李菲,趙俊學(xué),馬紅周,曾媛,李小明

(西安建筑科技大學(xué)冶金工程學(xué)院,陜西西安710055)

用強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂從不銹鋼酸洗廢水中富集鉻

李菲,趙俊學(xué),馬紅周,曾媛,李小明

(西安建筑科技大學(xué)冶金工程學(xué)院,陜西西安710055)

研究了用強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂(001×7)吸附不銹鋼酸洗廢水中的鉻,考察了樹脂的飽和吸附容量、吸附時(shí)間對(duì)樹脂吸附鉻的影響,分析了等溫吸附平衡及負(fù)載樹脂的解吸再生。結(jié)果表明：298 K溫度下,001×7樹脂對(duì)廢水中Cr3+的飽和吸附容量為60.34 mg/g;吸附90 min可達(dá)離子交換平衡;廢水中鉻質(zhì)量濃度為700 mg/L時(shí),樹脂的平衡吸附量為90 mg/g;根據(jù)吸附動(dòng)力學(xué),初步判定吸附過程為液膜控制;用質(zhì)量濃度為9 g/L的硫酸鈉溶液可以從負(fù)載樹脂上解吸鉻,鉻解吸率達(dá)99%以上,解吸后的樹脂可重復(fù)使用。

強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂;不銹鋼酸洗廢水;鉻;分離

近年來,不銹鋼產(chǎn)品生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的污染越來越受重視,針對(duì)酸洗鈍化過程中的含鉻離子的酸洗廢水已研發(fā)出了多種處理法,如氧化還原法、溶劑萃取法、蒸發(fā)濃縮法、反滲透膜法等[1]。本試驗(yàn)采用強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂研究從酸洗廢水中富集并分離鉻,以期為含鉻酸洗廢水的處理找到簡便、高效、無二次污染的有效方法。

1 試驗(yàn)部分

1.1 廢水的組成

試驗(yàn)廢水為模擬某不銹鋼生產(chǎn)公司酸洗鈍化階段產(chǎn)生的酸洗廢水,其中ρ(Cr3+)=0.2 g/L,ρ(HNO3)=1.2 g/L,ρ(HF)=6.0 g/L。

1.2 樹脂的基本特性

001×7樹脂為金黃色球狀顆粒,透明,骨架為苯乙烯系,交換基團(tuán)為—SO3Na,其他理化參數(shù)見表1。

表1 001×7樹脂理化性質(zhì)

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 樹脂預(yù)處理

樹脂用蒸餾水漂洗后,用5倍于樹脂體積的蒸餾水浸泡24 h,再用濃度為1 mol/L的鹽酸溶液浸泡24 h,最后分離酸液,用蒸餾水沖洗至p H為7.0左右。

1.3.2 樹脂飽和吸附容量的測(cè)定

取預(yù)處理后的001×7樹脂1 mL,加入到500 mL錐形瓶中,加入200 mL廢水,室溫下,用78-1型磁力攪拌儀攪拌120 min,測(cè)定吸附后液Cr3+質(zhì)量濃度。然后更換新的模擬廢水,重復(fù)吸附過程,直到樹脂吸附飽和為止。

1.3.3 吸附等溫線的確定

分別取1 mL預(yù)處理后的樹脂,于裝有200 mL含不同質(zhì)量濃度Cr3+的廢水的錐形瓶中,在288 K下進(jìn)行吸附。吸附后液測(cè)定殘余Cr3+質(zhì)量濃度,繪制吸附量與殘余Cr3+質(zhì)量濃度的函數(shù)曲線[2]。

1.3.4 負(fù)載樹脂的解吸

將負(fù)載樹脂用蒸餾水洗至中性,取1 mL,用不同質(zhì)量濃度的解吸劑200 mL,在室溫下攪拌90 min。測(cè)定解吸液中Cr3+質(zhì)量濃度,計(jì)算解吸率。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 樹脂飽和吸附容量的確定

