大孔螯合型樹(shù)脂對(duì)含酸廢水中鐵離子吸附研究

馮魏良,王為國(guó),王存文,胡 建

(武漢工程大學(xué)綠色化工過(guò)程省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430074)

0 引 言

硫鐵礦是我國(guó)制備硫酸的基本原料之一[1].制酸工藝過(guò)程中產(chǎn)生的含酸廢水主要來(lái)源于凈化系統(tǒng),各工段設(shè)備、地坪的沖洗水等.水洗法凈化廢水排放量大,生產(chǎn)每噸硫酸產(chǎn)生10～15 m3含酸廢水[2].一般硫酸廠根據(jù)酸性廢水水質(zhì)選定處理工藝,目前最常用的方法有三種:堿法、堿-鐵鹽法和硫化法加堿-鐵鹽法[3].這些方法除操作費(fèi)用高,流程復(fù)雜外,加入的石灰將廢水中大量硫酸轉(zhuǎn)換成了基本無(wú)使用價(jià)值的廢石膏.因此,硫酸廠的廢水資源化利用是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題.

以某硫酸廠為例,其處理前含硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的廢水,含有一些污染物,其污染雜質(zhì)濃度含量如下表1;另外,為回收含硫酸廢水制備成國(guó)家工業(yè)硫酸GB/T534-2002,列出國(guó)家工業(yè)硫酸標(biāo)準(zhǔn)如下表1.

表1 相關(guān)污染物濃度與國(guó)家工業(yè)硫酸標(biāo)準(zhǔn)表

從表1可知,如果回收含酸廢水制備工業(yè)硫酸,經(jīng)絮凝沉降等方法去除固相殘?jiān)?廢水中的鐵離子濃度已超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).基于上述含酸廢水的特點(diǎn),本研究提出了回收含酸廢水的工藝流程,其工藝流程示意圖如下:

圖1 工藝流程示意圖

離子吸附樹(shù)脂是一種具有離子交換功能的高分子化合物,與金屬的結(jié)合力很強(qiáng)[4],樹(shù)脂吸附法已成功應(yīng)用于多種工業(yè)廢水的處理及不同環(huán)境中金屬離子的去除[5],廢水在得到有效治理的同時(shí),還可回收廢水中絕大部分的有用物質(zhì),使環(huán)境效益、社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益同步增長(zhǎng)[5-10].本研究采用搖瓶法[10-11],選擇D468樹(shù)脂為吸附樹(shù)脂,探究該樹(shù)脂對(duì)含酸廢水中鐵離子的吸附情況.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.1.1 儀器 紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(UV-1400 日本島津)、數(shù)顯氣浴振蕩器(哈爾濱市東明醫(yī)療儀器廠)

1.1.2 試劑 D468 、D201、AB-8、D3520、D152(南開(kāi)大學(xué)化工廠)、717、D155(華東上海華震科技有限公司)等7種樹(shù)脂、廢液[含鐵量約1 000 mg/L，n(Fe2+)∶n(Fe3+)=6∶4]、其他試劑均為分析純.

1.2 吸附樹(shù)脂的篩選

在盛有50 mL廢液的7個(gè)錐形瓶中分別加入吸附樹(shù)脂D201、D468、717、AB-8、D3520、D152和D155各20.0 g,常溫下于恒溫?fù)u床上振蕩一定的時(shí)間后,考察不同樹(shù)脂對(duì)該廢水的吸附性能.

吸附量按下式計(jì)算:

Q=(C0-C)×V/W

式中:Q——吸附量,mg/g；C0——吸附前鐵的濃度,μg/mL；C——吸附平衡后溶液中剩余鐵的濃度,μg/mL；V——溶液的體積,mL；W——樹(shù)脂的質(zhì)量,g.

