離子交換法處理含銅廢水大連理工大學環境學院2012年4月實驗目的

了解離子交換法的原理掌握離子交換處理重金屬廢水的技術學習廢水中銅的測試方法一、離子交換原理及分類離子交換樹脂是一種不溶于酸、堿和有機溶劑的固態高分子材料。是一類帶有官能團的網狀結構的高分子化合物，其結構有三部分組成：不溶性的三維空間網狀骨架，連接在骨架上的官能團和官能團所帶的相反電荷的可交換離子。骨架上的活性離子在水溶液中發生離解，可在較大的范圍內自由移動，擴散到溶液中，同時，在溶液中的同類型離子也能從溶液中擴散到骨架的網格或孔內。當這兩種離子濃度差較大時，就產生一種交換的推動力，利用這種濃度差的推動力使樹脂上的可交換離子發生可逆交換反應。樹脂按活性離子分類，如果活性離子是陽離子（和陽離子發生交換）就稱為陽離子交換樹脂；如果是陰離子，則稱為陰離子交換樹脂。本實驗所用樹脂是001陽離子交換樹脂（苯乙烯系陽離子交換樹脂）。含有強酸性基團，如磺酸基-SO3H，能在溶液中離解H+而呈強酸性。樹脂中的SO3－基團能吸附溶液中的其它陽離子，這兩個反應，使樹脂中的H+與溶液中的陽離子互相交換。這類樹脂用強酸進行再生。強酸性樹脂的離解能力很強，在酸性或堿性溶液中都能離解和產生離子交換作用，因此使用時的pH沒有限制。1、強酸性陽離子樹脂R-SO3HR-SO3-＋H＋反應簡式為：R-SO3NaR-SO3-＋Na＋這類樹脂含有弱酸性基團，如羧基-COOH、酚羥基-OH，能在水中離解出H+而呈弱酸性，R-COO-能與溶液中的其它陽離子吸附結合，而產生陽離子交換作用。這類樹脂由于離解性較弱，在低pH值下，難以離解和進行離子交換，在堿性、中性或微酸性溶液中發揮作用（R-COOH應在pH>6的溶液中操作，R-OH應在pH>9的溶液中操作）。這類樹脂也是用酸進行再生。2、弱酸性陽離子樹脂R-COOHR-COO-＋H＋反應簡式為：這類樹脂含有強堿性基團，如季銨基[-N(CH3)3OH]，能在水中離解出而呈堿性，樹脂中的離解基團能與溶液中其它陰離子吸附結合，產生陰離子交換作用。這類樹脂的離解性很強，使用的pH范圍無限制，再生一般用強堿（如NaOH）進行。3、強堿性陰離子樹脂R-NR3OHR-NR3+＋OH-反應簡式為：這類樹脂含有弱堿性基團，如伯胺基（-NH2）、仲胺基（-NHR）或叔胺基（-NR2），它們在水中能離解出OH-而呈弱堿性。這類樹脂的離解能力較弱，只能在低pH（1-9）下工作，可以用Na2CO3、NH4OH等進行再生。4、弱堿性陰離子樹脂R-NH2＋H2OR-NH3+＋OH-反應簡式為：離子交換樹脂的理化性能外觀：離子交換樹脂是一種透明或半透明的物質，有白、黃、黑、赤褐色等幾種顏色。為了便于觀察，要求樹脂顏色較淡。樹脂球形，大小20-60目（0.25-0.84mm）。交聯度：樹脂在結構中必須具有一定的交聯度，使其不溶于一般的酸、堿及有機溶劑。大多數離子交換樹脂是由苯乙烯和二乙烯苯聚合而成的。交聯度是二乙烯苯在樹脂母體總量中所占的質量分數。交聯度的大小決定著樹脂機械強度以及網狀結構的疏密。交聯度大，網孔小，結構緊密，樹脂機械強度大；交聯度小，網孔大，結構疏松，樹脂機械強度小。另外：樹脂不僅交換容量和選擇性要好，而且要容易解吸，一般吸附容易的解吸就比較困難。離子交換選擇性離子交換樹脂總是優先選擇高價離子，而低價離子被吸附時則較弱。陽離子被吸附的順序為：Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>Na+

