1、三废治理技术课程离子交换法处理含镍废水工艺方案姓名：学号：2013 年 11 月 23 日1、概述化工科技的进步为人类带来巨大益处的同时，也对环境造成了污染。重金属是指比重大于 5 的金属，如 Fe，Me，Cu，Zn ，Hg，Ni，Co 等。重金属废水主要来自电镀厂镀件洗涤水，矿山坑道排水，有色金属冶炼厂除尘排水，有色金属加工厂酸洗废水，钢铁厂酸洗排水及电解、农药、医药、油漆、染料等各种生产加工场所排放的污水。废水中所含的重金属排入环境后很难通过生物降解，因其参加食物链最终在生物体内积累，破坏生物正常生理代谢功能，给生物环境造成极大的污染。目前，重金属废水对环境的污染随城市和工业的发展日趋严重
2、，就含镍废水来说，镍是人体的微量元素，如果镍元素过量可使人中毒，头发变白!在大量镍污染的环境中，可高发皮肤病，粉末状镍与一氧化碳化合生成四羰基镍，通过呼吸道进入人体后可出现肺出血、浮肿、脑白质出血、毛细血管壁脂肪变性并发呼吸障碍以及呼吸系统癌症等，四羰基镍已被确认是一种致癌物质。由于重金属废水的来源不同、种类不同，在溶液中存在的形态不同，因而处理的方法也不同。目前，常用的处理方法有三类，第一类化学处理法，是指通过发生化学反应去除废水中重金属离子的方法，具体方法有中和沉淀法、硫化物沉淀法、铁氧体共沉淀法、化学还原法、电化学还原法等；第二类物理化学法，是指废水中的重金属在不改变其化学形态的条件下进
3、行吸附、浓缩、分离的方法，具体方法有吸附法、离子交换法、膜分离法等；第三类生物处理法，是借助微生物或植物的吸收、积累、富集等作用去除废水中重金属的方法，具体方法有生物絮凝法、生物吸附法等。综上所述，目前含镍废水处理最常用的有化学沉淀法、生物处理法以及离子交换法。化学沉淀法能快速去除废水中的重金属离子，但存在运行费用高、出水重金属离子浓度高和沉淀物二次污染等问题。生物处理法需培养菌种，对于有连续生产能力的企业，成本较低，但对没有连续生产能力的小企业，由于每次生产需培养新的菌种，成本较高，多余菌需灭菌后再向环境排放，否则，会对环境造成细菌性二次污染。相比而言，离子交换法具有出水水质好、自动控制化程
4、度高等优点，成为目前重金属废水处理技术的热点。人们在逐渐认识到重金属废水对环境，特别是对人类自身产生的危害后，研究了多种治理重金属废水污染的技术，归纳起来有化学处理法、物理化学处理法和生物处理法三大类。本文主要论述用离子交换法处理含镍废水。2、原理离子交换法是以圆球形树脂(离子交换树脂)过滤原水，水中的离子会与固定在树脂上的离子交换。常见的两种离子交换方法分别是硬水软化和去离子法。硬水软化主要是用在反渗透(RO)处理之前，先将水质硬度降低的一种前处理程序。软化机里面的球状树脂，以两个钠离子交换一个钙离子或镁离子的方式来软化水质。离子交换树脂是一种具有网状立体结构、且不溶于酸、碱和有机溶剂的固体
5、高分子化合物。离子交换树脂的单元结构由两部分组成。一部分是不可移动且具有立体结构的网络骨架，另一部分是可移动的活性离子。活性离子可在网络骨架和溶液间自由迁移，当树脂处在溶液中时，其上的活性离子可与溶液中的同性离子产生交换过程。这种交换是等当量进行的。如果树脂释放的是活性阳离子，它就能和溶液中的阳离子发生交换，称阳离子交换树脂；如果释放的是活性阴离子，它就能交换溶液中的阴离子，称阴离子交换树脂。离子交换树脂通常有 4 种分类方法，一是按树脂骨架的主要成分将树脂分为聚苯乙烯型树脂，聚丙烯酸型树脂、酚-醛型树脂等；二是按聚合的化学反应分为共聚型树脂和缩聚型树脂；三是按树脂骨架的物理结构分为凝胶型树脂
6、(亦称微孔树脂)、大网络树脂(亦称大孔树脂)及均孔树脂。由于活性基团的电离程度决定了树脂酸性或碱性的强弱，所以又将树脂分为强酸性、弱酸性阳离子交换树脂、强碱性、弱碱性阴离子交换树脂。活性基团决定着树脂的主要交换性能。1) 强酸性阳离子交换树脂这类树脂的活性基团有磺酸基团(-SO 3H)和次甲基磺酸基团 (-CH2SO3H)。它们都是强酸性基团，电离程度大且不受溶液 pH 变化的影响，在 pH114 范围内均能进行离子交换反应，以磺酸型树脂与 NaCl 作用为例，交换反应为：RSO3HNaCl=RSO 3NaHC l此外，以磷酸基团-PO(OH) 2 和次磷酸基团-PO(OH)作为活性基团的树脂
