新技術(shù)、新工藝，尤其是在現(xiàn)有工藝基礎(chǔ)上進行技術(shù)改造，是符合我國國情的解決飲用水中有機污染物的經(jīng)濟、有效的途徑。

吸附被認(rèn)為是對有機化工廢水中有機物的純化和分離最有效果的技術(shù)之一［1-4］。然而，樹脂吸附法在微污染水處理的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究還剛剛起步。以苯乙烯-二乙烯苯共聚物為主的大孔吸附樹脂及超高交聯(lián)吸附樹脂在微污染飲用水處理上還存在著吸附與脫附性能有待改善的問題。在這個領(lǐng)域中，苯乙烯-二乙烯苯高分子聚合物吸附樹脂的使用比較廣泛。為了改進吸附樹脂的吸附能力，環(huán)境工作者已經(jīng)做了大量的研究工作，并取得了較好的進展［5-9］。李愛民等通過用乙酰基修飾Amberlite XAD-4使吸附劑的比表面積大幅提高［7］。Davankov綜述了一系列新的超高交聯(lián)聚合物的化學(xué)修飾方法［8，9］，而經(jīng)修飾后的超高交聯(lián)吸附劑，將大大提高它們對許多吸附質(zhì)的吸附容量［7，10］。

為此，本文利用江蘇省鹽城市自來水作為源水，對自來水直接進樣進行氣相頂空分析，主要低沸點揮發(fā)性鹵代烴有5種，其中氯仿、三氯乙烯在同類型中含量較高，占總有機物濃度的52%。由于自來水中氯仿、三氯乙烯具有一定代表性，而且它們與水中的SOCs等其他微污染物的性質(zhì)有相似之處，所以以氯仿、三氯乙烯為指示性指標(biāo)探討樹脂組合工藝去除水中微污染物的效果和再生效果。

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

氣相-質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC/MS)(美國Agilent公司，HP6890型);元素分析儀(美國PE公司，PE2400型)。氯仿和三氯乙烯均為分析純。ZH-00、ZH-01和ZH-03是在大孔低交聯(lián)聚苯乙烯的基礎(chǔ)上進行后交聯(lián)反應(yīng)制得的，分別在聚苯乙烯骨架上連接了二甲胺基、2-羧基苯甲酰基和苯甲酰基，從而改變了表面特征和孔結(jié)構(gòu)。表1中列出了幾種吸附樹脂的表面性質(zhì)。

表1 3種吸附樹脂的表面性質(zhì)

2.2 小柱吸附和熱水脫附實驗

準(zhǔn)確量取一定體積的濕的樹脂加入到玻璃吸附柱中，在常溫下下進行小柱動態(tài)吸附實驗。將一定起始濃度的自來水溶液以一定流量過柱吸附，測定一定體積時流出液中氯仿和三氯乙烯的濃度。將吸附后的吸附劑用80℃熱水以1BV/h的流量過柱脫附。

3 結(jié)果與討論

3.1 處理工藝及再生效果

將自來水作為處理對象，但為了減少實驗時間，人為增加自來水中氯仿、三氯乙烯的含量，實驗起始濃度分別為6.0～8.0μg/mL。樹脂吸附劑用量分別為3mL，流量為1mL/min。吸附柱尺寸(Φ10mm×100mm)。處理單元如圖1的組合，測定經(jīng)ZH-01處理后的氯仿、三氯乙烯的即時濃度，結(jié)果如圖2，其中1是新樹脂，2為經(jīng)再生后的樹脂。當(dāng)吸附劑處理6L水以后，用不加樣品的自來水進行實驗，觀察是否存在脫附的情況。

根據(jù)文獻［10］的研究結(jié)果，在水溶液中氯仿、三氯乙烯在溫度較高時吸附量較差。于是測定了幾個溫度下的微孔較豐富的ZH-01對氯仿和三氯乙烯的的靜態(tài)吸附實驗結(jié)果(圖3)，在353K時，其去除率幾乎為0。因此采用80℃熱水進行再生，再生處理后的吸附效果沒有差別(圖2)，再生前后元素分析結(jié)果表明再生效果較好(表2)。

圖1 自來水中去除DBPs的樹脂法組合工藝

圖2 樹脂組合工藝對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劑的元素分析(兩次平均值)

圖3 不同溫度下ZH-01對氯仿和三氯乙烯的靜態(tài)吸附去除率

從圖2來看，三種樹脂吸附劑組合處理自來水，在處理量達到約2500BV時仍然具有較好的去除微污染物的效果。無論低濃度還是高濃度，在實驗范圍內(nèi)沒有出現(xiàn)脫附現(xiàn)象。根據(jù)文獻［10］，氯仿和三氯乙烯的分子直徑較小(0.66nm和0.73nm)，吸附劑的最佳吸附孔徑為吸附質(zhì)分子尺寸的1.7～3倍，所以其最佳吸附孔徑范圍為1.1～1.5nm。由于ZH-01、ZH-00和ZH-03具有發(fā)達的微孔和中孔，它們的平均孔徑分別為1.20、1.25和1.32nm，而且比表面積較高，所以去除自來水中微污染物的效果較好。

3.2 運行費用估算

自來水中總有機物濃度假設(shè)為0.4mg/L計算，則實驗時的濃度將是自來水中總有機物濃度的40倍以上。按照3.1提供的數(shù)據(jù)，三根吸附柱各裝3L樹脂計算，每運行半年可以制得純凈水240，000L，樹脂的價格為每立方10萬元，并再生一次，使用壽命10年，凈化每240噸水所需原料成本估算見表3，可見平均每噸水深度處理費用為0.2元左右，具有較好的應(yīng)用前景。

表3 運行材料費用估算

4 結(jié)論

在飲用水源不斷遭受污染的今天，僅僅強化傳統(tǒng)的常規(guī)處理工藝往往是不能滿足飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的要求，積極探索新技術(shù)、新工藝，尤其是在現(xiàn)有工藝基礎(chǔ)上進行技術(shù)改造，是符合我國國情的解決飲用水中有機污染物的經(jīng)濟、有效的途徑。吸附被認(rèn)為是對有機化工廢水中有機物的純化和分離最有效果的技術(shù)之一。然而，樹脂吸附法在微污染水處理的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究還剛剛起步。為了改進吸附樹脂的吸附能力，環(huán)境工作者已經(jīng)做了大量的研究工作，并取得了較好的進展。本文利用江蘇省鹽城市自來水作為源水，采用樹脂吸附處理工藝探討了新型吸附樹脂對自來水的深度處理效果和樹脂吸附劑的再生效果。

以上研究表明，該吸附樹脂的組合工藝對實際自來水中微污染有機化合物的吸附去除研究，并用元素分析的手段證實了組合工藝中的幾種吸附樹脂的脫附效果，結(jié)論如下:

(1)ZH-03、ZH-00和ZH-01樹脂吸附柱的順序進行組合，在空床接觸時間較短時對自來水中氯化消毒副產(chǎn)物的吸附去除效果也較好，水中吸附質(zhì)濃度較低，也沒有出現(xiàn)脫附現(xiàn)象。可以方便地被熱水脫附，不影響重復(fù)使用的效果。

(2)對自來水進行深度處理的原料成本大約為0.26元/t。

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