按試驗(yàn)方法進(jìn)行吸附試驗(yàn)。以每克干樹脂最多吸附的Cr3+的量為衡量標(biāo)準(zhǔn),測(cè)定001×7樹脂的實(shí)際工作交換容量[3],結(jié)果如圖1所示。可以看出,在試驗(yàn)條件下,每克干樹脂最多可吸附60.34 mg Cr3+。

圖1 吸附次數(shù)對(duì)樹脂吸附量的影響

2.2 吸附等溫線的確定

配制不同濃度的廢水進(jìn)行吸附試驗(yàn),結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯?隨溶液中Cr3+質(zhì)量濃度增大,樹脂飽和吸附量增大,即增大Cr3+質(zhì)量濃度有助于提高樹脂吸附量。Cr3+質(zhì)量濃度為700 mg/L時(shí),樹脂達(dá)吸附平衡,此時(shí)樹脂吸附容量為90 mg/g。繼續(xù)提高Cr3+質(zhì)量濃度,樹脂吸附量不再提高,可以認(rèn)為已達(dá)到飽和。

圖2 溶液中Cr3+質(zhì)量濃度對(duì)樹脂吸附Cr3+的影響

用Langmiur吸附等溫式[4-5]對(duì)圖2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,結(jié)果如圖3所示。擬合方程為：

圖3 Langmuir吸附等溫曲線

由圖3看出：001×7樹脂對(duì)廢水中Cr3+的吸附行為符合Langmiur等溫方程,擬合曲線呈良好的線性關(guān)系,相關(guān)系數(shù)在0.99以上。由擬合曲線截距得到樹脂理論最大吸附量Qmax=108 mg/g(實(shí)際吸附量均小于此值)。

2.3 吸附速率控制步驟的確定

一般來說,化學(xué)反應(yīng)速度相對(duì)于擴(kuò)散速度要快得多,因此,反應(yīng)過程的速度主要受液膜擴(kuò)散控制或顆粒擴(kuò)散控制。采用G.E.Boyd液膜擴(kuò)散公式[6]研究001×7樹脂對(duì)Cr3+的吸附動(dòng)力學(xué)行為,確定交換過程的速率控制方程。

在288 K下,x、3-3(1-x)2/3-2x、1-(1-x)1/3隨吸附時(shí)間t的變化曲線如圖4所示?？梢钥闯觯?條曲線中,吸附時(shí)間t與x近似成直線關(guān)系,由此可以判斷,離子交換過程受液膜擴(kuò)散控制,其交換速度與攪拌速度密切相關(guān)。在靜態(tài)離子交換過程中,攪拌會(huì)加快離子交換速度,使外部溶液組成變化快,縮短達(dá)到平衡所用的時(shí)間。

圖4 288 K下,樹脂對(duì)Cr3+的吸附擬合曲線

2.4 負(fù)載樹脂的解吸

2.4.1 解吸劑的確定

對(duì)于強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂,一般采用硫酸或硫酸鈉溶液進(jìn)行解吸[7]。相同條件下,硫酸及硫酸鈉溶液的解吸試驗(yàn)結(jié)果見表2。硫酸鈉溶液的解吸效果優(yōu)于硫酸的解吸效果。解吸反應(yīng)為：

解吸后鉻離子轉(zhuǎn)入溶液并得到富集,有利于進(jìn)一步回收。

表2 相同條件下硫酸及硫酸鈉溶液解吸試驗(yàn)結(jié)果

2.4.2 解吸劑濃度的確定

依據(jù)單因素試驗(yàn)法,在0～120 g/L范圍內(nèi)以0.618法原則[8]確定最佳解吸劑濃度。取不同質(zhì)量濃度的硫酸鈉溶液,用不同質(zhì)量濃度的解吸劑在同樣條件下分別進(jìn)行解吸,結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯?硫酸鈉質(zhì)量濃度為90 g/L時(shí),解吸率最高,達(dá)99.3%。

