離子交換樹脂的有機物污染及其復蘇

（錦州市環(huán)境科學研究院，遼寧 錦州121000）

有機物污染樹脂是離子交換水處理工藝中十分棘手的問題之一，樹脂被污染后引起樹脂性能下降，制水量減少，出水水質(zhì)惡化，因此解決有機物污染樹脂的問題是當前純水制備工作的一個重要課題。

離子交換樹脂在電力、化工、冶金等行業(yè)的純水制備中得到廣泛應用，在使用過程中，陰樹脂會出現(xiàn)工作交換容量下降，出水品質(zhì)變差，堿耗增加等現(xiàn)象。特別是梅雨季節(jié)，原水中有機物膠體含量上升導致樹脂嚴重污染而使人體中毒，為了減輕和消除這種現(xiàn)象，要了解有機物污染樹脂的原理，掌握污染后樹脂復蘇的新方法，以保障水處理系統(tǒng)的正常運行[1]。

1 樹脂污染和吸收有機物的機理

1.1 樹脂污染機理

樹脂為多孔網(wǎng)狀立體結(jié)構(gòu)，多孔網(wǎng)眼系離子在樹脂內(nèi)部擴散進出的通道，通道內(nèi)壁具有眾多功能基團，是離子交換反應的活性點，一旦此活性點被覆蓋，離子交換過程就無法進行。在離子交換過程中，交換勢能較高、附著力強的離子或大分子之類的物質(zhì)吸附或被交換到樹脂上，再生時難以洗脫下來，從而阻止了離子交換；或是在離子交換反應過程中生成難溶的沉積物，并沉積在樹脂內(nèi)部，阻塞了離子交換的通道[2]。

1.2 樹脂吸收有機物機理

富里酸是一種天然有機高分子化合物（C14H12O8），是腐植質(zhì)的主要組成部分，具有分子量低、生物活性高的特點[3]。富里酸（H.FA）離解產(chǎn)生的離子與樹脂中甲基（-CH3）污染物反應可以去除樹脂中的有機污染物。

富里酸的解離常數(shù)pK值是4.5，腐植酸的pK值稍大一些，碳酸的pK值是8.32。當環(huán)境pH值小于4時，腐植酸和富里酸的離子化程度比較小，其形態(tài)像一種不帶電的分子；當pH值增加時，其離子化程度增加，表現(xiàn)為一種大分子量的陰離子。

富里酸是一種弱酸，一般說來只有在堿性介質(zhì)中才能離解，在中性介質(zhì)中只有部分離解，所以在陽離子交換水中它呈分子狀態(tài)，當水中強酸被樹脂（強堿樹脂和弱堿樹脂）吸收之后，水接近中性，它們開始離解，形成的離子就能和樹脂相作用：

RN（CH3）3OH＋HFA?RN（CH3）3FA＋H2O

RN（CH3）2＋HFA?RN（CH3）2HFA

由于HFA是弱酸，所以上述第二個反應吸收的HFA很易水解，它和弱酸樹脂結(jié)合能力較低。強堿樹脂基團內(nèi)的高pH環(huán)境對吸收HFA十分有利，如果強堿基團是Cl－型，則吸附有機物的能力就低得多，表1的數(shù)據(jù)證明了這一點。用Cl－型的大孔強堿陰樹脂作為有機物清除劑是因為洗脫容易，但由于Cl－型樹脂吸收有機物能力低，有機物易漏過，此外，原水經(jīng)Cl－型陰床后水中氯離子比率加大，進入陽床水中堿度減小，對除鹽十分不利。

表1 Cl－型和OH－型強堿樹脂對有機物吸附率[4] %

同為強堿樹脂，丙烯酸類堿性稍弱一些，吸附有機物的能力比苯乙烯類低，但是洗脫吸附的有機物的效率高（見表2），主要原因是這兩種樹脂骨架的差別。丙烯酸類樹脂的骨架主要部分是鏈烴，苯乙烯類樹脂的骨架主要是芳香烴，這和腐植酸、富里酸的結(jié)構(gòu)很相似，因此它們之間有較強的物理吸附結(jié)合。