陰離子順序為：檸檬酸根>硫酸根>硝酸根

Cr2O7-＞SO4-＞NO3-＞CrO-＞Cl-＞OH-

樹脂對離子交換吸附的選擇性，在稀溶液中比較大，而在濃溶液中選擇性較小。水化半徑較小的離子優先吸附。離子交換樹脂的預處理及再生1、預處理新樹脂在制造過程中，常有某些未參與聚合反應的低分子和高分子成分的分解產物及一些鐵、銅、鋁等金屬物質。在樹脂表面還有灰塵等污物。新樹脂裝入柱后，先用去離子水浸泡12h左右，使樹脂充分吸水膨脹，再用2-3倍樹脂體積的10%左右食鹽水浸泡4h以上。用水洗凈殘留的NaCl，再根據樹脂類型和使用所需要的型號分別用酸和堿處理，最后調pH值至所需范圍。2、再生先用清水洗滌，然后用再生劑再生，最后用清水洗至所需pH值；鈉型強酸性樹脂用NaCl溶液再生；氫型強酸性樹脂用強酸再生；氯型強堿性陰樹脂主要用NaCl溶液再生；羥型強堿性陰樹脂用NaOH溶液再生。二、重金屬污染及危害從環境污染方面所說的重金屬，實際上主要是指汞、鎘、鉛、鉻以及類金屬砷等生物毒性顯著的重金屬，也指具有一定毒性的一般重金屬，如鋅、銅、鈷、鎳、錫等。由重金屬或其化合物造成的環境污染稱為重金屬污染。重金屬廢水及其化合物能在水生生物體內以及植物體組織內累積富集，通過飲水和食物鏈的生物積累、生物濃縮、生物放大等作用，最終對人體健康造成嚴重危害。

重金屬廢水是污染性很強的一類廢水，即使濃度很小，也能造成危害，且毒性具有長期持續性。上世紀中葉發生在日本的，世界上最著名的生態環境病“水俁病”。該病是以地名命名的。是突然爆發的一種前所未有的怪病。發病者中漁民明顯高于農民，發病前毫無征兆，嚴重者數日內死亡，輕者癥狀終身不退，隨時發作，只能以藥物暫緩痛苦。1950年在日本的水俁灣附近漁村中，人們發現一些人走路像貓步的樣子，抽筋麻痹，最后跳入水中溺死，當地人謂之“自殺貓”。1953年水俁地區發現一個生怪病的人，開始只是口齒不清，步態不穩，面部癡呆，近而耳聾眼瞎，全身麻木，最后神經失常，一會酣睡，一會興奮異常，身體彎弓，高叫而死。1956年在這個地區又發現五十多人患有同樣癥狀的病。

經過對病的調查和研究，在1962年才確定水俁病的發生是由于汞的環境污染，特別是常期食用被污染的魚和貝類引起的甲基汞慢性中毒。這是從水俁地區的工廠排放的氯化甲基汞污染海域，使魚和貝類中毒造成的。

水俁病是直接由汞對海洋環境污染造成的公害，迄今已在很多地方發現類似的污染中毒事件，同時還發現其他一些重金屬如鎘、鈷、銅、鋅、鉻等，以及非金屬砷，它們的許多化學性質都與汞相近，這不能不引起人們的警惕。

最應引起人們注意的重金屬污染物是鉛、汞、鎘。

鉛可以作為農藥及汽油、油漆、家具、瓷器等的添加劑。燃煤也會釋放出大量的鉛。鉛的危害主要是會引起兒童智力發育障礙。

汞是一種重要的化工產品，可以在采礦和相關的化工生產中流入環境而造成污染。另外燃煤、化妝品、日光燈、溫度計等都可能含有一定數量的汞。如果大量吸入和接觸，汞會對人的神經系統和肝臟、腎臟等器官產生嚴重的損壞。汞污染造成中毒最典型的就是“水俁病”。汞可以在環境中變為甲基汞，甲基汞具有很高的毒性，容易在食物鏈中富集和放大，造成極大的危害。有些具有美白祛斑功效的化妝品含有很高含量的汞，購買使用時要謹慎選擇。汞易揮發，如果遇到汞溢出或泄漏事件時，應已硫粉覆蓋并迅速離開至安全地方。

鎘用途很廣，鎘鹽、鎘蒸燈、顏料、煙霧彈、合金、電鍍、焊藥、標準電池等，都要用到鎘。鎘是一種毒性很大的重金屬，其化合物也大都屬毒性物質。如中國的新馬村就是因為鎘中毒被稱為“癌癥村”。三、實驗原理采用自動加液泵在一定流量下將含銅廢水加入離子交換柱，溶液中的銅離子經過陽離子交換樹脂后與氫離子交換而被吸附在樹脂上，從而達到去除水中銅離子的目的，在一定時間內取出水口出水，測定水中銅離子濃度，并計算去除率。采用比色法（546nm)測定出水中銅離子濃度。顯色反應原理：新銅試劑+Cu2+藍色絡合物。

四、實驗步驟準確吸取20mg/L銅標準溶液0、1、2、3、4、5mL,分別放入10ml的具塞比色管中，加水至5mL。依次加入10％檸檬酸銨溶液1mL，氨水緩沖液1ml，新銅試劑（雙環已酮草酰二腙，BCO）2ml，用去離子水稀釋至10ml，放置10分鐘后，在7504型分光光度計上于546nm，用1cm玻璃比色皿，以試劑空白作參比測定溶液吸光度，以吸光度-銅濃度繪制標準曲線（吸光度為橫坐標）。啟動進水泵，將流量穩定在40-60mL/min，系統穩定