离子交换处理含铜废水实验2012年4月

离子交换法处理含铜废水大连理工大学环境学院2012年4月实验目的

了解离子交换法的原理掌握离子交换处理重金属废水的技术学习废水中铜的测试方法一、离子交换原理及分类离子交换树脂是一种不溶于酸、碱和有机溶剂的固态高分子材料。是一类带有官能团的网状结构的高分子化合物，其结构有三部分组成：不溶性的三维空间网状骨架，连接在骨架上的官能团和官能团所带的相反电荷的可交换离子。骨架上的活性离子在水溶液中发生离解，可在较大的范围内自由移动，扩散到溶液中，同时，在溶液中的同类型离子也能从溶液中扩散到骨架的网格或孔内。当这两种离子浓度差较大时，就产生一种交换的推动力，利用这种浓度差的推动力使树脂上的可交换离子发生可逆交换反应。树脂按活性离子分类，如果活性离子是阳离子（和阳离子发生交换）就称为阳离子交换树脂；如果是阴离子，则称为阴离子交换树脂。本实验所用树脂是001阳离子交换树脂（苯乙烯系阳离子交换树脂）。含有强酸性基团，如磺酸基-SO3H，能在溶液中离解H+而呈强酸性。树脂中的SO3－基团能吸附溶液中的其它阳离子，这两个反应，使树脂中的H+与溶液中的阳离子互相交换。这类树脂用强酸进行再生。强酸性树脂的离解能力很强，在酸性或碱性溶液中都能离解和产生离子交换作用，因此使用时的pH没有限制。1、强酸性阳离子树脂R-SO3HR-SO3-＋H＋反应简式为：R-SO3NaR-SO3-＋Na＋这类树脂含有弱酸性基团，如羧基-COOH、酚羟基-OH，能在水中离解出H+而呈弱酸性，R-COO-能与溶液中的其它阳离子吸附结合，而产生阳离子交换作用。这类树脂由于离解性较弱，在低pH值下，难以离解和进行离子交换，在碱性、中性或微酸性溶液中发挥作用（R-COOH应在pH>6的溶液中操作，R-OH应在pH>9的溶液中操作）。这类树脂也是用酸进行再生。2、弱酸性阳离子树脂R-COOHR-COO-＋H＋反应简式为：这类树脂含有强碱性基团，如季铵基[-N(CH3)3OH]，能在水中离解出而呈碱性，树脂中的离解基团能与溶液中其它阴离子吸附结合，产生阴离子交换作用。这类树脂的离解性很强，使用的pH范围无限制，再生一般用强碱（如NaOH）进行。3、强碱性阴离子树脂R-NR3OHR-NR3+＋OH-反应简式为：这类树脂含有弱碱性基团，如伯胺基（-NH2）、仲胺基（-NHR）或叔胺基（-NR2），它们在水中能离解出OH-而呈弱碱性。这类树脂的离解能力较弱，只能在低pH（1-9）下工作，可以用Na2CO3、NH4OH等进行再生。4、弱碱性阴离子树脂R-NH2＋H2OR-NH3+＋OH-反应简式为：离子交换树脂的理化性能外观：离子交换树脂是一种透明或半透明的物质，有白、黄、黑、赤褐色等几种颜色。为了便于观察，要求树脂颜色较淡。树脂球形，大小20-60目（0.25-0.84mm）。交联度：树脂在结构中必须具有一定的交联度，使其不溶于一般的酸、碱及有机溶剂。大多数离子交换树脂是由苯乙烯和二乙烯苯聚合而成的。交联度是二乙烯苯在树脂母体总量中所占的质量分数。交联度的大小决定着树脂机械强度以及网状结构的疏密。交联度大，网孔小，结构紧密，树脂机械强度大；交联度小，网孔大，结构疏松，树脂机械强度小。另外：树脂不仅交换容量和选择性要好，而且要容易解吸，一般吸附容易的解吸就比较困难。离子交换选择性离子交换树脂总是优先选择高价离子，而低价离子被吸附时则较弱。阳离子被吸附的顺序为：Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>Na+

