田嬡嬡，周立岱，于永杰，連偉濤，于 豹，劉相帝

（遼寧工業(yè)大學 化學與環(huán)境工程學院，遼寧 錦州121001）

1 引言

離子交換法是利用離子交換劑把水中的離子與離子交換劑中可擴散的離子進行交換作用，使水得到軟化的方法。即采用特定的陽離子交換樹脂，以鈉離子將水中的鈣鎂離子置換出來，由于鈉鹽的溶解度很高，所以就避免了隨溫度的升高而造成水垢生成的情況，而且長期使用后失效的樹脂還可以通過再生而重復使用。故此這種方法是目前最常用的、較經濟的方法。主要優(yōu)點是：效果穩(wěn)定準確，工藝成熟，可以將硬度降至0。所以針對錦州自來水高硬度特性，采用離子交換技術對其進行去除，為了確保在水質達標的同時樹脂的使用經濟環(huán)保，需要對離子交換樹脂處理水的最佳吸附條件進行探究。

2 實驗部分

2.1 樹脂預處理

樹脂使用前，要進行預處理，首先使用飽和食鹽水浸泡樹脂18～20h，而后用蒸餾水洗凈，使排出水不帶黃色，再用2%～4%氫氧化鈉溶液浸泡2～4h，放盡堿液后，用蒸餾水沖洗至中性，最后用5%鹽酸溶液浸泡4～8h，放盡酸液，用蒸餾水漂洗至中性后烘干待用。

2.2 732、D001和D61離子交換樹脂處理能力比較

2.2.1 實驗方法

根據離子交換理論，用732、D001和D61三種氫離子交換樹脂（三樹脂均為強酸性苯乙烯系陽離子交換樹脂，D61和D001是大孔樹脂，732是凝膠樹脂）對錦州自來水分別進行處理。首先用EDTA絡合滴定法對錦州自來水硬度進行測定，得到原水硬度為367.2。然后取一定體積的錦州自來水于三個燒杯中，分別加入相同質量預處理后的三種樹脂，在水溫25℃條件下用恒溫振蕩器振蕩（振蕩速度40～50r/min），使樹脂與水樣充分接觸，每間隔30min測定水樣中的硬度，一直到平衡狀態(tài)。

2.2.2 實驗數據與分析

用732、D001和D61三種氫離子交換樹脂對錦州自來水中的鈣鎂離子進行交換吸附，得到三種樹脂對錦州自來水的處理能力如圖1。

圖1 三種樹脂處理能力比較

從圖1可知，在原水水質、水量相同時，732樹脂對錦州自來水中鈣鎂離子的吸附性能最好，D61次之，D001最差。另外綜合考慮經濟成本，選擇732型樹脂作為錦州自來水高硬度去除的離子交換劑最佳。

2.3 離子交換樹脂對錦州自來水硬度去除的靜態(tài)實驗

采用經過預處理后陽離子交換樹脂對錦州自來水進行靜態(tài)吸附試驗。研究離子交換樹脂的投加量、吸附時間對其吸附鈣鎂的影響。確定樹脂靜態(tài)吸附原水中鈣鎂的最佳投加量、吸附時間以及根據樹脂的吸附等溫線判斷吸附類型，確定離子交換樹脂的靜態(tài)最大飽和吸附量，為動態(tài)實驗的進行提供數據基礎。

2.3.1 離子交換樹脂對錦州自來水鈣鎂交換吸附的最佳投加量的確定

分別取2 000mL錦州自來水水樣于5個燒杯中，分別加入3～7g不同質量的離子交換樹脂。在25℃條件下恒溫振蕩4h，分別測定自來水硬度。得到不同質量樹脂對錦州自來水硬度去除率如圖2。

