離子交換樹脂處理模擬含鎘廢水的研究

1、各專業(yè)全套優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)圖紙吉首大學(xué)JISHOU UNIVERSITY本科生畢業(yè)論文題目名稱 離子交換樹脂處理模擬含鎘廢水的研究學(xué)生姓名學(xué) 院生物資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院專業(yè)年級 2006級環(huán)境科學(xué)專業(yè)指導(dǎo)教師職稱編寫時間2010年5月目錄摘要1關(guān)鍵詞 1Abstract 1Key words 11前言 2儀器和材料 32.1藥品32.2實(shí)驗(yàn)儀器33實(shí)驗(yàn)方法 33.1鎘含量的測定 33.2模擬廢水的配制33.3 D401的預(yù)處理 3.4樹脂的選擇3.5靜態(tài)吸附平衡實(shí)驗(yàn) 3.5.1不同溫度下的靜態(tài)吸附 3.5.2 pH對平衡吸附量的影響 3.5.3靜態(tài)吸附動力學(xué)實(shí)驗(yàn) 4結(jié)果與分析 4.1樹脂的選擇 4.

2、2等溫吸附曲線4.3不同pH值的含鎘廢水溶液對吸附量的影響 4.4D401的加入量對吸附量的影響 4.5靜態(tài)吸附動力學(xué)分析 105.結(jié)論 11參考文獻(xiàn)： 13致謝：14離子交換樹脂處理模擬含鎘廢水的研究李偉指導(dǎo)老師：彭清靜（吉首大學(xué)生物資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖南 吉首 416000）摘 要： 通過采用模擬含鎘廢水對732、 D401 和 D405 樹脂的吸附量進(jìn)行對比，選擇 D401樹脂為研究對象，并且考查了 D401 樹脂加入量、吸附溫度、吸附時間、 pH 值不同時對廢水 中Cd2+的吸附規(guī)律。結(jié)果表明：D401對含鎘廢水的吸附量隨含鎘廢水的初始濃度的升高而增 大；隨溫度的升高 D401 對含

3、鎘廢水的吸附量呈上升趨勢； D401 對含鎘廢水的吸附符合 Freundlich 等溫模型； D401 對 Cd 吸附速率的主要控制步驟為顆粒內(nèi)擴(kuò)散控制。該樹脂吸附操 作簡單，易再生，不產(chǎn)生二次污染，有望用于含Cd2+ 廢水的治理。關(guān)鍵詞： 鎘離子廢水；吸附 ; D401 樹脂2+The Research on Adsorption of Cd Waste water withD401 resinLI-WeiSupervisor：PENG Qing-jing(College of Biology and Environmental Science ， Jishou University ， J

4、ishou 416000)Abstract: With the static experiments，D401 and D405 732 resin adsorption capacity 2+By using simulation of wastewater containing cadmium,law of adsorption of Cd waste water with D401 resin， under given conditions， such as activated carbon mass, adsorption temperature， adsorption time， a

5、nd pH value were studied. The resultindicated that the adsorption capacity of Cd2+ waste water by D401 resin increased withincrease of the initial concentrationof Cd2+waste water and it decreased with rise of thetemperature. The adsorptive capacity of Cd waste water by D401 resin obeyed the 2+Freund

6、lich isothermal.The adsorption of Cd on the resin was an endothermicprocess.The resin can be used in wastewater treatment .Key words： D401resin; Cd2+ waste water;adsorption1 前言 鎘是一種對人體有害的元素，在自然界多數(shù)以化合態(tài)存在，它可以通過食物 鏈在人體蓄積，或者直接作用于人體而引發(fā)急、慢性鎘中毒。急性鎘中毒主要表 現(xiàn)為發(fā)熱、咳嗽、乏力、胸悶、肢體酸痛等 1 ；慢性鎘中毒主要表現(xiàn)為尿鎘升高， 病情繼續(xù)發(fā)展會造成腎臟、肝臟

