大孔螯合型树脂对含酸废水中铁离子吸附研究

冯魏良,王为国,王存文,胡 建

(武汉工程大学绿色化工过程省部共建教育部重点实验室,湖北 武汉 430074)

0 引 言

硫铁矿是我国制备硫酸的基本原料之一[1].制酸工艺过程中产生的含酸废水主要来源于净化系统,各工段设备、地坪的冲洗水等.水洗法净化废水排放量大,生产每吨硫酸产生10～15 m3含酸废水[2].一般硫酸厂根据酸性废水水质选定处理工艺,目前最常用的方法有三种:碱法、碱-铁盐法和硫化法加碱-铁盐法[3].这些方法除操作费用高,流程复杂外,加入的石灰将废水中大量硫酸转换成了基本无使用价值的废石膏.因此,硫酸厂的废水资源化利用是一个亟待解决的问题.

以某硫酸厂为例,其处理前含硫酸质量分数为5%的废水,含有一些污染物,其污染杂质浓度含量如下表1;另外,为回收含硫酸废水制备成国家工业硫酸GB/T534-2002,列出国家工业硫酸标准如下表1.

表1 相关污染物浓度与国家工业硫酸标准表

从表1可知,如果回收含酸废水制备工业硫酸,经絮凝沉降等方法去除固相残渣后,废水中的铁离子浓度已超过国家标准.基于上述含酸废水的特点,本研究提出了回收含酸废水的工艺流程,其工艺流程示意图如下:

图1 工艺流程示意图

离子吸附树脂是一种具有离子交换功能的高分子化合物,与金属的结合力很强[4],树脂吸附法已成功应用于多种工业废水的处理及不同环境中金属离子的去除[5],废水在得到有效治理的同时,还可回收废水中绝大部分的有用物质,使环境效益、社会效益与经济效益同步增长[5-10].本研究采用摇瓶法[10-11],选择D468树脂为吸附树脂,探究该树脂对含酸废水中铁离子的吸附情况.

1 实验部分

1.1 实验装置

1.1.1 仪器 紫外可见分光光度计(UV-1400 日本岛津)、数显气浴振荡器(哈尔滨市东明医疗仪器厂)

1.1.2 试剂 D468 、D201、AB-8、D3520、D152(南开大学化工厂)、717、D155(华东上海华震科技有限公司)等7种树脂、废液[含铁量约1 000 mg/L，n(Fe2+)∶n(Fe3+)=6∶4]、其他试剂均为分析纯.

1.2 吸附树脂的筛选

在盛有50 mL废液的7个锥形瓶中分别加入吸附树脂D201、D468、717、AB-8、D3520、D152和D155各20.0 g,常温下于恒温摇床上振荡一定的时间后,考察不同树脂对该废水的吸附性能.

吸附量按下式计算:

Q=(C0-C)×V/W

式中:Q——吸附量,mg/g；C0——吸附前铁的浓度,μg/mL；C——吸附平衡后溶液中剩余铁的浓度,μg/mL；V——溶液的体积,mL；W——树脂的质量,g.

1.3 D468树脂吸附性能的测试

1.3.1 树脂用量的影响 分别称取预处理过的树脂5 g,10 g,15 g,20 g,25 g,35 g;然后各加入一定量废液,在常温下,恒温振荡一定的时间；吸附平衡后,过滤,测定滤液中含铁离子的含量,确定树脂不同容量对铁离子的吸附含量.

1.3.2 吸附时间的影响 准确称取经预处理的树脂20.0 g 各8份置于带塞锥形瓶中,然后各加入一定量废液.在25 ℃下,置于气浴恒温振荡器中振荡一定的时间.过滤,测定滤液中含铁离子的含量,比较不同时间下对树脂吸附铁离子的影响.

1.3.3 温度对吸附的影响 准确称取经预处理的树脂20.0 g 各4份置于带塞锥形瓶中,然后各加入一定量废液置于气浴恒温振荡器中,在不同温度下振荡30 min；吸附平衡后,过滤,测定滤液中含铁离子的含量,比较不同温度下对树脂吸附铁离子的影响.

1.3.4 硫酸浓度对树脂吸附的影响 准确称取20.0 g预处理过的树脂5份于250 mL锥形瓶中,分别标注为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ,然后各加入一定浓度的含铁溶液50 mL,再相应加入硫酸0 mL,1.4 mL,2.7 mL,4.1 mL,5.6 mL.在常温下,恒温振荡30 min;吸附平衡后,过滤,测定滤液中含铁离子的含量,比较不同硫酸浓度对树脂吸附铁离子的影响.

