離子交換法處理工業廢水中重金屬的現狀與發展

鄒 濤，劉明遠

(濱州學院 化學化工學院，山東 濱州 256603)

離子交換法處理工業廢水中重金屬的現狀與發展

鄒 濤，劉明遠

(濱州學院 化學化工學院，山東 濱州 256603)

隨著工業的迅速發展，環境污染問題日益嚴峻，而工業廢水的處理不當是環境污染的主要原因之一。在加大環境問題管理力度的同時廢水處理技術也在不斷地更新，離子交換法處理廢水由于能耗低、效率高等原因得到比較廣泛的應用和發展。綜述主要是介紹了離子交換法處理廢水中重金屬的研究和應用，也介紹了一些國內采用離子交換法處理廢水的研究成果。

離子交換；廢水處理；重金屬；現狀與發展

近年來隨著工業的迅速發展，環境污染問題愈演愈烈，逐漸成為全社會關注的焦點。環境問題中比較嚴峻的問題是廢水中重金屬的處理。重金屬在排放到外界環境后很難在自然條件下進行自然降解，而且還會通過飲用水、食物等被攝入人體對人體的健康造成非常嚴重的危害。日本神通川鎘中毒引起的“痛痛病”和水俁灣汞中毒引起的“水俁病”，是重金屬對人體健康造成危害的典型事例。重金屬廢水具有來源廣、水量大等特點，主要來自于礦山排水、廢石場淋濾水、選礦場尾礦排水、有色金屬冶煉廠除塵排水、有色金屬加工廠酸洗廢水、電鍍廠鍍件洗滌水、鋼鐵廠酸洗排水及電解、農藥、醫藥、油漆和染料等[1]。未經處理的工業廢水中含有大量的金、銀、銅等高價值貴金屬，有的還含有大量對人體健康有嚴重危害的鉛、鉻、汞等重金屬，如果不對此類廢水進行處理直接排放不但會造成資源的浪費還會對環境造成非常嚴重的污染。隨著我國工業的迅速發展，工業廢水中的重金屬污染問題日益嚴峻，如何環保、安全的處理工業廢水已經成為人們日益關注的一個問題。

1 工業廢水中重金屬的處理方法

處理工業廢水的方法多種多樣但工業廢水中重金屬的主要處理方法有電解法、沉淀法、氧化還原法、離子交換法和吸附法。目前，化學沉淀法大多用于處理廢水中的重金屬，但沉淀法會產生有毒污染物，而且處理成本高。

采用化學沉淀法處理含有重金屬的廢水會產生產生再次污染，例如：產生大量重金屬污泥。這些污泥則需要妥善處理和處置，處理不當便會對環境造成污染。這些污泥不僅處理難度大而且還會造成成本的增加，經過沉淀法處理后的廢水無法進行循環利用，對水資源也會造成極大的浪費。與此同時電解處理的廢水要電能消耗大，耗鋼量大，運行成本高，設備維護管理復雜，電解后的廢渣不易進行處理，所以在一些小化工企業的應用較多[2]。而離子交換法在去除重金屬離子的同時還能將重金屬離子進行回收，既避免了資源的浪費也使廢水可以再次進行利用。離子交換技術是一種新型的、高效節能技術，該技術低能耗，不會對環境再次造成污染，通過該技術處理后的水質符合標準，具有廣泛的應用前景。

2 離子交換技術及過程

2.1 離子交換技術

離子交換技術是利用重金屬離子和離子交換樹脂產生離子交換的技術，兩者交換后我們可以將重金屬離子進行回收。離子交換技術通過與廢水中想要除掉的離子進行吸附來降低廢水中的金屬濃度使廢水得以離凈化，而且樹脂交換之后還可通過再生劑對樹脂進行再生[3]。樹脂再生是利用再生劑將樹脂中的金屬離子進行洗脫，將金屬離子進行回收，從而使得樹脂恢復其交換能力。

