離子交換處理含銅廢水實(shí)驗(yàn)2012年4月

離子交換法處理含銅廢水大連理工大學(xué)環(huán)境學(xué)院2012年4月實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

了解離子交換法的原理掌握離子交換處理重金屬廢水的技術(shù)學(xué)習(xí)廢水中銅的測(cè)試方法一、離子交換原理及分類離子交換樹脂是一種不溶于酸、堿和有機(jī)溶劑的固態(tài)高分子材料。是一類帶有官能團(tuán)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高分子化合物，其結(jié)構(gòu)有三部分組成：不溶性的三維空間網(wǎng)狀骨架，連接在骨架上的官能團(tuán)和官能團(tuán)所帶的相反電荷的可交換離子。骨架上的活性離子在水溶液中發(fā)生離解，可在較大的范圍內(nèi)自由移動(dòng)，擴(kuò)散到溶液中，同時(shí)，在溶液中的同類型離子也能從溶液中擴(kuò)散到骨架的網(wǎng)格或孔內(nèi)。當(dāng)這兩種離子濃度差較大時(shí)，就產(chǎn)生一種交換的推動(dòng)力，利用這種濃度差的推動(dòng)力使樹脂上的可交換離子發(fā)生可逆交換反應(yīng)。樹脂按活性離子分類，如果活性離子是陽離子（和陽離子發(fā)生交換）就稱為陽離子交換樹脂；如果是陰離子，則稱為陰離子交換樹脂。本實(shí)驗(yàn)所用樹脂是001陽離子交換樹脂（苯乙烯系陽離子交換樹脂）。含有強(qiáng)酸性基團(tuán)，如磺酸基-SO3H，能在溶液中離解H+而呈強(qiáng)酸性。樹脂中的SO3－基團(tuán)能吸附溶液中的其它陽離子，這兩個(gè)反應(yīng)，使樹脂中的H+與溶液中的陽離子互相交換。這類樹脂用強(qiáng)酸進(jìn)行再生。強(qiáng)酸性樹脂的離解能力很強(qiáng)，在酸性或堿性溶液中都能離解和產(chǎn)生離子交換作用，因此使用時(shí)的pH沒有限制。1、強(qiáng)酸性陽離子樹脂R-SO3HR-SO3-＋H＋反應(yīng)簡(jiǎn)式為：R-SO3NaR-SO3-＋Na＋這類樹脂含有弱酸性基團(tuán)，如羧基-COOH、酚羥基-OH，能在水中離解出H+而呈弱酸性，R-COO-能與溶液中的其它陽離子吸附結(jié)合，而產(chǎn)生陽離子交換作用。這類樹脂由于離解性較弱，在低pH值下，難以離解和進(jìn)行離子交換，在堿性、中性或微酸性溶液中發(fā)揮作用（R-COOH應(yīng)在pH>6的溶液中操作，R-OH應(yīng)在pH>9的溶液中操作）。這類樹脂也是用酸進(jìn)行再生。2、弱酸性陽離子樹脂R-COOHR-COO-＋H＋反應(yīng)簡(jiǎn)式為：這類樹脂含有強(qiáng)堿性基團(tuán)，如季銨基[-N(CH3)3OH]，能在水中離解出而呈堿性，樹脂中的離解基團(tuán)能與溶液中其它陰離子吸附結(jié)合，產(chǎn)生陰離子交換作用。這類樹脂的離解性很強(qiáng)，使用的pH范圍無限制，再生一般用強(qiáng)堿（如NaOH）進(jìn)行。3、強(qiáng)堿性陰離子樹脂R-NR3OHR-NR3+＋OH-反應(yīng)簡(jiǎn)式為：這類樹脂含有弱堿性基團(tuán)，如伯胺基（-NH2）、仲胺基（-NHR）或叔胺基（-NR2），它們?cè)谒心茈x解出OH-而呈弱堿性。這類樹脂的離解能力較弱，只能在低pH（1-9）下工作，可以用Na2CO3、NH4OH等進(jìn)行再生。4、弱堿性陰離子樹脂R-NH2＋H2OR-NH3+＋OH-反應(yīng)簡(jiǎn)式為：離子交換樹脂的理化性能外觀：離子交換樹脂是一種透明或半透明的物質(zhì)，有白、黃、黑、赤褐色等幾種顏色。為了便于觀察，要求樹脂顏色較淡。樹脂球形，大小20-60目（0.25-0.84mm）。交聯(lián)度：樹脂在結(jié)構(gòu)中必須具有一定的交聯(lián)度，使其不溶于一般的酸、堿及有機(jī)溶劑。大多數(shù)離子交換樹脂是由苯乙烯和二乙烯苯聚合而成的。交聯(lián)度是二乙烯苯在樹脂母體總量中所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。交聯(lián)度的大小決定著樹脂機(jī)械強(qiáng)度以及網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的疏密。交聯(lián)度大，網(wǎng)孔小，結(jié)構(gòu)緊密，樹脂機(jī)械強(qiáng)度大；交聯(lián)度小，網(wǎng)孔大，結(jié)構(gòu)疏松，樹脂機(jī)械強(qiáng)度小。另外：樹脂不僅交換容量和選擇性要好，而且要容易解吸，一般吸附容易的解吸就比較困難。離子交換選擇性離子交換樹脂總是優(yōu)先選擇高價(jià)離子，而低價(jià)離子被吸附時(shí)則較弱。陽離子被吸附的順序?yàn)椋篎e3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>Na+