1.3.5 Fe2+与Fe3+不同含量比对吸附的影响 分别配置5个Fe2+与Fe3+不同含量比的含酸废液,在25 ℃条件下,气浴恒温振荡30 min；吸附平衡后,过滤,测定滤液中含铁离子的含量,比较含酸废水中Fe2+与Fe3+不同含量比对树脂吸附铁离子的影响.

1.3.6 D468树脂的洗脱 称取4份约5 g吸附铁离子饱和的树脂分出水相,在锥形瓶中分别加入一定量的质量分数为1%、5%、15%、30%的HCl于常温下以每分钟150次的振荡频率在恒温气浴振荡器中振荡至平衡,收集洗脱液,并测定溶液中铁的含量,求出洗脱率.

2 结果与讨论

2.1 树脂筛选结果

相同静态吸附实验条件下,测得7种树脂对含酸废水中铁离子的吸附量如图2.

图2 7种不同类型树脂的吸附量图

由图2可知,D201、D468树脂均对含酸废水中的铁离子具有相对较强的吸附能力,而D201树脂在经过碱预处理后,有臭气产生,树脂颜色变红.因此,本研究选用D468型大孔型螯合性树脂为吸附剂,对含酸废水进行吸附性能研究.

2.2 树脂不同用量的吸附量

图3 树脂不同用量的吸附量图

图4 吸附时间对吸附量的影响图

从图3中可知,树脂的用量越大,吸附量也相应增大.当树脂达到20.00 g左右时,对于50 mL含硫酸质量分数约为5%的废液(含铁离子约1 000 mg/L),其吸附量达到平衡,因此,在后面的实验中,称取D468型树脂20.00 g即可.

2.3 吸附时间对吸附量的影响

由图4可知,在25 ℃下,D468号树脂吸附速率比较快,30 min就基本达到了稳定.因为刚开始时溶液中铁离子的含量比较高,吸附得较快；经过数十分钟的吸附以后,离子的含量同树脂没有配位的基团含量降低,所以吸附速率降低.

2.4 温度对吸附量的影响

在不同温度下,测定了D468号树脂对铁离子的不同吸附量,结果如下图5.

图5 温度对吸附量的影响图

图6 硫酸质量分数对吸附量的影响图

由图5中可知,20.0 g树脂在50 mL废液中于25 ℃、35 ℃、45 ℃和55 ℃下静态吸附30 min.结果表明,在25～55 ℃范围内,温度对D468树脂吸附性能影响不十分明显.

2.5 硫酸浓度对树脂吸附的影响

由图6中可知,D468树脂于25 ℃下吸附30 min,随着溶液酸度的增强,吸附量逐渐减少.这是因为酸度增强,溶液中的H+浓度增大,降低了树脂中可交换基团的解离度,减少了H+与铁离子间的交换量,从而吸附量减少.

2.6 溶液中Fe2+与Fe3+不同含量比对吸附量的影响

由表3中可知,D468树脂于25 ℃下吸附30 min,其对铁离子具有螯合吸附性能,尤其对Fe3+离子表现出很强的螯合吸附性能.因为D468大孔螯合性树脂对高价金属离子有特殊的选择性,其选择顺序为:Fe3+>Fe2+>H+.另外,该树脂对铁离子有一定的吸附饱和量.

表3 Fe2+与Fe3+不同含量比对吸附的影响比较表

2.7 D468树脂洗脱再生实验的初步结果

选用质量分数为1%、5%、15%、30%的盐酸进行洗脱再生实验,结果见表4.在常温下,盐酸浓度越高洗脱效果越好,洗脱率可以达到70%以上.但综合考虑,质量分数为15%的HCl溶液被选为洗脱液,其具体参数有待于进一步优化.

表4 4种不同方法洗脱比较表

3 结 语

a. D468型树脂对金属离子具有螯合吸附性能,尤其对Fe3+离子表现出很强的螯合吸附性能.

b. 树脂用量、吸附时间和pH值对D468树脂吸附量有一定的影响.在常温下,20.0g D468型树脂对质量分数为5%酸的废水在30 min内,进行铁离子吸附,吸附量可达到2.33 mg/g,酸水的除铁率可以达到96%,而温度对该树脂吸附能力影响较小.

c. 在常温下,质量分数为15%的盐酸对吸附铁的饱和树脂有良好的脱附作用.

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