曾 婧 荀久玉

(錦州市生態(tài)環(huán)境保護(hù)中心，遼寧 錦州 121001)

水體中的硝酸鹽在人體內(nèi)經(jīng)硝酸鹽還原菌作用可轉(zhuǎn)變?yōu)閬喯跛猁}，亞硝酸鹽可以對人體健康構(gòu)成威脅。亞硝酸鹽是劇毒物質(zhì)，成人攝入0.2—0.5g即可引起中毒，3g即可致死。亞硝酸鹽能使血液中正常攜氧的低鐵血紅蛋白氧化成高鐵血紅蛋白，因而失去攜氧能力而引起組織缺氧。亞硝酸鹽還是一種致癌物質(zhì)，在胃酸環(huán)境下亞硝酸鹽與食物中的仲胺、叔胺和酰胺等反應(yīng)生成強致癌物N—亞硝胺。亞硝胺還能夠透過胎盤進(jìn)入胎兒體內(nèi)，對胎兒有致畸作用[1]。因此我國生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定硝酸鹽氮最高限值為10mg/L[2]。

在我國飲用水總用水量中，地下水占了其中的50%[3]。因此地下水是非常重要的飲用水水資源。目前，我國大多數(shù)地下水中硝酸鹽氮含量大大超過10mg/L，因此，急需探尋一種有效的降低地下水中硝酸鹽含量的方法。

本文利用D890硝酸鹽選擇性大孔強堿性陰離子交換樹脂上的Cl-與地下水中的NO3-進(jìn)行離子交換來降低地下水中的硝酸鹽含量。地下水中含有多種陰離子，D890硝酸鹽選擇性離子交換樹脂可優(yōu)先對水中的NO3-進(jìn)行離子交換去除，不受水中其它陰離子如SO42-的影響。這種樹脂對NO3-的選擇性增加可歸因于：隨著烷基碳原子數(shù)增加，其體積增大，需要占用更大的空間，從而引起樹脂的空間張力增大，對于減小這種空間張力而言，NO3-比SO42-具有更強的能力[4]。

為使離子交換樹脂能重復(fù)利用，本文采用氯化鈉溶液作為再生劑對離子交換樹脂進(jìn)行再生，再生劑中的Cl-可與樹脂上的NO3-進(jìn)行離子交換，使樹脂上的NO3-被置換下來，Cl-重新被固定在樹脂上。

1 實驗部分

1.1 實驗藥品及材料

硫酸鈉、氯化鈉、硝酸鉀、鹽酸、氫氧化鈉、酚二磺酸、氨水、高錳酸鉀、苯酚、濃硫酸、三氯甲烷、氫氧化鈣、D890硝酸鹽選擇性交換樹脂。

1.2 實驗設(shè)備

HHS-2S電子恒溫不銹鋼水浴鍋，101-0電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，PHS-25酸度計，721可見分光光度計，HZS-H恒溫水浴振蕩器，TG-382A電子天平。

1.3 實驗方法

1.3.1 硝酸鹽標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

采用酚二磺酸分光光度法檢測地下水中的硝酸鹽。硝酸鹽在無水情況下與酚二磺酸反應(yīng)，生成硝基二磺酸酚，在堿性溶液中，生成黃色化合物，于410 nm波長處進(jìn)行分光光度測定。

按文獻(xiàn)[5]繪制硝酸鹽標(biāo)準(zhǔn)曲線，得到擬合方程：

y=0.07158 x-0.00297

式中：x —水樣中硝酸鹽的質(zhì)量，μg；

y —經(jīng)空白校正后吸光度。

1.3.2 模擬地下水的配制

取取0.74 g硫酸鈉、0.1 g硝酸鉀配置250 mL模擬地下水，其中SO42-的濃度為250 mg/L、NO3-的濃度為45 mg/L。

1.3.3 離子交換

量取100 mL濃度為45mg/L的模擬地下水于250 mL具塞錐形瓶中，加入一定量的D890硝酸鹽選擇性離子交換樹脂，放在恒溫水浴振蕩器中，于150 r/min的轉(zhuǎn)速下震蕩一定時間，取出靜置10 min，用酚二磺酸分光光度法分析上清液中硝酸鹽濃度，計算其去除率。

