阳离子交换膜化学反应器去除铜离子的研究

阳离子交换膜化学反应器去除铜离子的研究
谢德华;施周;陈世洋
【摘要】The ion exchange membrane separation device has been combined with the chemical reactor for constructing the ion exchange membrane chemical reactor and for treating copper ions. The following results show that the chemical reactor can make the copper ions, which came from the receptor pool and went into the chemical
reactor,participate,and the solution containing high-concentration compensation potassium ions all reflows back to the receptor pool,saving the costs of water and chemicals. The technology has the advantages of low energy consumption,simple operation and no secondary pollution.%将离子交换膜分离装置与化学反应器结合构成离子交换膜化学反应器,并对含铜离子废水进行处理,研究结果表明:化学反应器能将从受体池进入化学反应器的铜离子沉淀下来,而含有高浓度补偿离子钾离子的溶液则全部回流到受体池,节约了药剂及水的成本.该技术具有能耗低、操作简单、无二次污染等优点.
【期刊名称】《工业水处理》
【年(卷),期】2012(032)005
【总页数】4页(P21-23,27)
【关键词】阳离子交换膜;铜离子;重金属处理
【作者】谢德华;施周;陈世洋
【作者单位】湖南科技大学土木工程学院,湖南湘潭411201;湖南大学土木工程学院,湖南长沙410082;湖南大学土木工程学院,湖南长沙410082;湖南大学土木工程
学院,湖南长沙410082
【正文语种】中文
【中图分类】X703
根据离子交换膜对离子具有选择透过性以及Donnan渗析原理〔1〕，当无外加电压时，原水中的待去除离子可在膜两侧补偿离子与待去除离子活度比差的驱动下透过膜进入补偿离子溶液，从而实现去除目的。

基于Donnan渗析原理，
A.D.Fonseca等〔2-4〕利用离子交换膜分离饮用水中的硝酸盐和高氯酸盐并采用生物反应器进行处理，在此基础上将处理对象扩展到无机带负电荷污染物〔5-9〕和金属离子（汞和砷）〔10〕。

笔者此前选择工业废水中常见的重金属离子（Cu2+、Mn2+、Zn2+等）作为对象，研究了阳离子交换膜对这些离子的去除效果（去除率为75%～85%），通过
实验得出重金属水化离子半径及原子序数对分离去除效果产生影响的结论〔11-12〕，并讨论了pH对去除效果的影响〔13〕。

在此研究基础上，笔者进一步构
建了离子交换膜化学反应器，对膜分离去除后的Cu2+进一步处理，并实现高浓度补偿离子溶液的循环使用。

1.1 膜及实验药剂
阳离子交换膜购自山东天维膜技术有限公司，为均相阳离子交换膜。

膜的主要性能参数：交换容量为2.0 mg/g，含水率26.1%，离子迁移数0.982，膜厚0.25 mm。

使用的化学药品有氯化铜、氯化钾、碳酸钾、氢氧化钾、盐酸，均为分析纯，购自长沙汇虹化玻仪器设备有限公司。

1.2 实验仪器
AA320型原子吸收分光光度计，上海分析仪器厂；818型酸度计，美国奥利龙公司；BT 100-1J型蠕动泵，河北保定兰格有限公司。

1.3 实验装置及原理
膜分离装置由2个聚乙烯塑料矩形容器组装而成，每个容器的有效尺寸为11.5 cm×11.5 cm× 10.6 cm，有效容积为1.4 L。

2个容器中间夹一层阳离子均相交换膜，膜有效接触面积为67.5 cm2。

阳离子交换膜两侧夹硅胶板并用螺丝固定以防止渗漏。

装置的工作原理见图1。

实验装置运行时，在给体池一端连续输入含待去除Cu2+的污染水，另一端连续排出处理水；受体池连续输入浓度远高于待去除Cu2+浓度的补偿离子溶液（实验中为氯化钾溶液），同时连续出水。

由于离子交换膜两侧离子的活度比始终不平衡（活度与浓度成正相关关系），给体池中的Cu2+在膜两侧离子活度差的推动下连续透过阳离子交换膜进入受体池，从而达到分离去除的效果；而K+则从受体池进入给体池中以达到电荷平衡。

给体池和受体池采用蠕动泵连续输水。

两池中的溶液均采用电动搅拌桨进行连续搅动，搅拌桨直径5 cm，宽度1 cm，距容器底部1 cm。

离子交换膜化学反应器是在膜分离装置的基础上构建而成。

膜分离装置给体池流出的已处理水可回用或排放，受体池流出的含高浓度补偿离子（K+）和重金属离子（Cu2+）的溶液进入外置化学反应器，化学反应器内添加碱液（如KOH）或碳酸钾等使重金属离子发生沉淀。

重金属离子被去除回收后，含高浓度补偿离子的溶液全部回流至受体池作为补偿溶液继续使用，以节约药剂及水（溶解药剂用）的成本。

离子交换膜化学反应器运行流程见图2。

1.4 实验方法
针对原水中Cu2+的不同浓度〔0.078 7 mmol/L（5 mg/L）、0.787 mmol/L （50 mg/L）〕，分别添加碱液（pH=10）或碳酸钾进行对比试验。