表2 兩種樹脂吸附和解吸有機物的比較[4] %

2 常用的復蘇方法

復蘇是指樹脂的化學機能在減緩后又恢復正常的反應能力。

2.1 常用的復蘇方法

各種復蘇方法的復蘇效果見表3[5]。

表3 各種復蘇方法的復蘇效果比較

由表3可知，4種復蘇方法中，有機溶劑法復蘇后污染樹脂全交換容量最高可以達到3.03 mmol/g，并能增大有機物溶解度和遷出動力，是效果最好的復蘇方法；表面活性劑法和氧化劑法可以改善親水性以及氧化有機物，但總體效果不及有機溶劑法；鹽堿法的效果最為一般僅為2.88 mmol/g。

2.2 有機溶劑法試驗結(jié)論

下面以效果最好的有機溶劑法為例，對復蘇效果試驗進行總結(jié)：在固定NaOH濃度下，隨著NaCl濃度的增加，經(jīng)過處理后樹脂強基交換容量增大，但是Na3PO4和C2H5OH濃度增加到一定量后樹脂強基交換容量趨勢平緩，因此證明并不是Na3PO4和C2H5OH濃度越大越好，還會增加復蘇成本。在固定濃度下通過改變NaOH濃度得到的變化趨勢與Na3PO4和C2H5OH變化趨勢類似。加入少量乳化劑復蘇后樹脂強基交換容量增加明顯，但是隨著乳化劑用量大量增加，復蘇后樹脂強基交換容量增加趨勢并不明顯，而且加入乳化劑后樹脂中有大量泡沫，清洗困難，因此只能少量加入。

3 有機物污染的復蘇結(jié)果

3.1 復蘇前后運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計

由于運行數(shù)據(jù)受水質(zhì)條件、再生條件等影響較大，統(tǒng)計數(shù)據(jù)選取復蘇前后各一個月的平均值，統(tǒng)計結(jié)果見表4。

表4 復蘇前后運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計

3.2 復蘇前后樹脂理化性能分析

復蘇前后樹脂理化性能變化趨勢見表5。

表5 復蘇前后樹脂理化性能分析

由表4、表5可知，通過對比復蘇前后數(shù)據(jù)，運行周期從16.3 h增加到20.6 h，出水電導率和雜質(zhì)SiO2含量分別降低15.3%和33.1%；全交換容量提高25.8%，污染物CODMn去除54.1%。綜上，復蘇結(jié)果顯著，可以大大提高樹脂的理化性能。

4 結(jié)語

富里酸離解產(chǎn)生的離子與樹脂中甲基污染物反應可以去除樹脂中的有機污染物。作為有機物清除劑，Cl-型樹脂比OH-樹脂容易洗脫，但吸附能力低，有機物容易漏過，對除鹽不利；同理，丙烯酸類樹脂吸附有機物能力低于苯乙烯類，但洗脫率高于苯乙烯。與其他三種常見的復蘇方法（氧化劑法、表面活性劑法、鹽堿法）相比有機溶劑法效果最好。復蘇后，運行周期增加、出水電導率和雜質(zhì)SiO2含量降低，全交換容量提高，還可以去除污染物CODMn，大大提高了樹脂的理化性能。

[1]高振平，趙文亮，姜丹，等.強堿性陰離子交換樹脂污染原因分析及復蘇工藝研究[J].陜西電力，2010（7）：59-61.

[2]張翠玲，郝火凡，趙保衛(wèi)，等.陽離子交換樹脂的污染及復蘇方法研究[J].甘肅科學學報，2007，19（4）：31-33.

[3]好搜百科.富里酸[EB/OL].http：//baike.haosou.com/doc/6294047.html.

[4]邵林.水處理用離子交換樹脂[M].北京：水利電力出版社，1987（12）：24-25.

[5]謝昭明，周柏青.有機物污染離子交換樹脂的復蘇及應用[J].華北電力技術(shù)，2000（10）：14-17.

[6]蔡毅飛.陰離子交換樹脂有機物污染的次氯酸鈉復蘇機理與方法[J].凈水技術(shù)，2011，30（6）：79-81.