7、及肺部損害，并伴有骨質(zhì)疏松癥和骨質(zhì)軟化癥。 我國和日本 2 都曾經(jīng)出現(xiàn)過污染區(qū)鎘中毒的情況。 鎘對人體的危害已引起了世界各 國的重視，各國均制定了相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)。我國規(guī)定工業(yè)廢水中鎘的最高排放濃 度為O.lmgL-1。含鎘廢水在排放前必須進(jìn)行處理，以達(dá)到排放的要求，避免污 染中毒事件的發(fā)生。因此，含鎘廢水的有效處理刻不容緩，研究、開發(fā)高效、經(jīng) 濟(jì)的含鎘廢水的處理技術(shù)，具有重大的社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境意義。鎘可作為原料或催化劑用于生產(chǎn)電池、塑料、顏料和試劑；還可作為生產(chǎn)不 銹鋼、合金、電視機(jī)熒光屏等的原料；另外鎘還是原子核反應(yīng)堆用控制棒的材料 之一3。鎘的廣泛應(yīng)用造成了它的環(huán)境污染，相當(dāng)數(shù)量的鎘通過廢

8、氣、廢水、廢渣 排入環(huán)境。含鎘廢水的來源主要包括金屬礦山的采選，冶煉，醫(yī)藥，陶瓷，無機(jī) 顏料制造，電鍍，紡織印染及某些照相廢液等。鎘以各種化學(xué)形態(tài)存在，在進(jìn)入 環(huán)境或生態(tài)系統(tǒng)后就會存留、積累和遷移，造成對生態(tài)環(huán)境的危害。目前，含鎘廢水的處理主要有化學(xué)沉淀法、離子樹脂交換法、電解法、膜分 離法、生物法等 4?；瘜W(xué)沉淀法處理含鎘廢水，該法具有工藝簡單、操作方便、經(jīng) 濟(jì)實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)，特別適用于鎘離子濃度較高的水體中鎘的去除廢水中的大部分鎘 離子，但不能將鎘回收利用，沉渣的堆放會造成二次污染，很難達(dá)到綠色環(huán)保的 要求，有待進(jìn)一步解決。電解法處理含鎘廢水，鎘去除率高，可回收利用等優(yōu)點(diǎn)， 已應(yīng)用于廢水的治理

9、，但該法成本比較高，一般經(jīng)濃縮后再電解經(jīng)濟(jì)效益較好， 這也限制了電解法的應(yīng)用推廣。 膜分離法 5處理含鎘廢水具有分離效率高、 耗能低 的優(yōu)點(diǎn)，同時可以回收鎘金屬，但膜組件的設(shè)計(jì)困難，投資也比較高，影響了膜 法的應(yīng)用。生物法處理電鍍廢水具有處理效果好、適應(yīng)性強(qiáng)、操作控制簡單等優(yōu) 勢，有著廣闊的發(fā)展前景，但應(yīng)用并不廣泛，因?yàn)楣に囍杏性S多問題有待解決。 離子交換法處理含鎘廢水，因出水水質(zhì)好 6 ，7，可回收有用物質(zhì)，適用于處理濃度 低而廢水量大的含鎘廢水等優(yōu)點(diǎn)，曾得到廣泛的應(yīng)用。離子交換法應(yīng)用于含鎘廢 水處理的主要功能有 :（1）去除重金屬鎘離子， 以應(yīng)對日趨嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn) ;（2）回收廢 水中有價

10、值的金屬鎘 ;（3）提高水的循環(huán)利用率， 節(jié)約日益匱乏的水資源 ;（4）減少環(huán)境 污染10 。本文以含鎘離子廢水為研究對象，采用 D401 對該廢水進(jìn)行處理，研究 D401 對含鎘廢水的吸附特性。2 儀器和材料2.1 藥品氯化鎘；鹽酸；氫氧化鈉；食鹽，（市售）;732型、D401型、D405型，購自 江蘇蘇青樹脂公司。2.2 實(shí)驗(yàn)儀器等離子體光譜發(fā)射儀（ICP-AES-6300，美國熱電公司）， 電子天平（ AUY-120 型，日本島津公司） ， 數(shù)字酸度計(jì)（ pH-3C 型，上海順鵬科技有限公司） ， 全溫振蕩培養(yǎng)箱（ HZQ-F160 型，中國 .哈爾濱東聯(lián)電子技術(shù)有限公司） 。3 實(shí)驗(yàn)方