采用離子交換對廢水進行處理的原理為：含有活性功能基團的離子交換樹脂與廢水中的重金屬離子進行交換反應,從而實現對金屬離子的回收。

2.2 離子交換過程

離子交換技術是一種在溶液中對所需物質進行交換的技術，該技術具有良好的針對性和選擇性，并且離子交換技術操作起來非常方便，效果明顯。因此采用離子交換可以實現從廢水中去除重金屬離子，或從廢水中分離出某種所需物質。在應用離子交換技術處理廢水中重金屬的過程中可以大致分為以下幾個步驟[4]：

(1)廢水中的重金屬離子通過對流和擴散到樹脂表面；

(2)內部網絡結構重金屬離子通過膜進入樹脂顆粒內部網絡結構的交換組；

(3)在樹脂上重金屬離子與交換基團的進行交換反應；

(4)重離子被交換到樹脂表面；

(5)通過對流將離子交換到溶液中。

3 離子交換樹脂

離子交換樹脂是一種具有網狀結構，不溶于水的一種功能高分子材料。離子交換樹脂大致可分為苯乙烯型樹脂、丙烯酸型樹脂、酚醛型樹脂、環氧型樹脂、乙烯吡啶型樹脂、脲醛型樹脂、氯乙烯型樹脂等；其中按樹脂形態可以將樹脂分為凝膠型和大孔型兩種；另外，根據離子交換樹脂所含官能團的性質的不同又可分為強酸、弱酸、強堿、弱堿、螯合、酸堿兩性和氧化還原型等七類[5]； 按照樹脂的使用用途不同又可以將樹脂分為水處理用樹脂、藥用樹脂、催化用樹脂、脫色用樹脂、分析用樹脂以及核子級樹脂等不同種類[6]。離子交換樹脂技術處理工業廢水中的重金屬不僅有操作簡單、樹脂可再生等優點，而且還不會產生其他對環境造成再污染的物質，所以在廢水處理方面得到廣泛應用。離子交換樹脂不僅可以處理污水而且還可以用于處理廢水中的酸、減少酸霧和霧霾等其他環境保護方面，這樣就可以使我國環境問題得到進一步的改善和處理[7]。由此可以看出離子交換樹脂的市場是非常廣闊的，所以離子交換樹脂的應用前景是非常廣泛。離子交換樹脂在進行廢水處理時會用到強酸、弱酸、強堿、弱堿、螯合、酸堿兩性和氧化還原型等樹脂，這幾種樹脂會在下文會進行介紹，其他樹脂則不再一一敘述。

3.1 強酸性離子交換樹脂

該樹脂具有較強的酸性基團，在溶液中有H+的解離，所以這種樹脂是強酸性的，在解離的過程中會有強酸性離子和這些負基團發生交換[8]。強酸性的離子交換樹脂與其他的交換樹脂相比其離解能力是很強的，無論在酸性還是堿性溶液中都能夠發生離解。

3.2 弱酸性離子交換樹脂

這種樹脂是指含有羧基和酚醛基團的離子交換樹脂。然而，含羧酸基團的離子交換樹脂的應用最為廣泛，此類樹脂在發生離解后的負電基團會與廢水中的陽離子發生交換。但是含羧酸基的離子交換樹脂的離解能力與強酸性離子交換樹脂相比較弱，該樹脂只能在堿性、中性或者是微酸性的溶液中才能發生離解。

3.3 強堿性離子交換樹脂

這種樹脂含有一組強堿性基團，能在溶液中解離和分解出OH-。樹脂解離后，陽性基團的其余部分將與溶液中的陰離子相互作用以得到所需的材料。因為此類樹脂的離解性特別強所以在任意的pH值中都可以正常的進行工作。

3.4 弱堿性離子交換樹脂

這種樹脂含有一組弱堿性基團，這些弱堿性基團在水中發生解離并解離出OH-。離解后的正電基團與溶液中的陰離子會發生交換作用。但是此類基團的離解能力較弱只能在中性或酸性的溶液中才能進行離解。

