磁性樹脂耦合電吸附的再生水制備工藝研究

張滿成，王長明，朱增銀，付益偉，王 棟

（江蘇省環境科學研究院江蘇省環境工程重點實驗室，江蘇 南京 210036）

0 引言

我國每年產生的工業廢水和城市生活污水總量呈逐年上升趨勢，新鮮水的大量消耗和廢水的大量產生排放，導致我國水資源匱乏，保護和節約水資源已成為基本國策之一。廢水資源的循環再利用能有效緩解水資源短缺的問題，再生水制備更是拓展了廢水循環利用的空間和用途。

再生水制備工藝已成為水處理領域的研究熱點，鑒于污水成分復雜多樣，再生水制備大多采用組合工藝。在水處理技術研究中，比表面積大、官能團種類多、再生快捷且不易流失的磁性陰離子交換樹脂對于有機物有著很好的處理效果[1]，相較于混凝和一些高級氧化技術不會產生二次污染[2]。電吸附技術自問世以來，以脫鹽率高、低電耗、方便簡潔的特點[3]，比反滲透和蒸發結晶為代表的脫鹽技術更加高效經濟，引起了全球科研工作者廣泛的關注。

本文提出磁性陰離子交換樹脂耦合電吸附再生水制備工藝，以此來處理印染廢水生化出水。實驗比較了樹脂吸附、電吸附及其耦合工藝對鹽度和有機物的去除效果，闡述了樹脂吸附和電吸附耦合的優勢。該耦合技術污染物去除效率高，操作性強，有著廣闊的應用前景。

1 材料與方法

1.1 廢水水質分析

實驗研究對象為江蘇某印染廠污水處理生化出水，具體檢測指標見表1。其廢水COD質量濃度為85 mg/L，電導率為2 104 μS/cm，溶解性總固體（TDS）質量濃度為 1 455 mg/L。

表1 廢水指標檢測值mg·L-1

1.2 磁性陰離子交換樹脂吸附實驗

磁性陰離子交換樹脂采用丙烯酸酯、二乙烯苯和Fe3O4納米粒子懸浮聚合而成[4]。吸附實驗步驟：將0.05 g磁性陰離子交換樹脂投加入裝有100 mL廢水的錐形瓶中，并置于恒溫搖床培養箱（HPY-91R）里20℃振蕩，接觸反應時間為500 min，震蕩轉速為130 r/min。

1.3 電吸附裝置制備與電吸附實驗

電吸附電極由活性炭-聚四氟乙烯-炭黑（質量比為5∶4∶1）制備而成[5]。電吸附裝置主要包含電極、電源（PS-305D，兆信）、蠕動泵（BT100-2J，LongerPump）、反應器、攪拌器（SM-3A，上海志威）和電導率儀（Seven Excellence，METTLER TOLEDO）組成。

電吸附實驗運行參數：電極電壓1.8 V、電極間距2 mm，進水流速15 mL/min和反應時間90 min[5]。每次實驗處理100 mL廢水。

1.4 試驗儀器

廢水中無機離子測定使用Thermo公司ICS-1100型號離子色譜儀；TOC的測定選用美國OI公司1030C型總有機碳分析儀；COD測定選用華晨公司HCA-102型COD消解儀；三維熒光測定選用日本Hitachi公司F-7000型熒光光譜儀。

2 結果與討論

2.1 脫鹽效果

實驗對比了樹脂吸附、電吸附和耦合工藝3種技術的脫鹽效果，見圖1。結果發現，廢水經磁性陰離子交換樹脂處理后電導率僅下降了39 μS/cm，去除率1.85%。電吸附和耦合工藝的脫鹽效果較好，處理60 min，脫鹽效率分別達到86.0%和92.3%，其中廢水經耦合技術處理后電導率僅為162 μS/cm。