11、法3.1 鎘含量的測定（1）鎘標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制：稱取經(jīng)150C干燥2 h的基準(zhǔn)氯化鎘（優(yōu)級純）1.632 g,用二次蒸餾水將其溶 解，加入（1+1）硝酸2 mL，用去二次蒸餾水定容至500 mL，搖勻，其Cd2+濃度 為 1.000 mg/ml。（2）樣品測定：取樹脂吸附后的上清液1 mL，用二次蒸餾水稀釋到10ml，與標(biāo)樣分別進(jìn)樣， 用 ICP 分析儀進(jìn)行測量溶液中鎘含量。3.2 模擬廢水的配制準(zhǔn)確稱取16.32g CdCI2，放入燒杯中用約100mL去離子水溶解后放入250mL 容量瓶中，并多次少量用去離子水洗滌燒杯，洗滌水也放入容量瓶中，然后用去 離子水稀釋至刻度，配制成含鎘為 10 g/

12、L 的鎘工作液。含鎘模擬廢水用鎘工作液加水并加入適當(dāng)酸堿調(diào)節(jié)劑而成。3.3 D401 的預(yù)處理首先稱取樹脂各加100g,分別加近飽和食鹽水浸泡12h以上；再用去離子水 洗35次，然后用3% HCI溶液浸泡4h以上，然后用去離子水洗到近中性；最后 用 3% NaOH 溶液浸泡 2h 以上,然后用去離子水洗到近中性。3.4 樹脂的選擇用鎘工作液配制成pH=5、濃度為500 mg/L的含鎘廢水，取100 mL 3份分別 放入3個錐形瓶中，并分別加入不同種樹脂 2 g,在溫度為20T，轉(zhuǎn)速為120轉(zhuǎn)/ 分下振蕩12h，然后取樣檢測各種樹脂吸附鎘離子的濃度(mg/L )。3.5 靜態(tài)吸附平衡實(shí)驗(yàn)3.5.

13、1 不同溫度下的靜態(tài)吸附取出部分預(yù)處理好的樹脂，用濾紙吸干水份后準(zhǔn)確稱取 0.2g若干份，分放于 250mI 的三角瓶中， 分別加入 100mI 含鎘金屬離子初始濃度為 100、 200、 300、 400、 500、600mg/L的溶液，在一定溫度下恒溫震蕩12h以上，取樣檢測溶液的濃度， 并計(jì)算出該平衡濃度下的平衡吸附量。據(jù)公式：Qe=V(C 0- Ce)/W式中，Qe 平衡吸附量， mg/gV 加入的溶液體積， L C0 初始濃度， mg/L Ce 平衡濃度， mg/L W 加入的樹脂質(zhì)量，g3.5.2 pH 對平衡吸附量的影響取出部分預(yù)處理好的樹脂，用濾紙吸干水份后準(zhǔn)確稱取 0.2g若

14、干份，分放于 250mI 的三角瓶中， 采用鹽酸溶液和氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)水樣的 pH 值，分別為 1， 2， 3, 4, 5,然后在一定溫度下恒溫震蕩12h以上，取樣檢測溶液的濃度，并計(jì)算出 該平衡濃度下的平衡吸附量。3.5.3靜態(tài)吸附動力學(xué)實(shí)驗(yàn)取出部分預(yù)處理好的樹脂，用濾紙吸干水分后準(zhǔn)確稱取0.2g若干份，分放于250ml的三角瓶中，分別加入同體積、同濃度的鎘金屬離子溶液，在恒定溫度下振 蕩，在15、30、45、60、75、90min時取樣檢測溶液的濃度，并計(jì)算出相對應(yīng)的 吸附量。4結(jié)果與分析4.1樹脂的選擇不同樹脂對鎘的吸附情況見下表：表1各種樹脂吸附鎘的比較Table 1 The in f

15、lue nee of differe nt resi n on adsorptive capacity樹脂類型鎘的平衡濃度（mg/L）平衡吸附量（mg/g）7321.7729.912D4010.03629.998D405420.13.995由表1可知，D401陽離子交換樹脂對鎘的吸附量最大，此時，鎘的平衡濃度 最小，表現(xiàn)出的吸附能力最強(qiáng)。因此，用 D401陽離子交換樹脂處理含鎘廢水較適 合。4.2等溫吸附曲線將不同溫度下不同鎘的平衡濃度對應(yīng)的吸附量得到吸附等溫曲線如圖1所示1801.20 C30 C-40C50 C81 1 1 J9rurn 量附吸60 -40 1111010020030040