其中碱液用KOH调配，pH均为10；碳酸钾用量按与受体池出水Cu2+物质的量之比为1∶1进行添加。

当原水Cu2+为50 mg/L时，24 h后受体池出水Cu2+
为25 mg/L左右；当原水Cu2+为5 mg/L时，24 h后受体池出水Cu2+不足5 mg/L，按5 mg/L计算。

2.1 对Cu2+为50 mg/L原水的处理效果
当原水Cu2+为50 mg/L（0.787 mmol/L），添加药剂为碱液时，给体池、受体池及沉淀池出水的Cu2+随时间变化情况见图3。

由图3可知，给体池出水的Cu2+在实验运行的前12 h快速降低，并于12 h左
右达到低点，Cu2+去除率为77%；12 h后给体池出水Cu2+缓慢上升，240 h
时Cu2+去除率为65%。

受体池出水的Cu2+在前24 h迅速增加，24 h时Cu2+为0.304 mmol/L，此后Cu2+增加趋势放缓，96 h时受体池出水Cu2+为0.452 mmol/L，96 h后受体池Cu2+基本维持稳定。

沉淀池出水Cu2+在前72 h逐步
增加，72 h时出水Cu2+浓度为0.100 mmol/L左右，基本维持稳定。

当原水Cu2+为50 mg/L，添加药剂为碳酸钾时，给体池、受体池及沉淀池出水Cu2+随时间变化情况见图4。

由图4可知，给体池Cu2+在实验运行的前12 h快速降低，并于12 h左右达到低点，Cu2+去除率为76%，12 h后，给体池Cu2+浓度有缓慢上升趋势，Cu2+去除效果下降，240 h时，Cu2+去除率为65%。

受
体池Cu2+浓度在实验运行的前24 h迅速增加，24 h时，Cu2+浓度为0.313 mmol/L，24 h后Cu2+浓度增加趋势放缓，96 h时受体池Cu2+浓度为0.427 mmol/L，96 h后，受体池Cu2+浓度基本维持稳定。

沉淀池出水的Cu2+浓度在实验运行的前72 h是逐步增加的，72 h后其出水Cu2+为0.088 mmol/L左右，此后基本维持稳定。

由图3和图4可知，添加药剂为碱液和碳酸钾，实验规律基本相同，无明显差别。

分析认为，在实验运行的前12 h给体池Cu2+快速下降，是因为离子交换膜进行
了很好的离子交换，但12 h后给体池Cu2+缓慢上升是因为Cu2+迁移过膜时离
子交换膜内会存留部分Cu2+。

受离子交换速率的影响，且当给体池Cu2+浓度较高时，这些Cu2+不能很快进入受体池，膜内的Cu2+随时间延长有增加趋势（实验中观察到膜由无色逐渐变成蓝色并逐渐加深），这不利于给体池的Cu2+继续透过膜迁移进入受体池，故Cu2+去除效果有所下降。

受体池出水Cu2+在96 h后
基本维持稳定，其进入沉淀池与碱液（或碳酸钾）发生沉淀反应，故沉淀池出水
Cu2+在96 h后也维持稳定，且出水Cu2+较低（0.100 mmol/L），可作为补偿溶液循环使用，对离子交换过程影响不大。

2.2 对Cu2+为5 mg/L原水的处理效果
当添加药剂为碱液，原水Cu2+为5 mg/L（0.078 7 mmol/L）时，给体池、受体池及沉淀池出水Cu2+随时间变化情况见图5。

由图5可知，给体池的Cu2+在前12 h快速降低，12 h时Cu2+去除率为85%，12 h后Cu2+维持稳定状态。

受体池Cu2+随时间延长逐步增加，12 h时Cu2+
为0.001 mmol/L，240 h时Cu2+为0.037 mmol/L，在整个实验运行周期内未
达到稳定状态。

受体池中的Cu2+进入沉淀池后基本得到完全沉淀，沉淀池出水
Cu2+为0.002 mmol/L，对补偿离子溶液的循环使用无明显影响。

此外，实验中可观察到膜由无色逐渐变成蓝色并逐渐加深，但由于给体池Cu2+初始浓度较低（5 mg/L，即0.078 7 mmol/L），其进入膜内的Cu2+相对于膜的离子交换容量不高，对离子交换过程无明显影响，故给体池Cu2+在12～240 h内
一直维持稳定。

当添加药剂为碳酸钾，原水Cu2+为5 mg/L时，给体池、受体池及沉淀池出水的Cu2+随时间变化规律与添加碱液时基本相同，此处不再赘述。

从理论来说，可以通过增大碱液或碳酸钾浓度来完全沉淀Cu2+，但膜污染研究表明〔14〕，悬浮固体物质过多可能会影响膜分离效果，故不推荐采用高浓度碱液
或碳酸钾溶液。

投加了碱液（pH=10）或碳酸钾的化学反应器能将从受体池进入的Cu2+很好地
沉淀下来，含高浓度补偿离子的溶液可回流到受体池循环使用，铜的沉淀物也可回收利用。

但对于较高浓度的Cu2+溶液，由于受离子交换膜交换容量的限制，其去除效果有下降趋势。

构建离子交换膜化学反应器在重金属离子废水及饮用水应急处理中有潜在应用价值。

【相关文献】
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