陰離子順序?yàn)椋簷幟仕岣?gt;硫酸根>硝酸根

Cr2O7-＞SO4-＞NO3-＞CrO-＞Cl-＞OH-

樹脂對(duì)離子交換吸附的選擇性，在稀溶液中比較大，而在濃溶液中選擇性較小。水化半徑較小的離子優(yōu)先吸附。離子交換樹脂的預(yù)處理及再生1、預(yù)處理新樹脂在制造過程中，常有某些未參與聚合反應(yīng)的低分子和高分子成分的分解產(chǎn)物及一些鐵、銅、鋁等金屬物質(zhì)。在樹脂表面還有灰塵等污物。新樹脂裝入柱后，先用去離子水浸泡12h左右，使樹脂充分吸水膨脹，再用2-3倍樹脂體積的10%左右食鹽水浸泡4h以上。用水洗凈殘留的NaCl，再根據(jù)樹脂類型和使用所需要的型號(hào)分別用酸和堿處理，最后調(diào)pH值至所需范圍。2、再生先用清水洗滌，然后用再生劑再生，最后用清水洗至所需pH值；鈉型強(qiáng)酸性樹脂用NaCl溶液再生；氫型強(qiáng)酸性樹脂用強(qiáng)酸再生；氯型強(qiáng)堿性陰樹脂主要用NaCl溶液再生；羥型強(qiáng)堿性陰樹脂用NaOH溶液再生。二、重金屬污染及危害從環(huán)境污染方面所說的重金屬，實(shí)際上主要是指汞、鎘、鉛、鉻以及類金屬砷等生物毒性顯著的重金屬，也指具有一定毒性的一般重金屬，如鋅、銅、鈷、鎳、錫等。由重金屬或其化合物造成的環(huán)境污染稱為重金屬污染。重金屬廢水及其化合物能在水生生物體內(nèi)以及植物體組織內(nèi)累積富集，通過飲水和食物鏈的生物積累、生物濃縮、生物放大等作用，最終對(duì)人體健康造成嚴(yán)重危害。

重金屬廢水是污染性很強(qiáng)的一類廢水，即使?jié)舛群苄。材茉斐晌：?，且毒性具有長(zhǎng)期持續(xù)性。上世紀(jì)中葉發(fā)生在日本的，世界上最著名的生態(tài)環(huán)境病“水俁病”。該病是以地名命名的。是突然爆發(fā)的一種前所未有的怪病。發(fā)病者中漁民明顯高于農(nóng)民，發(fā)病前毫無征兆，嚴(yán)重者數(shù)日內(nèi)死亡，輕者癥狀終身不退，隨時(shí)發(fā)作，只能以藥物暫緩?fù)纯唷?950年在日本的水俁灣附近漁村中，人們發(fā)現(xiàn)一些人走路像貓步的樣子，抽筋麻痹，最后跳入水中溺死，當(dāng)?shù)厝酥^之“自殺貓”。1953年水俁地區(qū)發(fā)現(xiàn)一個(gè)生怪病的人，開始只是口齒不清，步態(tài)不穩(wěn)，面部癡呆，近而耳聾眼瞎，全身麻木，最后神經(jīng)失常，一會(huì)酣睡，一會(huì)興奮異常，身體彎弓，高叫而死。1956年在這個(gè)地區(qū)又發(fā)現(xiàn)五十多人患有同樣癥狀的病。