16、0Ce(mg/g)圖1D401樹脂對鎘的吸附等溫線2+Fig .1. Equilibrium adsorption isotherms of D405 resin to Cd at 40 C and 50 C由圖1可知，在同濃度下，D401樹脂對Cd2+的平衡吸附量隨這溫度的升高而 增大，這表明吸附為吸熱過程，溫度升高有利于吸附的進(jìn)行。在工業(yè)應(yīng)用中，盡 量將廢水的溫度升高以提高 D401的利用率。在相同溫度的情況下，隨著含鎘廢水 濃度的升高，單位質(zhì)量D401吸附含鎘廢水的吸附量也升高。說明隨著濃度的增加， D401的吸附量越來越接近于飽和吸附量。由Langmuir方程：Q/Qm=k 1C/ (

17、1+k 1C)得到：1/q =1/ (k 1 Qm C)+1/Qm式中： Q D401的吸附量 mg (Cd) /g (D401);k 1Langmuir平衡常數(shù)；Qm吸附容量，mg (Cd) /g ( D401)(實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證為：126.75);從圖1數(shù)據(jù)中選取40C和50 C的數(shù)據(jù)作1/Ce -1/q圖(見圖2 )，用最小二乘 法進(jìn)行線性回歸，得線性相關(guān)系數(shù)R40=O.923R50 = 0.946o相關(guān)系數(shù)較小，說明D401 樹脂對鎘的吸附不屬于Langmuir吸附類型。由 Freundlich 方程：x / m = Q = KC；/n得到：lnQ= 1/n lnCe + lnK式中：x被吸附

18、溶質(zhì)的質(zhì)量，mg；m吸附劑的質(zhì)量，g;Q單位質(zhì)量吸附劑所吸附溶質(zhì)的質(zhì)量，mg/g;Ce達(dá)平衡時溶液中溶質(zhì)的濃度，mg/L。1/Ce圖2 Langmuir擬合等溫線Fig.2. Lan gmuir isotherm從圖1數(shù)據(jù)中選取40C和50C的數(shù)據(jù)作IgCe-lgq圖（見圖3）,用最小二乘法 進(jìn)行線性回歸，得線性相關(guān)系數(shù)R = 0.993?？梢姡珼401樹脂對鎘的吸附屬于Freun dlichlnC圖3 Freundlich擬合等溫線Fig.3. The Freun dlich isotherm吸附類型。Langmuir吸附理論屬于均勻表面吸附，而 Freundlich吸附理論屬于不 均勻表面

19、吸附，離子交換樹脂中的功能基團(tuán)所處位置有差異，因此，對鎘的吸附也有差異，是不均勻的。用最小二乘法對圖3數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸得方程為：y40=0.0628x+4.6275y5o=O.O83x+4.6595從而得到，40E ,50C 時，K40 為 102.26, K50 為 105.58, n40 為 15.92, n50 為 12.04 即40C, 50E時D401樹脂對鎘的等溫吸附方程為：1/21 44Q40=102.26 CdQ50 = 105.58Ce/21.444.3不同pH值的含鎘廢水溶液對吸附量的影響配制相同初始濃度的含鎘溶液，并用鹽酸和氫氧化鈉對溶液進(jìn)行調(diào)節(jié)，用數(shù) 字酸度計(jì)測量pH值

20、。測定結(jié)果如圖4所示。4 2 01 1 1量附吸64圖4 pH值對吸附量的影響Fig.4. The in flue nee of pH on adsorptive capacity由圖4可知，在pH4時，隨pH的增加，吸附量也逐漸減少；pH=4左右，吸附量達(dá)到最大為122.6mg/g。 這時因?yàn)樵趐H4的范圍內(nèi)，隨著溶液中H +的濃度增大，降低了樹脂中可交換基 團(tuán)的解離度，減少來了 日+與Cd2+之間的交換量，從而吸附量減少；同時溶液中的 H+濃度增大降低了 Cd2+與功能基團(tuán)形成的配位物的穩(wěn)定性，使一部分Cd2+脫附下來，因此吸附量減少當(dāng)pH4的范圍內(nèi)，Cd2+在水中會逐步發(fā)生水解反應(yīng)，隨這

