用强酸性阳离子交换树脂从不锈钢酸洗废水中富集铬

李菲,赵俊学,马红周,曾媛,李小明

(西安建筑科技大学冶金工程学院,陕西西安710055)

用强酸性阳离子交换树脂从不锈钢酸洗废水中富集铬

李菲,赵俊学,马红周,曾媛,李小明

(西安建筑科技大学冶金工程学院,陕西西安710055)

研究了用强酸性阳离子交换树脂(001×7)吸附不锈钢酸洗废水中的铬,考察了树脂的饱和吸附容量、吸附时间对树脂吸附铬的影响,分析了等温吸附平衡及负载树脂的解吸再生。结果表明：298 K温度下,001×7树脂对废水中Cr3+的饱和吸附容量为60.34 mg/g;吸附90 min可达离子交换平衡;废水中铬质量浓度为700 mg/L时,树脂的平衡吸附量为90 mg/g;根据吸附动力学,初步判定吸附过程为液膜控制;用质量浓度为9 g/L的硫酸钠溶液可以从负载树脂上解吸铬,铬解吸率达99%以上,解吸后的树脂可重复使用。

强酸性阳离子交换树脂;不锈钢酸洗废水;铬;分离

近年来,不锈钢产品生产过程中产生的污染越来越受重视,针对酸洗钝化过程中的含铬离子的酸洗废水已研发出了多种处理法,如氧化还原法、溶剂萃取法、蒸发浓缩法、反渗透膜法等[1]。本试验采用强酸性阳离子交换树脂研究从酸洗废水中富集并分离铬,以期为含铬酸洗废水的处理找到简便、高效、无二次污染的有效方法。

1 试验部分

1.1 废水的组成

试验废水为模拟某不锈钢生产公司酸洗钝化阶段产生的酸洗废水,其中ρ(Cr3+)=0.2 g/L,ρ(HNO3)=1.2 g/L,ρ(HF)=6.0 g/L。

1.2 树脂的基本特性

001×7树脂为金黄色球状颗粒,透明,骨架为苯乙烯系,交换基团为—SO3Na,其他理化参数见表1。

表1 001×7树脂理化性质

1.3 试验方法

1.3.1 树脂预处理

树脂用蒸馏水漂洗后,用5倍于树脂体积的蒸馏水浸泡24 h,再用浓度为1 mol/L的盐酸溶液浸泡24 h,最后分离酸液,用蒸馏水冲洗至p H为7.0左右。

1.3.2 树脂饱和吸附容量的测定

取预处理后的001×7树脂1 mL,加入到500 mL锥形瓶中,加入200 mL废水,室温下,用78-1型磁力搅拌仪搅拌120 min,测定吸附后液Cr3+质量浓度。然后更换新的模拟废水,重复吸附过程,直到树脂吸附饱和为止。

1.3.3 吸附等温线的确定

分别取1 mL预处理后的树脂,于装有200 mL含不同质量浓度Cr3+的废水的锥形瓶中,在288 K下进行吸附。吸附后液测定残余Cr3+质量浓度,绘制吸附量与残余Cr3+质量浓度的函数曲线[2]。

1.3.4 负载树脂的解吸

将负载树脂用蒸馏水洗至中性,取1 mL,用不同质量浓度的解吸剂200 mL,在室温下搅拌90 min。测定解吸液中Cr3+质量浓度,计算解吸率。

2 试验结果与讨论

2.1 树脂饱和吸附容量的确定

按试验方法进行吸附试验。以每克干树脂最多吸附的Cr3+的量为衡量标准,测定001×7树脂的实际工作交换容量[3],结果如图1所示。可以看出,在试验条件下,每克干树脂最多可吸附60.34 mg Cr3+。

图1 吸附次数对树脂吸附量的影响

2.2 吸附等温线的确定

配制不同浓度的废水进行吸附试验,结果如图2所示。可以看出,随溶液中Cr3+质量浓度增大,树脂饱和吸附量增大,即增大Cr3+质量浓度有助于提高树脂吸附量。Cr3+质量浓度为700 mg/L时,树脂达吸附平衡,此时树脂吸附容量为90 mg/g。继续提高Cr3+质量浓度,树脂吸附量不再提高,可以认为已达到饱和。

图2 溶液中Cr3+质量浓度对树脂吸附Cr3+的影响

用Langmiur吸附等温式[4-5]对图2中的数据进行拟合,结果如图3所示。拟合方程为：

图3 Langmuir吸附等温曲线

由图3看出：001×7树脂对废水中Cr3+的吸附行为符合Langmiur等温方程,拟合曲线呈良好的线性关系,相关系数在0.99以上。由拟合曲线截距得到树脂理论最大吸附量Qmax=108 mg/g(实际吸附量均小于此值)。