圖2 樹脂投加量對交換吸附鈣鎂的影響

由圖2可知，隨著離子交換樹脂投加量的增加，鈣鎂去除率逐漸升高。當離子交換樹脂質量達到5g時，錦州自來水中鈣鎂的去除率為34.64%。之后隨著離子交換樹脂質量的增加，原水中鈣鎂的去除率基本保持不變。因此選定5g為2 000mL的最佳投加量。

2.3.2 離子交換樹脂對錦州自來水最佳吸附時間的確定

取2 000mL錦州自來水水樣于燒杯中加入5g離子交換樹脂。在25℃條件下恒溫振蕩每隔一定時間測定自來水硬度，一直到平衡為止。得到樹脂對錦州自來水處理不同時間的硬度去除率如圖3。

圖3 不同振蕩時間對交換吸附鈣鎂的影響

由圖3可知，隨著振蕩時間的增加離子交換樹脂去除鈣鎂的效率逐漸升高。這是因為在離子交換過程中延長陽離子交換樹脂的接觸時間對單位體積的自來水來講，一方而更有利于鈣鎂離子進入樹脂內部品體結構使樹脂對鈣鎂離子的接觸更加牢靠；另一方面反應活性點增多。當振蕩時間為18h時去除效率達到最大66.23%。之后隨著時間的增加，鈣鎂的去除率不再發(fā)生變化。因此確定離子交換樹脂的對自來水的最佳吸附時間為18h。

2.3.3 吸附平衡試驗

在7個錐形瓶中準確移取200mL錦州自來水，分別加入0.4g，0.3g，0.2g，0.1g，0.08g，0.07g，0.068 g經預處理后的離子交換樹脂，在25℃條件下恒溫振蕩20h，測定其硬度。用平衡濃度—平衡吸附量作圖。按下式計算平衡吸附量Q＝（C0－Ce）＊V/m。

式中：C0自來水鈣鎂初始濃度，mg/L；Ce自來水鈣鎂平衡時濃度（mg/L）；V 加入的自來水體積（mL）；m加入的離子交換樹脂質量（g）。

離子交換樹脂吸附水中鈣鎂的等溫線如圖4。

使用origin線性擬合工具，利用Langmuir等溫式對樹脂吸附鈣鎂離子的數據進行擬合，回歸方程為1/q＝2.043＊（1/c）＋0.005，R2＝0.99739。如圖5所示。

利用Freundlich等溫式的直線式對樹脂吸附鈣鎂離子的實驗數據進行擬合，甚本公式為：logQe＝0.529logCe＋0.599，R2＝0.77115。如圖6所示。

圖4 吸附等溫線

圖5 Langmuir式對樹脂吸附曲線擬合

對比圖5和圖6，樹脂處理錦州自來水時吸附類型Langmuir的R2相對更高一些，所以離子交換樹脂對錦州自來水中鈣鎂離子的交換吸附更符合Langmuir型。

圖6 Freundlich式對樹脂吸附曲線擬合

2.4 離子交換樹脂對錦州自來水硬度去除的動態(tài)實驗

為了確定動態(tài)吸附時不同流量對樹脂吸附鈣鎂離子的影響，測定了在不同流量條件下離子交換樹脂對自來水中鈣鎂離子的吸附效果，并最終確定離子交換樹脂對鈣鎂的最佳流量。

稱取一定量的經過預處理后的離子交換樹脂于吸附柱中，首先用純凈水在一定流量下自上而下流過裝有離子交換樹脂的交換柱，時間為30min左右，之后將錦州自來水分別以60mL/min、80mL/min、100mL/min、120mL/min的流量自下而上通過裝有離子交換樹脂的交換柱，根據不同吸附時間的出水濃度可得到不同流量條件下離子樹脂吸附水中鈣鎂離子的動態(tài)穿透曲線如圖7。