阴离子顺序为：柠檬酸根>硫酸根>硝酸根

Cr2O7-＞SO4-＞NO3-＞CrO-＞Cl-＞OH-

树脂对离子交换吸附的选择性，在稀溶液中比较大，而在浓溶液中选择性较小。水化半径较小的离子优先吸附。离子交换树脂的预处理及再生1、预处理新树脂在制造过程中，常有某些未参与聚合反应的低分子和高分子成分的分解产物及一些铁、铜、铝等金属物质。在树脂表面还有灰尘等污物。新树脂装入柱后，先用去离子水浸泡12h左右，使树脂充分吸水膨胀，再用2-3倍树脂体积的10%左右食盐水浸泡4h以上。用水洗净残留的NaCl，再根据树脂类型和使用所需要的型号分别用酸和碱处理，最后调pH值至所需范围。2、再生先用清水洗涤，然后用再生剂再生，最后用清水洗至所需pH值；钠型强酸性树脂用NaCl溶液再生；氢型强酸性树脂用强酸再生；氯型强碱性阴树脂主要用NaCl溶液再生；羟型强碱性阴树脂用NaOH溶液再生。二、重金属污染及危害从环境污染方面所说的重金属，实际上主要是指汞、镉、铅、铬以及类金属砷等生物毒性显著的重金属，也指具有一定毒性的一般重金属，如锌、铜、钴、镍、锡等。由重金属或其化合物造成的环境污染称为重金属污染。重金属废水及其化合物能在水生生物体内以及植物体组织内累积富集，通过饮水和食物链的生物积累、生物浓缩、生物放大等作用，最终对人体健康造成严重危害。

重金属废水是污染性很强的一类废水，即使浓度很小，也能造成危害，且毒性具有长期持续性。上世纪中叶发生在日本的，世界上最著名的生态环境病“水俣病”。该病是以地名命名的。是突然爆发的一种前所未有的怪病。发病者中渔民明显高于农民，发病前毫无征兆，严重者数日内死亡，轻者症状终身不退，随时发作，只能以药物暂缓痛苦。1950年在日本的水俣湾附近渔村中，人们发现一些人走路像猫步的样子，抽筋麻痹，最后跳入水中溺死，当地人谓之“自杀猫”。1953年水俣地区发现一个生怪病的人，开始只是口齿不清，步态不稳，面部痴呆，近而耳聋眼瞎，全身麻木，最后神经失常，一会酣睡，一会兴奋异常，身体弯弓，高叫而死。1956年在这个地区又发现五十多人患有同样症状的病。

经过对病的调查和研究，在1962年才确定水俣病的发生是由于汞的环境污染，特别是常期食用被污染的鱼和贝类引起的甲基汞慢性中毒。这是从水俣地区的工厂排放的氯化甲基汞污染海域，使鱼和贝类中毒造成的。

水俣病是直接由汞对海洋环境污染造成的公害，迄今已在很多地方发现类似的污染中毒事件，同时还发现其他一些重金属如镉、钴、铜、锌、铬等，以及非金属砷，它们的许多化学性质都与汞相近，这不能不引起人们的警惕。

最应引起人们注意的重金属污染物是铅、汞、镉。

铅可以作为农药及汽油、油漆、家具、瓷器等的添加剂。燃煤也会释放出大量的铅。铅的危害主要是会引起儿童智力发育障碍。

汞是一种重要的化工产品，可以在采矿和相关的化工生产中流入环境而造成污染。另外燃煤、化妆品、日光灯、温度计等都可能含有一定数量的汞。如果大量吸入和接触，汞会对人的神经系统和肝脏、肾脏等器官产生严重的损坏。汞污染造成中毒最典型的就是“水俣病”。汞可以在环境中变为甲基汞，甲基汞具有很高的毒性，容易在食物链中富集和放大，造成极大的危害。有些具有美白祛斑功效的化妆品含有很高含量的汞，购买使用时要谨慎选择。汞易挥发，如果遇到汞溢出或泄漏事件时，应已硫粉覆盖并迅速离开至安全地方。

镉用途很广，镉盐、镉蒸灯、颜料、烟雾弹、合金、电镀、焊药、标准电池等，都要用到镉。镉是一种毒性很大的重金属，其化合物也大都属毒性物质。如中国的新马村就是因为镉中毒被称为“癌症村”。三、实验原理采用自动加液泵在一定流量下将含铜废水加入离子交换柱，溶液中的铜离子经过阳离子交换树脂后与氢离子交换而被吸附在树脂上，从而达到去除水中铜离子的目的，在一定时间内取出水口出水，测定水中铜离子浓度，并计算去除率。采用比色法（546nm)测定出水中铜离子浓度。显色反应原理：新铜试剂+Cu2+蓝色络合物。

四、实验步骤准确吸取20mg/L铜标准溶液0、1、2、3、4、5mL,分别放入10ml的具塞比色管中，加水至5mL。依次加入10％柠檬酸铵溶液1mL，氨水缓冲液1ml，新铜试剂（双环已酮草酰二腙，BCO）2ml，用去离子水稀释至10ml，放置10分钟后，在7504型分光光度计上于546nm，用1cm玻璃比色皿，以试剂空白作参比测定溶液吸光度，以吸光度-铜浓度绘制标准曲线（吸光度为横坐标）。启动进水泵，将流量稳定在40-60mL/min，系统稳定