經(jīng)過對(duì)病的調(diào)查和研究，在1962年才確定水俁病的發(fā)生是由于汞的環(huán)境污染，特別是常期食用被污染的魚和貝類引起的甲基汞慢性中毒。這是從水俁地區(qū)的工廠排放的氯化甲基汞污染海域，使魚和貝類中毒造成的。

水俁病是直接由汞對(duì)海洋環(huán)境污染造成的公害，迄今已在很多地方發(fā)現(xiàn)類似的污染中毒事件，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)其他一些重金屬如鎘、鈷、銅、鋅、鉻等，以及非金屬砷，它們的許多化學(xué)性質(zhì)都與汞相近，這不能不引起人們的警惕。

最應(yīng)引起人們注意的重金屬污染物是鉛、汞、鎘。

鉛可以作為農(nóng)藥及汽油、油漆、家具、瓷器等的添加劑。燃煤也會(huì)釋放出大量的鉛。鉛的危害主要是會(huì)引起兒童智力發(fā)育障礙。

汞是一種重要的化工產(chǎn)品，可以在采礦和相關(guān)的化工生產(chǎn)中流入環(huán)境而造成污染。另外燃煤、化妝品、日光燈、溫度計(jì)等都可能含有一定數(shù)量的汞。如果大量吸入和接觸，汞會(huì)對(duì)人的神經(jīng)系統(tǒng)和肝臟、腎臟等器官產(chǎn)生嚴(yán)重的損壞。汞污染造成中毒最典型的就是“水俁病”。汞可以在環(huán)境中變?yōu)榧谆?，甲基汞具有很高的毒性，容易在食物鏈中富集和放大，造成極大的危害。有些具有美白祛斑功效的化妝品含有很高含量的汞，購買使用時(shí)要謹(jǐn)慎選擇。汞易揮發(fā)，如果遇到汞溢出或泄漏事件時(shí)，應(yīng)已硫粉覆蓋并迅速離開至安全地方。

鎘用途很廣，鎘鹽、鎘蒸燈、顏料、煙霧彈、合金、電鍍、焊藥、標(biāo)準(zhǔn)電池等，都要用到鎘。鎘是一種毒性很大的重金屬，其化合物也大都屬毒性物質(zhì)。如中國(guó)的新馬村就是因?yàn)殒k中毒被稱為“癌癥村”。三、實(shí)驗(yàn)原理采用自動(dòng)加液泵在一定流量下將含銅廢水加入離子交換柱，溶液中的銅離子經(jīng)過陽離子交換樹脂后與氫離子交換而被吸附在樹脂上，從而達(dá)到去除水中銅離子的目的，在一定時(shí)間內(nèi)取出水口出水，測(cè)定水中銅離子濃度，并計(jì)算去除率。采用比色法（546nm)測(cè)定出水中銅離子濃度。顯色反應(yīng)原理：新銅試劑+Cu2+藍(lán)色絡(luò)合物。

四、實(shí)驗(yàn)步驟準(zhǔn)確吸取20mg/L銅標(biāo)準(zhǔn)溶液0、1、2、3、4、5mL,分別放入10ml的具塞比色管中，加水至5mL。依次加入10％檸檬酸銨溶液1mL，氨水緩沖液1ml，新銅試劑（雙環(huán)已酮草酰二腙，BCO）2ml，用去離子水稀釋至10ml，放置10分鐘后，在7504型分光光度計(jì)上于546nm，用1cm玻璃比色皿，以試劑空白作參比測(cè)定溶液吸光度，以吸光度-銅濃度繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線（吸光度為橫坐標(biāo)）。啟動(dòng)進(jìn)水泵，將流量穩(wěn)定在40-60mL/min，系統(tǒng)穩(wěn)定