3.5 螯合樹脂

螯合樹脂與其他樹脂不同，此類樹脂可以與金屬離子形成多配位絡合物的交聯功能的高分子材料，而且這種樹脂中含有的一些原子與金屬離子形成配位鍵從而使得該體系比較穩定。

3.6 酸堿兩性離子交換樹脂

此類樹脂與其他樹脂不同點在于在同一樹脂里面會同時含有陰離子和陽離子兩種交換基團，這種樹脂的特別之處使得其選擇性與其他樹脂相比要高很多，同時在這種樹脂內部還有可能會形成內鹽，有助于離子交換的進行。

3.7 氧化還原樹脂

此類樹脂含有的基團具有氧化還原的可逆性，它能夠和廢水中的重金屬離子進行電子轉移，此類樹脂優點是處理廢水時不會引入新的雜質，同時還可以處理溶液中溶解的氧氣，經此類樹脂處理后的產品純度高。

4 離子交換技術在處理廢水中重金屬的應用

4.1 離子交換技術去除廢水中的鉻

唐樹和[9]等采用201×7強堿性陰離子交換樹脂對含鉻廢水進行了處理,通過實驗對模擬含鉻廢水和對實際含鉻廢水進行了處理,探討了廢水pH值、交換時間等條件對于處理廢水中鉻離子的影響，當廢水中Cr6+的初始濃度為1 540 mg/L時，處理后污水仍符合國家排放標準，對離子交換樹脂進行再生時用8% NaOH溶液、50℃溫度,樹脂再生率大于95%,效果比較令人滿意，實現了樹脂的重復利用。

辛金豪[10]表示采用離子交換法處理含鉻廢水主要是是利用陰離子交換樹脂處理廢水中 Cr(Ⅵ)，采用陽離子交換樹脂去除 Cr(III)。離子交換法處理含鉻廢水具有實用性能好、吸附效率高、飽和容量大、經處理后的廢液含鉻濃度符合標準，而且廢水可以回收利用同時也可以將鉻酸回收加以利用等優點，具有良好的發展前景。

4.2 離子交換技術去除廢水中的銅

張劍波[11]等采用大孔磺酸型陽離子交換樹脂處理工業廢水中的Cu2+，并對其進行試驗測定，通過不同條件下對樹脂進行多次吸附、解吸后樹脂的吸附能力進行測定后得出結果是強酸1#樹脂與PK208樹脂的吸附性能最好，其交換性能穩定，交換容量大，有著良好的再生性,對Cu2+的吸附能力高,處理后的水質符合含銅廢水處理標準。其交換機理為：

大孔型樹脂與其他樹脂不同的是在樹脂內部,不管是干燥狀態還是濕潤狀態又或是收縮、吸水膨脹狀態都會比一般的樹脂擁有更大的的孔道布滿樹脂內部,所以大孔型的樹脂表面積會更大,這就使得樹脂在與進行與Cu2+交換的時候，銅離子容易發生遷移擴散,而且會比較快速的完成交換過程,工作效率高。樹脂的交換基為SO3H,與Cu2+會發生以下的交換反應：

式中的R為樹脂的骨架。

4.3 離子交換技術去除廢水中的鎳

張寶貴[12]等采用D412 鰲合樹脂處理含鎳廢水，并對其進行了實驗測定，結果表明，在 pH值為 4～5 時，是D421 樹脂對鎳離子進行交換的最適 pH值，而且用 pH值為 3.7 的 HAc～NaAc 緩沖液可以將交換的鎳離子進行高效的回收，避免了資源的浪費。

陸繼來[13]等采用強酸性陽離子來去除含鎳廢水，通過實驗測定了pH值、水溫等因素對鎳的交換效率的影響，實驗得出：交換時適宜pH值為6～7，溫度為30℃時交換效果最佳。

4.4 離子交換技術去除廢水中的鉛

傅建捷[14]等采用弱堿性陰離子交換樹脂從氯化物體系中處理Pb2+,當pH值為4～6時處理效果最好。王晨光[14]等發現采用強酸性陽離子交換樹脂處理鉛離子時吸附容量大，吸附效果好，而且樹脂可以很好的實現樹脂再生，可以用于廢水中鉛離子的回收，防止鉛離子進入環境造成污染。其交換機理為：

工業廢水中鉛離子是大多以Pb2+狀態存在,利用高分子電解質結構為R-SO3H(H型)強酸性陽離子交換樹脂與Pb2+進行交換，進行交換時存在如下的離子平衡式:

Pb2++2R-SO3H→(R-SO3)2Pb+2H+

處理后的排放溶液為酸性水溶液。

該工藝以NH4AC為再生劑,陽離子交換樹脂通過再生轉化為NH4型(R-SO3NH4),除鉛原理為:

Pb2++2R-SO3NH4→(R-SO3)2Pb+2NH4

4.5 離子交換技術去除廢水中的錳．

魏建[16]等選用某離子交換樹脂對廢水中的Mn2+進行處理，通過實驗確定了廢水的酸度、交換時間和廢水中Mn2+濃度對交換效率的影響并得出以下結論：當廢水中Mn2+濃度達到500/L時離子交換容量大，對飽和的樹脂采用10%的硫酸進行再生后樹脂可以實現再生實現重復利用，洗脫出來的Mn2+主要是MnSO4可以回到電解錳的工藝中實現錳的回收利用。其交換機理為：

離子交換的實質是離子交換樹脂與溶液中的錳離子的進行交換反應,錳離子的交換反應是一個特殊可逆進行的的吸附過程。離子交換樹脂吸附和再生Mn2+的過程如下:

式中：R——樹脂母體;

M+——樹脂上可交換的離子。

再生是交換反應的逆過程,因為再生液中濃度具有絕對優勢所以再生液流過樹脂層時會把已吸附的離子置換出來,使樹脂恢復交換能力。

4.6 離子交換技術去除廢水中的汞

黃德智[17]采用混凝沉淀-超濾-離子交換組合工藝處理某化工廠中的中含汞廢水，通過對車間排放廢水進行取樣檢測發現經過該組合工藝處理后的含汞廢水符合排放標準。

其工藝采用“超濾+兩級ADS(樹脂)”，工藝原理為：

首先利用一級UF過濾處理掉工業廢水中的懸浮汞，然后再采用兩級ADS處理掉廢水中溶解態的汞離子，當樹脂飽和后進行洗脫，洗脫后的高濃度的含汞溶液進入沉淀池進行沉淀。

通過該組合工藝處理后的溶液含汞濃度遠遠低于排放放標準，而且該工藝操作方便，成本也較低。

5 結論

綜上所述離子交換技術處理廢水擁有環保型，經濟可行性，操作簡單等優勢。離子交換技術能夠有效的處理工業廢水中的重金屬離子，經過處理后的廢水中重金屬離子濃度遠遠低于其他方法處理后的廢水中重金屬離子的濃度，通過離子交換技術實現了金屬離子的回收避免了排放到外界環境，避免了對環境造成污染和進入人體對人體健康造成嚴重影響。而且離子交換樹脂處理廢水中重金屬不僅操作簡單而且還可以再生，樹脂利用率高。

但是由于廢水排放量巨大而且廢水中成分復雜所以交換材料應該更加具有針對性以便能夠更好地分離出需要的物質，還要提高交換材料的吸附容量和吸附速度來應對排放量巨大的問題。

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(本文文獻格式：鄒 濤，劉明遠 .離子交換法處理工業廢水中重金屬的現狀與發展[J].山東化工，2017，46(10)：190-192.)

Present Status and Ddevelopment of Ion ExchangeMethod for Treatment of Heavy Metals in Industrial Waste Wwater

ZouTao,LiuMingyuan

(1.College of Chemistry and Chemical Engineering, Binzhou University, Binzhou 256603,China)

With the rapid development of industrial pollution of the environment problem is increasingly serious, and the improper industrial waste water treatment is one of the leading causes of pollution of the environment, at the same time of strengthening the environment management of waste water treatment technology is in constant updates, ion exchange method and treatment of waste water because of low energy consumption and high efficiency has more extensive application and development. Review mainly introduces the ion exchange method, research and application of heavy metals in waste water treatment, also introduced some of the research achievements of domestic waste water can be treated by ion exchange method.

ion exchange;waste water treatment; heavy metal;present situation and the development

2017-03-30

濱州學院科研基金資助項目BZXYG1109

X703

A

1008-021X(2017)10-0190-03