1.3 D468樹(shù)脂吸附性能的測(cè)試

1.3.1 樹(shù)脂用量的影響 分別稱取預(yù)處理過(guò)的樹(shù)脂5 g,10 g,15 g,20 g,25 g,35 g;然后各加入一定量廢液,在常溫下,恒溫振蕩一定的時(shí)間；吸附平衡后,過(guò)濾,測(cè)定濾液中含鐵離子的含量,確定樹(shù)脂不同容量對(duì)鐵離子的吸附含量.

1.3.2 吸附時(shí)間的影響 準(zhǔn)確稱取經(jīng)預(yù)處理的樹(shù)脂20.0 g 各8份置于帶塞錐形瓶中,然后各加入一定量廢液.在25 ℃下,置于氣浴恒溫振蕩器中振蕩一定的時(shí)間.過(guò)濾,測(cè)定濾液中含鐵離子的含量,比較不同時(shí)間下對(duì)樹(shù)脂吸附鐵離子的影響.

1.3.3 溫度對(duì)吸附的影響 準(zhǔn)確稱取經(jīng)預(yù)處理的樹(shù)脂20.0 g 各4份置于帶塞錐形瓶中,然后各加入一定量廢液置于氣浴恒溫振蕩器中,在不同溫度下振蕩30 min；吸附平衡后,過(guò)濾,測(cè)定濾液中含鐵離子的含量,比較不同溫度下對(duì)樹(shù)脂吸附鐵離子的影響.

1.3.4 硫酸濃度對(duì)樹(shù)脂吸附的影響 準(zhǔn)確稱取20.0 g預(yù)處理過(guò)的樹(shù)脂5份于250 mL錐形瓶中,分別標(biāo)注為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ,然后各加入一定濃度的含鐵溶液50 mL,再相應(yīng)加入硫酸0 mL,1.4 mL,2.7 mL,4.1 mL,5.6 mL.在常溫下,恒溫振蕩30 min;吸附平衡后,過(guò)濾,測(cè)定濾液中含鐵離子的含量,比較不同硫酸濃度對(duì)樹(shù)脂吸附鐵離子的影響.

1.3.5 Fe2+與Fe3+不同含量比對(duì)吸附的影響 分別配置5個(gè)Fe2+與Fe3+不同含量比的含酸廢液,在25 ℃條件下,氣浴恒溫振蕩30 min；吸附平衡后,過(guò)濾,測(cè)定濾液中含鐵離子的含量,比較含酸廢水中Fe2+與Fe3+不同含量比對(duì)樹(shù)脂吸附鐵離子的影響.

1.3.6 D468樹(shù)脂的洗脫 稱取4份約5 g吸附鐵離子飽和的樹(shù)脂分出水相,在錐形瓶中分別加入一定量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、5%、15%、30%的HCl于常溫下以每分鐘150次的振蕩頻率在恒溫氣浴振蕩器中振蕩至平衡,收集洗脫液,并測(cè)定溶液中鐵的含量,求出洗脫率.

2 結(jié)果與討論

2.1 樹(shù)脂篩選結(jié)果

相同靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)條件下,測(cè)得7種樹(shù)脂對(duì)含酸廢水中鐵離子的吸附量如圖2.

圖2 7種不同類型樹(shù)脂的吸附量圖

由圖2可知,D201、D468樹(shù)脂均對(duì)含酸廢水中的鐵離子具有相對(duì)較強(qiáng)的吸附能力,而D201樹(shù)脂在經(jīng)過(guò)堿預(yù)處理后,有臭氣產(chǎn)生,樹(shù)脂顏色變紅.因此,本研究選用D468型大孔型螯合性樹(shù)脂為吸附劑,對(duì)含酸廢水進(jìn)行吸附性能研究.

2.2 樹(shù)脂不同用量的吸附量

圖3 樹(shù)脂不同用量的吸附量圖

圖4 吸附時(shí)間對(duì)吸附量的影響圖

從圖3中可知,樹(shù)脂的用量越大,吸附量也相應(yīng)增大.當(dāng)樹(shù)脂達(dá)到20.00 g左右時(shí),對(duì)于50 mL含硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為5%的廢液(含鐵離子約1 000 mg/L),其吸附量達(dá)到平衡,因此,在后面的實(shí)驗(yàn)中,稱取D468型樹(shù)脂20.00 g即可.