試驗選擇吸附柱出水硬度達到世界飲用水標準（50mg/L）的時間點為穿透時間，出水硬度超過標準（100mg/L）的時間點為最大飽和吸附時間點。

圖7 不同流量對樹脂交換吸附鈣鎂的影響

由表1可知，流量對陽離子交換樹脂吸附自來水中鈣鎂有顯著的影響。隨著流量的增大，穿透時間和飽和時間明顯縮短，穿透點吸附量和飽和點吸附量也減少。這是因為當流量加快時，溶液與樹脂接觸時間縮短，吸附效率下降。流量太慢時，溶液會在吸附柱內引起反泥現象，對吸附不利。表1可知在流量80mL/min時樹脂對自來水中鈣鎂的吸附效果最好，穿透點吸附量165.3mg/g，飽和點吸附量248mg/g。

表1 不同流量樹脂對自來水鈣鎂交換吸附參數

2.5 樹脂再生效果的測定

常溫下讓處理過水的離子交換樹脂與再生劑發(fā)生離子交換反應，使改性后的樹脂重新獲得離子交換能力。這一過程即為再生過程。取處理過水的離子交換樹脂，用10%氯化鈉溶液浸泡，查閱可知，732型離子交換樹脂的再生時間為60min左右。將再生后的離子交換樹脂重新裝入離子交換柱中，在80mL/min的流量下，再次對自來水中鈣鎂離子進行交換吸附，直到達標為止。步驟同上。比較再生之前和再生之后離子交換樹脂的處理能力如圖8。

圖8 再生前后樹脂對鈣鎂的交換吸附

再生后的樹脂穿透時間和穿透點吸附量相對降低，經計算再生效率可達90%，如表2所示。

表2 再生前后樹脂吸附參數

3 結論

本文對采用離子交換技術降低錦州自來水硬度的過程進行了實驗研究。包括離子交換樹脂的選擇，樹脂對自來水交換吸附的靜態(tài)實驗和動態(tài)實驗，確定了最佳劑量及時間，并對實驗數據做了模擬分析，得出動態(tài)試驗的最佳流量，同時對再生后的樹脂進行了效果測定。通過實驗得出以下結論。

（1）針對錦州自來水高硬度特點，對三種型號樹脂的處理能力進行實驗研究，經測定發(fā)現732型樹脂處理能力相對其他兩種樹脂要高，綜合考慮成本等要素，選擇732型樹脂作為處理錦州自來水硬度的離子交換劑。

（2）采用經過預處理的離子交換樹脂對錦州自來水進行靜態(tài)實驗，確定了處理2 000mL自來水的最佳劑量為5g，最佳吸附時間為18h，并通過對實驗數據進行擬合分析，得出732型樹脂處理錦州自來水的吸附符合langmuir等溫式。

（3）采用經過預處理的離子交換樹脂對錦州自來水進行動態(tài)實驗使其自來水硬度達到飲用標準，確定了最佳流量為80mL/min，在此流量下樹脂對自來水中鈣鎂吸附的穿透點吸附量和飽和點吸附量分別為165.3、248mg/g。

（4）對失效的離子交換樹脂采用10%氯化鈉溶液進行再生，確定了再生后的樹脂在80mL/min流量下對自來水中鈣鎂吸附的穿透點吸附量148.8mg/g，再生效率可達90%。

4 建議

由于條件和時間的限制，本實驗還存在著諸多不足之處，所以在此給出以下幾點建議。

（1）本文中只對離子交換樹脂的最基本性質做了探索，還有其他一些可能的影響條件未能一一測定，有必要建立更加詳實的指標，用以全面評估樹脂的性能。

（2）實驗中僅選用了有代表性的離子交換樹脂進行測定分析，若保證數據的準確性，還需要測定更多種類的樹脂。

（3）本實驗采用滴定法進行硬度的測定，由于肉眼觀察顏色變化存在誤差，可能會影響數據的精確性。所以需要考慮更準確的方法進行測定。

（4）由于時間和條件的限制，再生劑選用氯化鈉進行再生，也達到了較好的再生效果，但應該會有更好的再生方法，需要重點考慮再生方法。

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