圖1 3種技術脫鹽過程

采用離子色譜進一步分析處理后溶液中Cl-和SO42-2種離子變化情況，結果見圖2。從圖2可以看出，原水經磁性陰離子交換樹脂處理后Cl-質量濃度上升了205 mg/L，SO42-質量濃度下降了256 mg/L，這是具有較大電荷的SO42-置換了樹脂表面Cl-的結果。電吸附和耦合工藝處理后Cl-和SO42-2種離子濃度下降顯著。對比耦合工藝和電吸附技術處理后廢水離子含量發現，2種工藝對Cl-的去除效果相當，但電吸附處理后廢水中SO42-高于耦合工藝處理后的含量，這是因為電吸附技術對于Cl-吸附優于SO42-[6-7]，而磁性樹脂吸附 SO42-，釋放 Cl-的行為，恰恰增強了耦合工藝的脫鹽效果。

圖2 不同技術處理后Cl-和SO42-質量濃度

2.2 有機物去除效果

樹脂吸附、電吸附和耦合工藝3種技術對廢水中COD的去除情況見圖3。從圖3可以看出，單獨電吸附工藝雖然能去除一些帶電荷的有機物，但整體去除效果較差，廢水經電吸附處理后COD質量濃度為69 mg/L，不能達到再生水水質標準（60 mg/L）。磁性樹脂吸附處理后，廢水的COD質量濃度下降到56 mg/L，去除率為34.1%，處理出水能夠達到再生水水質標準。相比而言，在樹脂吸附后，再進行電吸附處理，進一步增強了廢水中有機物的去除，耦合工藝對廢水COD的去除率為45.9%，出水COD質量濃度為46 mg/L。

圖3 不同技術處理后廢水COD質量濃度

樹脂吸附、電吸附和2者耦合工藝3種技術處理后廢水TOC去除情況見圖4。從圖4可以看出，經單獨磁性陰離子交換樹脂、電吸附和2者耦合工藝處理后廢水TOC質量濃度分別下降了4.60，2.60，5.20 mg/L，3種技術對TOC去除趨勢與COD基本一致。廢水有機物去除實驗表明磁性陰離子交換樹脂耦合電吸附技術的有機物凈化能力優于樹脂吸附或電吸附單一技術。

圖4 不同技術處理后廢水TOC質量濃度

2.3 技術耦合優勢

在實際廢水中往往存在較高濃度的溶解性有機質（DOMs），已有研究表明，以碳材料制備電極存在易受DOMs中類腐殖質污染影響而降低脫鹽能力[8-9]。實驗采用三維熒光分析了廢水原水、磁性陰離子交換樹脂處理后廢水的有機物種類，樣品三維熒光圖譜見圖5。依據有機物熒光圖譜分類情況[10-11]，圖5（a）顯示廢水中主要含有DOMs中的類蛋白質和類腐殖酸物質，經過磁性陰離子交換樹脂技術處理后廢水中類腐殖酸物質得到有效去除（圖5（b）），證明磁性陰離子交換樹脂對類腐殖酸物質有著很好的處理效果[12]。廢水中類腐殖酸去除后，降低了后續電吸附電極被污染的風險，延長了電吸附處理能力和壽命。因此，磁性陰離子交換樹脂耦合電吸附技術既能去除有機物，又能降低廢水鹽度，且有效保護電吸附電極性能。

圖5 樣品三維熒光圖譜

3 結論

（1）磁性陰離子交換樹脂技術能有效去除廢水中的有機物，包含類腐殖酸物質，COD去除率34.1%，但降低廢水鹽度效果微弱。

（2）電吸附技術對廢水的脫鹽率達86.0%，但有機物效果去除不佳。

（3）磁性陰離子交換樹脂耦合電吸附的脫鹽效率達92.3%，COD去除效率達45.9%，技術耦合既增加了電吸附技術的脫鹽能力和磁性樹脂吸附技術的有機物去除能力，又保護了電吸附電極、延長使用壽命，是一種極具潛力的高效再生水制備工藝。