21、 pH的繼續(xù)增大,會形成Cd (OH) 2沉淀，因而pH4的范圍內(nèi)，吸附量隨這溶液中pH的增加而減 少。因此最佳的吸附pH在4左右的時候。在pH4的范圍內(nèi)，隨這溶液中H+的濃度增大，降低了樹脂中可交換基團(tuán)的 解離度。因此，當(dāng)pH在1左右時可進(jìn)行樹脂的解析。4.4 D401的加入量對吸附量的影響D401的加入量對含鎘廢水中鎘的吸附量的影響見圖5。.)t_/agv 濃衡平11樹脂的加入量（g）圖5樹脂的加入量對平衡濃度的影響Fig.5. The in flue nee of D401 resin mass on ratio of removal0.10.20.3樹脂的加入量(g)0.40.5圖6樹

22、脂的加入量對吸附量的影響Fig.6. The in flue nee of D401res in mass on ratio of chroma由圖5可知，D401樹脂加入量越多，其對廢水中鎘的處理效果越好。但是,隨著D401樹脂加入量的增多，單位質(zhì)量D401樹脂吸附鎘的量就減少，D401樹脂 的利用率降低（由圖6可看出）。在100 mL 100 mg/L的含鎘溶液中，加0.15 g左 右D401樹脂接近飽和。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)該注意D401樹脂的用量，根據(jù)需要處理的廢水濃度加入最合適的炭量，以節(jié)省材料。4.5靜態(tài)吸附動力學(xué)分析吸附時間對D401的吸附量影響如圖7所示J9rarn 量風(fēng)吸時間（m

23、in）圖7時間對吸附量的影響Fig.7.The in flue nee of time on adsorptive capacity由圖7可知，隨這時間的延長，D401樹脂的吸附量逐漸增大。根據(jù)圖7時間對吸附量的影響，采用液膜擴(kuò)散8和顆粒內(nèi)擴(kuò)散9分別吸附動力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，方程如下：液膜控制方程：F=kit，顆粒內(nèi)擴(kuò)散速率方程2/31-3（1-F） +2（ 1-F）=k2t，時間(min)K-=J- 1/bo圖8顆粒內(nèi)擴(kuò)散的擬合曲線Fig.8.Correlati on lines of in traparticle diffusi on時間(mi n)圖9液膜擴(kuò)散擬合曲線Fig.9.Corre

24、lation lines of liquid film diffusion由圖8, 9可知，顆粒內(nèi)擴(kuò)散擬合曲線的線性關(guān)系最好，表明顆粒內(nèi)擴(kuò)散為D401對鎘吸附速率的主要控制步驟。5.結(jié)論實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：(1) 在常溫下，用D401處理含鎘100mg/L的廢水，20C振蕩12h,加入的D401樹脂量以0.15g/L為宜。(2) 由圖2, 3可知，F(xiàn)reundlich等溫吸附方程能很好地描述鎘在樹脂上的吸附過程(3) 在 pH 為 4 左右時，吸附量最大；在 pH 在 1 左右時，可進(jìn)行樹脂的解 析。(4) D401樹脂對Cd2+的平衡吸附量隨這溫度的升高而增大，這表明吸附為 吸熱過程，溫度升高有利

25、于吸附的進(jìn)行。(5) 隨這時間的延長， D401 樹脂的吸附量逐漸增大。顆粒內(nèi)擴(kuò)散為 D401 對 鎘吸附速率的主要控制步驟。D401對Cd2+的吸附性能良好，吸附過程容易進(jìn)行，重復(fù)使用性好，且具有操 作簡單、不會產(chǎn)生二次污染等特點(diǎn)。因此， D401 可作為一種較為好的吸附劑用于 含鎘廢水的處理。16參考文獻(xiàn) ：1 梅光良 .重金屬廢水的危害及治理 .微量元素與健康研究， 2004，2 王璞閔小波，柴立元含鎘廢水處理現(xiàn)狀及其生物處理技術(shù)的進(jìn)展J工業(yè)安全與環(huán)保，2006， 32(8):1417.3 汪大.徐新華，宋爽 .工業(yè)廢水中專項(xiàng)污染物處理手冊.北京 :化學(xué)工業(yè)出版社，2000.61614

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