圖5 Na2SO4溶液質(zhì)量濃度對(duì)Cr3+解吸率的影響

2.4.3 解吸后樹脂的再利用

將解吸后的樹脂等分成5組,分別置于200 mg/L含鉻廢水中,按吸附試驗(yàn)方法進(jìn)行吸附試驗(yàn)。結(jié)果表明：解吸后的樹脂返回吸附,其對(duì)Cr3+的吸附量仍保持在60 mg/g以上,吸附能力沒有明顯降低,樹脂性能穩(wěn)定,解吸后可重新進(jìn)入酸洗廢水處理工序繼續(xù)使用。

3 結(jié)論

用001×7樹脂可以從Cr3+質(zhì)量濃度為200 mg/L的不銹鋼酸洗廢水中富集鉻,其飽和吸附量為60.34 mg/g。Cr3+質(zhì)量濃度為700 mg/L時(shí),樹脂的平衡吸附量為90 mg/g。吸附平衡符合Langmuir等溫方程,相關(guān)系數(shù)在0.99以上。根據(jù)G.E.Boyd液膜擴(kuò)散公式,288 K下,001×7樹脂吸附鉻的過程為液膜擴(kuò)散控制,提高攪拌速度有利于傳質(zhì)并縮短達(dá)到平衡所需時(shí)間。負(fù)載樹脂用90 g/L硫酸鈉溶液解吸,解吸率達(dá)99%以上。解吸后的樹脂性能穩(wěn)定,可重復(fù)利用。

[1]賀慧,趙俊學(xué),馬紅周.不銹鋼酸洗廢水處理技術(shù)分析[J].甘肅冶金,2009,10(5)：42-46.

[2]趙慶良,任南琪.水污染控制工程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2005：280.

[3]邵林.水處理用離子交換樹脂[M].北京：水利電力出版社,1989：95-98.

[4]Theodore Vermeulen,Douglas M,Le Van,et al.Perry Handbook of Chemical Engineering(16)：Adsorption and Ion Exchange[M].Beijing：Scinence Press,1993：16-20.

[5] Chiarle S,Ratto M,Rovatti M.Water Resarch[J].Reactive&Functional Polymers 2000,34(11)：2971-2978.

[6]應(yīng)漢杰,呂浩,歐陽平凱,等.離子交換樹脂吸附胞嘧啶核苷三磷酸的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)研究[J].南京化工大學(xué)學(xué)報(bào),1998,20(4)：79-81.

[7]譚偉,李強(qiáng),王建英,等.離子交換樹脂的酸堿靜態(tài)法再生[J].臨床檢驗(yàn)雜志,2003,11(3)：168-169.

[8]黃桂柱.有色冶金實(shí)驗(yàn)研究方法[M].北京：冶金工業(yè)出版社,1986：47-53.

Abstract:Adsorption of chromium from stainless steel plicking wastewater by a strong acid cation ionexchange resin named 001×7 has been investigated.The influences of saturation adsorption capacity,adsorption time on adsorption of chromium are examined.Adsorption isotherm and desorption of loading resin are studied.The results show that the saturation adsorption capacity of the resin for chromium in wastewater is of 60.34 mg/g.The adsorption equilibrium process takes about 90 minutes.When Cr3+mass concentration is of 700 mg/L,the equilibrium adsorption capacity can reach 90 mg/g.According to adsorption kinetics,the process is controlled by film diffusion.Loaded resin can be desorpted using 90 g/L Na2SO4solution,desorption rate is over 99%.

Key words:strong acid cation exchange resin;stainless steel plicking wastewater;chromium;separation

Enrichment of Chromium From Stainless Steel Pickling Wastewater by Strong Acidic Cation Ion-exchange Resin

LI Fei,ZHAO Jun-xue,MA Hong-zhou,ZENG Yuan,LI Xiao-ming
(School of Metallurgical Engineering,Xi’an University of A rchitecture&Technology,Xi’an,S haanxi710055,China)

TF804.3;X756

A

1009-2617(2011)01-0071-03

2010-04-19

陜西省冶金物理化學(xué)重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)基金和教育廳專項(xiàng)科研基金(09J K530)資助。

李菲(1986-),女,河北沙河人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)橐苯鹳Y源綜合利用。