2.3 吸附速率控制步骤的确定

一般来说,化学反应速度相对于扩散速度要快得多,因此,反应过程的速度主要受液膜扩散控制或颗粒扩散控制。采用G.E.Boyd液膜扩散公式[6]研究001×7树脂对Cr3+的吸附动力学行为,确定交换过程的速率控制方程。

在288 K下,x、3-3(1-x)2/3-2x、1-(1-x)1/3随吸附时间t的变化曲线如图4所示。可以看出：3条曲线中,吸附时间t与x近似成直线关系,由此可以判断,离子交换过程受液膜扩散控制,其交换速度与搅拌速度密切相关。在静态离子交换过程中,搅拌会加快离子交换速度,使外部溶液组成变化快,缩短达到平衡所用的时间。

图4 288 K下,树脂对Cr3+的吸附拟合曲线

2.4 负载树脂的解吸

2.4.1 解吸剂的确定

对于强酸性阳离子交换树脂,一般采用硫酸或硫酸钠溶液进行解吸[7]。相同条件下,硫酸及硫酸钠溶液的解吸试验结果见表2。硫酸钠溶液的解吸效果优于硫酸的解吸效果。解吸反应为：

解吸后铬离子转入溶液并得到富集,有利于进一步回收。

表2 相同条件下硫酸及硫酸钠溶液解吸试验结果

2.4.2 解吸剂浓度的确定

依据单因素试验法,在0～120 g/L范围内以0.618法原则[8]确定最佳解吸剂浓度。取不同质量浓度的硫酸钠溶液,用不同质量浓度的解吸剂在同样条件下分别进行解吸,结果如图5所示。可以看出,硫酸钠质量浓度为90 g/L时,解吸率最高,达99.3%。

图5 Na2SO4溶液质量浓度对Cr3+解吸率的影响

2.4.3 解吸后树脂的再利用

将解吸后的树脂等分成5组,分别置于200 mg/L含铬废水中,按吸附试验方法进行吸附试验。结果表明：解吸后的树脂返回吸附,其对Cr3+的吸附量仍保持在60 mg/g以上,吸附能力没有明显降低,树脂性能稳定,解吸后可重新进入酸洗废水处理工序继续使用。

3 结论

用001×7树脂可以从Cr3+质量浓度为200 mg/L的不锈钢酸洗废水中富集铬,其饱和吸附量为60.34 mg/g。Cr3+质量浓度为700 mg/L时,树脂的平衡吸附量为90 mg/g。吸附平衡符合Langmuir等温方程,相关系数在0.99以上。根据G.E.Boyd液膜扩散公式,288 K下,001×7树脂吸附铬的过程为液膜扩散控制,提高搅拌速度有利于传质并缩短达到平衡所需时间。负载树脂用90 g/L硫酸钠溶液解吸,解吸率达99%以上。解吸后的树脂性能稳定,可重复利用。

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[8]黄桂柱.有色冶金实验研究方法[M].北京：冶金工业出版社,1986：47-53.

Abstract:Adsorption of chromium from stainless steel plicking wastewater by a strong acid cation ionexchange resin named 001×7 has been investigated.The influences of saturation adsorption capacity,adsorption time on adsorption of chromium are examined.Adsorption isotherm and desorption of loading resin are studied.The results show that the saturation adsorption capacity of the resin for chromium in wastewater is of 60.34 mg/g.The adsorption equilibrium process takes about 90 minutes.When Cr3+mass concentration is of 700 mg/L,the equilibrium adsorption capacity can reach 90 mg/g.According to adsorption kinetics,the process is controlled by film diffusion.Loaded resin can be desorpted using 90 g/L Na2SO4solution,desorption rate is over 99%.

Key words:strong acid cation exchange resin;stainless steel plicking wastewater;chromium;separation

Enrichment of Chromium From Stainless Steel Pickling Wastewater by Strong Acidic Cation Ion-exchange Resin

LI Fei,ZHAO Jun-xue,MA Hong-zhou,ZENG Yuan,LI Xiao-ming
(School of Metallurgical Engineering,Xi’an University of A rchitecture&Technology,Xi’an,S haanxi710055,China)

TF804.3;X756

A

1009-2617(2011)01-0071-03

2010-04-19

陕西省冶金物理化学重点学科建设基金和教育厅专项科研基金(09J K530)资助。

李菲(1986-),女,河北沙河人,硕士研究生,主要研究方向为冶金资源综合利用。