1.3.4 樹脂再生

稱取5 g吸附達(dá)飽和的樹脂于100 mL具塞磨口瓶中，加入一定量濃度為5%的NaCl溶液，放在恒溫水浴振蕩器中，于150 r/min的轉(zhuǎn)速下震蕩一定時間，取出過濾，用去離子水將過濾后的樹脂洗凈過濾，得到再生樹脂。樹脂的再生效果用在最佳離子交換條件下硝酸鹽去除率來衡量。

2 結(jié)果與討論

2.1 離子交換

2.1.1 交換時間對硝酸鹽去除率的影響

固定樹脂用量為1 g、交換溫度為25℃，改變交換時間分別為15 min、20 min、25 min、30 min、35 min、40 min，考察其對硝酸鹽去除率的影響，結(jié)果見圖1。

圖1 交換時間對硝酸鹽去除率的影響

由圖1可知，當(dāng)交換時間短于35 min時，隨著交換時間的延長，水中硝酸鹽去除率明顯升高；當(dāng)交換時間達(dá)35 min時，再延長交換時間，硝酸鹽去除率變化不明顯。

這是因為，交換時間越長，樹脂上的Cl-與水中更多的NO3-進(jìn)行離子交換，固定到樹脂上的NO3-越多，硝酸鹽去除率越高；而當(dāng)交換時間達(dá)到35min 時，離子交換反應(yīng)基本達(dá)到平衡，再延長交換時間，硝酸鹽去除率不再有明顯變化。

因此，選取最佳交換時間為35 min。

2.1.2 交換溫度對硝酸鹽去除率的影響

固定樹脂用量為1 g、交換時間為35 min，改變交換溫度分別為15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃，考察其對硝酸鹽去除率的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 交換溫度對硝酸鹽去除率的影響

由圖2可知，當(dāng)交換溫度低于25℃時，隨著交換溫度的升高，水中硝酸鹽去除率也明顯提高；當(dāng)交換溫度達(dá)25℃時，再提高交換溫度，硝酸鹽去除率變化不明顯。

這是因為，當(dāng)交換溫度低于25℃時，交換溫度越高，樹脂上的Cl-與水中的NO3-進(jìn)行的離子交換反應(yīng)速率越快，在相同時間內(nèi)交換的NO3-越多，硝酸鹽去除率越高；當(dāng)交換溫度達(dá)25℃時，離子交換反應(yīng)速率已足夠快，再升高交換溫度，硝酸鹽去除率變化不明顯。

因此，選取最佳交換溫度為25℃。

2.1.3 樹脂用量對硝酸鹽去除率的影響

固定交換溫度為25℃、交換時間為35 min，改變樹脂用量分別為1 g、1.2 g、1.4 g、1.6 g、1.8 g、2.0 g，考察其對硝酸鹽去除率的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 樹脂用量對硝酸鹽去除率的影響

由圖3可知，隨著樹脂用量增加，水中硝酸鹽去除率升高。

這是因為，樹脂用量越多，樹脂上可交換離子Cl-越多，廢水中被交換的NO3-越多，硝酸鹽去除率越高；當(dāng)樹脂用量為1.8 g時，其硝酸鹽去除率達(dá)到81.1%，濃度為8.5 mg/L，已低于我國生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定硝酸鹽氮的最高限值10 mg/L，再增加樹脂用量，只會白白浪費樹脂。

因此，選取最佳樹脂用量為1.8 g。

2.2 樹脂再生

2.2.1 再生時間對樹脂再生效果的影響

固定再生劑濃度為5%、液固比為4 mL/g、再生溫度為30℃，改變再生時間分別為15 min、20 min、25 min、30 min、35 min、40 min，考察其對樹脂再生效果的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 再生時間對樹脂再生效果的影響