7、具有中等强度的酸性。最多的为 732#2) 弱酸性阳离子交换树脂这类树脂的活性基团有羧基-COOH，酚羟基-OH 等，它们的电离程度小，交换性能受溶液 pH 的影响很大，其交换能力随溶液 pH 的增加而提高。在酸性溶液中，这类树脂几乎不发生交换反应、对于羧基树脂，应该在 pH7 的溶液中操作，而对于酚羟基树脂，应使溶液的 pH9。和强酸树脂不同，弱酸树脂和氢离子结合能力很强，故再生成氢型较容易，耗酸量少。3) 强碱性阴离子交换树脂这类树脂有两种，一种含三甲胺基称为强碱型，另一种含二甲基羟基乙基胺基团，为强碱型。和强酸离子交换相似，活性基团电离程度较强且不受 pH 变化的影响，在 pH114 范
8、围内均可使用。这类树脂成氯型时较羟型稳定，耐热性也较好，因此，商品大多以氯型出售。型的碱性比对型强，但再生较困难，型树脂的稳定性较差。典型的交换反应为RN(CH3)3ClNaOHRN(CH 3)3OH+NaCl4) 弱碱性阴离子交换树脂这类树脂的活性基团有伯胺基团-NH 2、仲胺基=NH、叔胺基N 和吡啶基等。与弱酸阳离子树脂一样，交换能力受溶液 pH 的影响很大，pH 越小交换能力越强。故在 pH7 的溶液中使用。这类树脂和 OH-结合能力较强，再生成羟型较容易，耗碱量少。镀镍废水中的 Ni2+离子为正二价的金属阳离子，因而采用阳离子交换树脂来吸附。所用树脂可以是强酸性阳离子交换树脂也可以是
9、弱酸性阳离子交换树脂。本文以弱酸阳离子交换树脂为例，采用弱酸阳离子树脂交换时，通常将树脂转为 Na 型，因为 H 型交换速度极慢。含 Ni2+废水流经 Na 型弱酸阳树脂层时，发生如下交换反应：2R-COONa+Ni2+ （R-COO) 2Ni+2Na+这样，水中的 Ni2+被吸附在树脂上，而树脂上的 Na+便进入水中。如此处理后的废水中便含有 Na2S04。当全部树脂层与 Ni2+交换达到平衡时，用一定浓度的 HCI 或 H2S04 再生，反应如下：（R-COO) 2 Ni+H2S04 2R-COOH+NiS0 4此时树脂为 H 型，需用 NaOH 转为 Na 型，反应为：R-COOH+Na
10、OH RCOONa+H 2O如此树脂可重新投入运行，进入下一循环。废水经处理后可回清洗槽重复使用，洗脱得到的硫酸镍经净化后可回镀槽使用。3、工艺方案处理含镍废水系吸附交换阳离子，要采用阳离子交换树脂。为提高树脂对Ni2+的交换吸附效果，对含镍废水有一定要求：（1）废水中 Ni2+含量应较高，以保证相对 Ca2+等有较高的交换势。废水中一般含 Ni2+量为 200400 mg/L，若再高，则再生周期短，也不理想；（2）注意清洗水水质，若清洗水含Ca2+、Mg 2+等杂质多，会大大影响树脂对镍的交换效果，最好采用去离子水作为清洗水。常用弱酸阳树脂为凝胶 110、116、11122等。工作交换容量及
11、再生性能较好、选择性较高，但机械性较差、树脂膨胀度大、价格较贵。常用强酸阳树脂为 732，化学稳定性及热稳定性好、机械强度高、粒度均匀、阻力较小、价格较低，但交换容量及再生性能较差。镀镍废水 pH 值一般约为 6，为使交换阳离子后的废水能回用作清洗水，出水 pH 值不能太低。故无论弱酸还是强酸阳树脂处理镀镍废水，当废水含镍 150 mg/L 以上时，能有效去除废水中 Ni2+阳离子。经交换处理后的废水无色透明，pH 值在 67 范围内，可回用于镀镍漂洗水。阳树脂用工业硫酸钠或硫酸钠与氯化钠的混合液再生，洗脱液中含 180200g/L 硫酸镍，可直接返回镀镍槽。4、结束语对于含镍废水的处理，化学
12、沉淀法使用化学药剂多，生成的沉淀多且容易带来二次污染；使用化学沉淀法等技术重金属离子均作为废物予以清除，未能充分利用；相比而言，使用离子交换技术处理含镍废水可以将重金属离子充分回收，而且处理过的废水还可以回收应用，真正实现循环使用的目的，是当前含镍废水处理技术的发展方向。离子树脂交换处理法主要包括交换过程和再生过程，即是将废水中的镍离子和阳离子交换树脂上的钠离子交换而被去除，进而达到废水净化的目的。在阳离子交换树脂交换吸附饱和后需要进行再生，即是当再生剂中的阳离子占绝对优势时，其将阳离子交换树脂上的镍洗脱下来，使阳离子交换树脂重新恢复其交换能力。一般来说，离子交换法多作为处理的辅助手段而不是主要手段使用。Jorg Thoming 优化设计了镀镍漂洗水回收系统，其中，将电渗析、反渗透和离子交换做为三个再生单元，经过优化之后，金属的回收超过 99%，漂洗的废水也减少了 90.4%。冯镜元等利用无机膜-离子交换法处理海绵镍生成过程中的含镍废水，处理效果明显，经处理之后的镍可以直接应用于生产，实现循环利用。
