连续逆流离子交换法回收废水中硒的过程模拟和优化

发布时间：2020-10-20 15:47

　　 随着工业的发展，人们对稀有元素材料的需求量越来越大，在湿法提取这些稀有元素材料过程中，或者对干法废气进行喷淋处理时，都会造成大量的水污染。以湿法精炼提取硒为类，这些废水中含有400~3000mg/L的硒。这些硒主要以硒酸根离子和亚硒酸根离子形式存在。同时在废水中含有大量的硫酸根离子和氯离子。在传统离子交换树脂除硒中，树脂层很快出现穿透点，树脂利用率很低，而且解吸出来的硒溶液浓度不够高，从而降低了回收硒的价值。由于上述缺点，传统离子交换树脂工艺在处理冶炼废水中难以得到很好的应用。在化学还原法回收硒过程中，运行费用非常高，1吨水的处理成本在200~400元，并且过多的还原剂和硫脲会给水体带来二次污染，这给企业在治理废水中造成巨大的经济负担。硒作为一种市场价格较高的稀有材料，如何在降低运行成本的情况下，回收废水的硒，并能达到环境治理的目的，这对企业和社会都有重要的意义。 本论文采用静态实验，分别采用不同树脂对亚硒酸根离子和硒酸根离子进行吸附筛选，结果表明：C100(Fe~(3+))树脂对亚硒酸根离子有很好的选择性，S108树脂对硒酸根离子有很好的选择性，提出用C100(Fe~(3+))树脂和S108树脂回收硒的联合工艺。对于含硒浓度为853mg/L的亚硒酸钠溶液，C100(Fe~(3+))树脂的吸附量为92.198mg/g-R；对于含硒浓度为856mg/L的硒酸钠溶液，S108树脂的吸附量为102.464mg/g-R。当废水中存在大量的硫酸根离子或者氯离子后，C100(Fe~(3+))树脂对亚硒酸根离子的吸附量并未减少，而S108树脂对硒酸根离子的吸附量降到44%。 通过研究不同树脂吸附硒酸根离子和亚硒酸根离子的反应速率发现，在树脂吸附过程中，不同阶段，速率的主要控制因素（液膜扩散、颗粒扩散、化学反应）是不相同的。这也使得用单一模拟无法快速准确计算吸附柱吸附过程，特别是过程复杂的连续逆流工艺。 经筛选的树脂吸附硒酸根离子，亚硒酸根离子和硫酸根的热力学实验中，结果表明，C100(Fe~(3+))树脂吸附亚硒酸根离子的△G~0（-3.174KJ/mol)远小于对硒酸根离子和硫酸根离子的△G~0值（分别为-0.314KJ/mol，-0.0650KJ/mol），进一步证实C100(Fe~(3+))树脂对亚硒酸根有很好的选择性。S108树脂对硒酸根离子的吸附反应△G0值（-8.809KJ/mol）值比吸附亚硒酸根离子和硫酸根离子的△G~0值（分别为-6.157KJ/mol，-4.243KJ/mol）都小，因此S108树脂对硒酸根离子有较好的选择性。 通过对筛选的树脂的动态实验，分别做了普通直柱吸附实验和连续逆流吸附实验，通过改变柱高，流速，进水浓度，考察了树脂柱的出水浓度，出水pH值和树脂利用率的变化规律。结果表明，柱高，流速和过程pH值的变化都会影响到普通直柱型树脂的利用率。当系统变为连续逆流离子交换吸附系统后，在进水浓度为856mg/L时，在柱高为80mm，流速为0.6mL/min时，C100(Fe~(3+))树脂吸附亚硒酸根离子，S108树脂吸附亚硒酸根和硒酸根离子的利用率分别提高24.1%，22.83%，30.2%。 将吸附饱和的树脂进行解吸实验，在U型柱中，通过对不同位置的出口进行取样，发现，树脂内液相的浓度先升高，然后降低，在后期形成二次吸附。通过对解吸液进行分流和逆流解吸，相比传统直柱型解吸系统，解吸浓缩液浓度可以提高3.65倍，解吸液用量可以节省46.15%。 运用电路网络模型，把离子交换过程的颗粒扩散，液膜扩散和化学反应变成三个串联的电路，把每个单元变换成一系列电阻，电感，电容，电流和电压等，对连续逆流离子交换过程进行模拟计算。并通过实验对模拟计算结果进行验证，结果表明，经过25个计算周期，模拟计算结果出现稳定，出水浓度模拟结果与实验结果误差在1.89%，大大提高了计算速度和模拟结果准确性。接着对连续逆流离子交换树脂工艺进行过程模拟和优化，通过对进水浓度模拟计算发现，普通直柱型离子交换柱的最佳处理硒离子浓度在300mg/L左右，而连续逆流离子交换树脂工艺可以把处理硒离子的浓度的最佳区间提高到300~2000mg/L。通过对连续逆流离子交换工艺进行模拟和优化，确定最佳的进水流速，最佳的周期转移树脂量，操作周期，确定好浓缩液的分流比和解吸液的进水流速。经过系统模拟优化后，用C100（Fe~(3+)）树脂回收4价硒和S108树脂回收4价硒及6价硒，在700mm×30mm树脂柱中，可以分别处理132mL/min,128mL/min,164mL/min的硒溶液，可以得到浓度分别为24.2g/L，21.6g/L，27.4g/L的硒产品，回收率分别为92%，88%和91%，大大提高了系统处理效率。与前章的实验相比，单位树脂的处理能力分别提高了12.3%，11.7%和17.5%，解吸剂用量分别减少了32.4%，28.9%和41.1%。
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2012
【中图分类】：X703

【参考文献】

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本文编号：2848867