离子交换膜化学反应器去除水中铬（Ⅵ）和磷酸盐的研究

发布时间：2020-02-24 01:31

【摘要】：水溶性污染物铬(Ⅵ)和磷若超标，会对环境和人体健康产生严重的危害。目前对于水中铬(Ⅵ)去除的研究报道绝大多数是针对工业废水中铬(Ⅵ)的去除，，而专门针对饮用水中铬(Ⅵ)去除的研究报道则相对较少。污水处理厂出水中总磷以磷酸盐、聚磷酸盐和有机磷的形式存在，而磷酸盐为主要存在形式，对二沉池出水中磷酸盐进行深度处理对于控制总磷排放含量有着极其重要的意义。本研究通过构建离子交换膜化学反应器，并用于水中铬(Ⅵ)和磷酸盐的去除。阴离子交换膜分离铬(Ⅵ)和磷酸盐试验结果表明，当原水中铬(Ⅵ)初始浓度为1.0mg/L，pH值为6.95左右，补偿溶液NaCl浓度为0.1mol/L，原水和补偿溶液进水流量为2.5mL/min，膜两侧溶液搅拌强度为500r/min，水温为25℃时，阴离子交换膜对铬(Ⅵ)的分离去除率为86.4%，相同试验条件下阴离子交换膜对磷酸盐的分离去除率为84.3%。采用Na2SO4作为补偿溶液时，阴离子交换膜对铬(Ⅵ)和磷酸盐的分离去除率降低，且其对磷酸盐分离效果的影响较大。不同补偿溶液NaCl浓度条件下阴离子交换膜对铬(Ⅵ)和磷酸盐的分离去除率相差不大，但离子通量随NaCl浓度的增加而增大。当原水pH值分别为11.0和3.0时，阴离子交换膜对铬(Ⅵ)和磷酸盐的分离去除率降低。膜两侧溶液搅拌强度和水温增大时，铬(Ⅵ)和磷酸盐的分离效果提高。增加原水进水流量，阴离子交换膜对铬(Ⅵ)和磷酸盐的分离去除率降低。二价共存离子SO42-对铬(Ⅵ)和磷酸盐离子竞争作用大于一价共存离子NO3-和Cl-，共存离子浓度越高，离子交换竞争作用越强。正交试验结果表明，各因素中原水进水流量和补偿溶液种类分别对铬(Ⅵ)和磷酸盐的分离影响最大，其对分离试验结果有显著影响。在最佳分离运行参数条件下，单位时间内化学反应池铬(Ⅵ)和磷酸盐富集含量均随原水初始浓度的增加而增加。铬(Ⅵ)最佳还原剂投加量为FeSO4·7H2O:Cr(Ⅵ)=20:1，可适当过量投加硫酸亚铁，不调节原水pH值。投药量系数增加时，磷酸盐化学沉淀去除效果增加。在3种不同运行方式条件下，离子交换膜化学反应器对铬(Ⅵ)和磷酸盐处理水中浓度均小于或接近于相应的水质标准要求。铬(Ⅵ)和磷酸盐离子交换动力学试验结果表明，阴离子交换膜对铬(Ⅵ)和磷酸盐的饱和交换容量分别为1.59mmol/g(干膜)和0.51mmol/g(干膜)。铬(Ⅵ)和磷酸盐离子交换过程均符合颗粒扩散控制(PDC)动力学模型，增加铬(Ⅵ)和磷酸盐初始浓度和温度，离子交换表观速率常数和颗粒扩散系数增大。铬(Ⅵ)和磷酸盐离子从给体池通过阴离子交换膜至化学反应池的迁移交换过程从宏观上可分为3步，膜采用NaCl溶液浸泡预处理和增加补偿Cl-离子浓度，分别促进铬(Ⅵ)和磷酸盐离子的第1步和第3步迁移交换过程，而铬(Ⅵ)和磷酸盐离子第2步迁移交换过程主要取决于交换离子和阴离子交换膜的基本特性。补偿溶液NaCl浓度增加时，阴离子交换膜内铬(Ⅵ)和磷酸盐含量明显降低。两层膜试验中，铬(Ⅵ)含量基本都分布在膜1内，膜2内铬(Ⅵ)含量较少；补偿溶液NaCl浓度较低和较高时，膜内磷酸盐含量的分布由给体池至化学反应池分别呈递增和递减趋势。原水中存在带电胶体颗粒是造成膜污染的主要原因，阴离子交换膜可采用酸碱化学清洗。离子交换膜化学反应器分离和去除技术在给水、饮用水源铬(Ⅵ)突发性应急处理以及污水中磷酸盐的处理等方面，尤其在有自然咸水可利用的地区，具有潜在的应用价值。
【图文】：

示意图,测定装置,扩散系数,换膜

图 1.5 电解质的盐扩散系数测定装置示意图强度换膜的机械强度包括爆破强度和拉伸强度。爆破强度是指向压力，爆破时所能承受的最大压力，以单位面积上所受压爆破法来测定。拉伸强度是指离子交换膜受到水平方向度，以单位面积上所受应力来表示[116]。离子交换膜的交联，离子交换容量和含水量增加，机械强度降低。交换膜的应用换膜主要应用于水处理、湿法冶金与电化学、化工分离、能工业等领域。根据分离目的与对象的不同，离子交换膜电渗析、扩散渗析以及 Donnan 渗析，下面分别进行叙述析换膜的工业应用最初开始于电渗析。电渗析过程是在直流

示意图,电渗析,基本原理,含盐量

图 1.6 电渗析基本原理示意图脱盐成本与原水含盐量有关，原水含盐量越高，单位膜面电量增加，生产单位淡水成本越高[118]。电渗析脱盐的最佳/L，苦咸水含盐量一般在此范围内，而海水含盐量是其 10~与原水含盐量的 0.6 次方成正比。Sadrzadeh M 等[119~120]研果，采用 4 因素 3 水平正交试验评价盐分离效果的影响。含盐量和产水量最低（分别为 10000mg/L 和 0.07mL/s）、9V 和 55℃）时，电渗析脱盐效果最佳。方差分析结果表效果都有一定的影响，其中原水含盐量影响最大，影响程度浓度高于 10000mg/L 时，原水含盐量为主要影响因素，而时，产水量为主要影响因素。杨浩等[121]采用电渗析脱盐处铵，硫酸铵脱盐率随产水量的增加而降低，产水量越大，时间越长。电压增加，硫酸铵脱盐率升高，但当电压增加脱盐率随电压的变化不明显，温度升高有利于电渗析脱盐过
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TU991.2

【参考文献】