由圖4可知，當(dāng)再生時間短于30 min時，隨著再生時間的延長，硝酸鹽去除率明顯升高；當(dāng)再生時間達(dá)30 min時，再延長交換時間，硝酸鹽去除率變化不明顯。

這是因為，再生時間越長，樹脂上越多的NO3-被置換出來，再生劑中越多的Cl-重新被固定在樹脂上，樹脂的再生效果越好，處理地下水時通過離子交換去除的硝酸鹽越多；當(dāng)再生時間達(dá)30 min時，再生反應(yīng)基本達(dá)到平衡，再延長交換時間，對樹脂的再生效果影響不明顯。

因此，選取最佳再生時間為30 min。

2.2.2 再生溫度對樹脂再生效果的影響

固定再生劑濃度為5%、液固比為4 mL/g、再生時間為30 min，改變再生溫度為分別15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃，考察其對樹脂再生效果的影響，結(jié)果見圖5。

圖5 再生溫度對樹脂再生效果的影響

由圖5可知，當(dāng)再生溫度低于30℃時，隨著再生溫度的升高，硝酸鹽去除率明顯升高；當(dāng)再生溫度達(dá)30℃時，再提高再生溫度，硝酸鹽去除率變化不明顯。

這是因為，當(dāng)再生溫度低于30℃時，再生溫度越高，再生劑中的Cl-與樹脂上的NO3-進(jìn)行再生反應(yīng)速率越快，在相同時間內(nèi)置換下來的NO3-越多，重新被樹脂固定的Cl-越多，樹脂的再生效果越好，處理地下水時通過離子交換去除的硝酸鹽越多；當(dāng)再生溫度達(dá)30℃時，再生速率已足夠快，再升高再生溫度，對樹脂的再生效果影響不明顯。

因此，選取最佳再生溫度為30℃。

2.2.3 液固比對樹脂再生效果的影響

固定再生劑濃度為5%、再生溫度為30℃、再生時間為30 min，改變液固比分別為2mL/g、3mL/g、4mL/g、5mL/g、6mL/g、7 mL/g，考察其對樹脂再生效果的影響，結(jié)果見圖6。

由圖6可知，當(dāng)液固比低于6 mL/g時，隨著液固比的增加，硝酸鹽去除率明顯升高；當(dāng)液固比達(dá)6 mL/g時，再增加液固比，硝酸鹽去除率變化不明顯。

這是因為，隨著液固比的增加，再生劑中Cl-的量越多，樹脂上越多的NO3-被置換出來，越多的Cl-重新固定在樹脂上，樹脂的再生效果越好，處理地下水時通過離子交換去除的硝酸鹽越多；當(dāng)液固比為6 mL/g時，再生劑中Cl-的量已足夠多，樹脂上的NO3-基本被置換完全，再增加液固比，對樹脂的再生效果影響不明顯。

圖6 液固比對樹脂再生效果的影響

因此，確定最佳液固比為6 mL/g。

3 結(jié)論

本文采用D890硝酸鹽選擇性離子交換樹脂來降低地下水中硝酸鹽的含量，并利用NaCl溶液對樹脂進(jìn)行再生。通過實驗研究得出以下結(jié)論：

(1)離子交換的最佳工藝條件為：交換時間為35 min、交換溫度為25℃、樹脂含量為1.8 g。在此條件下可使模擬地下水中硝酸鹽濃度由45 mg/L降到8.5 mg/L，硝酸鹽去除率達(dá)到81.1%。

(2)離子交換樹脂再生的最佳工藝條件為：再生時間30 min、再生溫度為30℃、液固比為6。在此條件下可使模擬地下水中硝酸鹽濃度由45 mg/L降到9.1 mg/L，硝酸鹽去除率達(dá)79.8%，樹脂再生率為98.4%。

(3)D890硝酸鹽選擇性大孔強堿性陰離子交換樹脂可有效降低地下水中硝酸鹽含量，且再生率高，可重復(fù)使用。