2.3 吸附時(shí)間對(duì)吸附量的影響

由圖4可知,在25 ℃下,D468號(hào)樹(shù)脂吸附速率比較快,30 min就基本達(dá)到了穩(wěn)定.因?yàn)閯傞_(kāi)始時(shí)溶液中鐵離子的含量比較高,吸附得較快；經(jīng)過(guò)數(shù)十分鐘的吸附以后,離子的含量同樹(shù)脂沒(méi)有配位的基團(tuán)含量降低,所以吸附速率降低.

2.4 溫度對(duì)吸附量的影響

在不同溫度下,測(cè)定了D468號(hào)樹(shù)脂對(duì)鐵離子的不同吸附量,結(jié)果如下圖5.

圖5 溫度對(duì)吸附量的影響圖

圖6 硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)吸附量的影響圖

由圖5中可知,20.0 g樹(shù)脂在50 mL廢液中于25 ℃、35 ℃、45 ℃和55 ℃下靜態(tài)吸附30 min.結(jié)果表明,在25～55 ℃范圍內(nèi),溫度對(duì)D468樹(shù)脂吸附性能影響不十分明顯.

2.5 硫酸濃度對(duì)樹(shù)脂吸附的影響

由圖6中可知,D468樹(shù)脂于25 ℃下吸附30 min,隨著溶液酸度的增強(qiáng),吸附量逐漸減少.這是因?yàn)樗岫仍鰪?qiáng),溶液中的H+濃度增大,降低了樹(shù)脂中可交換基團(tuán)的解離度,減少了H+與鐵離子間的交換量,從而吸附量減少.

2.6 溶液中Fe2+與Fe3+不同含量比對(duì)吸附量的影響

由表3中可知,D468樹(shù)脂于25 ℃下吸附30 min,其對(duì)鐵離子具有螯合吸附性能,尤其對(duì)Fe3+離子表現(xiàn)出很強(qiáng)的螯合吸附性能.因?yàn)镈468大孔螯合性樹(shù)脂對(duì)高價(jià)金屬離子有特殊的選擇性,其選擇順序?yàn)?Fe3+>Fe2+>H+.另外,該樹(shù)脂對(duì)鐵離子有一定的吸附飽和量.

表3 Fe2+與Fe3+不同含量比對(duì)吸附的影響比較表

2.7 D468樹(shù)脂洗脫再生實(shí)驗(yàn)的初步結(jié)果

選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、5%、15%、30%的鹽酸進(jìn)行洗脫再生實(shí)驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)表4.在常溫下,鹽酸濃度越高洗脫效果越好,洗脫率可以達(dá)到70%以上.但綜合考慮,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的HCl溶液被選為洗脫液,其具體參數(shù)有待于進(jìn)一步優(yōu)化.

表4 4種不同方法洗脫比較表

3 結(jié) 語(yǔ)

a. D468型樹(shù)脂對(duì)金屬離子具有螯合吸附性能,尤其對(duì)Fe3+離子表現(xiàn)出很強(qiáng)的螯合吸附性能.

b. 樹(shù)脂用量、吸附時(shí)間和pH值對(duì)D468樹(shù)脂吸附量有一定的影響.在常溫下,20.0g D468型樹(shù)脂對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%酸的廢水在30 min內(nèi),進(jìn)行鐵離子吸附,吸附量可達(dá)到2.33 mg/g,酸水的除鐵率可以達(dá)到96%,而溫度對(duì)該樹(shù)脂吸附能力影響較小.

c. 在常溫下,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的鹽酸對(duì)吸附鐵的飽和樹(shù)脂有良好的脫附作用.

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