强酸性阳离子交换树脂在模拟含镍废水处理中的应用研究

严义芳，曹为民，陈福北

（广西工业职业技术学院石油与化学工程系，广西 南宁 530001）

强酸性阳离子交换树脂在模拟含镍废水处理中的应用研究

严义芳，曹为民，陈福北

（广西工业职业技术学院石油与化学工程系，广西 南宁 530001）

以模拟镍废水作原料，001×7强酸性阳离子交换树脂作为吸附剂，采用正交试验法研究得出强酸性阳离子交换树脂—镍溶液体系中分配系数的最佳条件是：树脂用量60 mL，模拟镍废液用量为15 mL，硫酸用量10 mL，其中影响最大的因素是溶液用量，其次是树脂用量，影响最小的是硫酸用量。采用单因素实验法得出：交换系数及交换容量与平衡pH值之间呈现直线关系，交换系数和交换容量随着平衡溶液pH值的增大而增大。

强酸性阳离子交换树脂；镍废水；处理；分配系数；交换容量

在我国，电镀废水处理经过50多年的发展，主要的处理方法有：化学法、离子交换法、电解法和膜分离技术等，在这些处理方法中，离子交换法有出水水质好，可回收有用物质，工艺简单、投资少、效果好等优点。在废水处理中，离子交换主要用于回收和去除废水中的镍、铜、锌等重金属离子。近年来，随着人们对电镀废水资源的兴趣越来越浓厚，离子交换技术作为电镀废水的深度处理方法再度引起人们的重视［1～5］。

本文选用001×7强酸性阳离子交换树脂对镍模拟废液进行了吸附研究，用正交试验法研究树脂用量、镍废水用量和硫酸用量对树脂-镍溶液平衡体系的分配系数的影响，得出了最佳的条件。利用单因素试验法研究了平衡溶液的pH值、镍废液的初始浓度、固液比对平衡体系的分配系数和交换容量的影响，并得到了较好的结果，为离子交换法在含镍废水处理技术中的应用提供理论指导。

1 实验部分

1.1 实验药品与仪器

1.1.1 实验药品

氯化氯化铵，氨水，紫脲酸铵，二甲酚橙，氯化钠，EDTA，硫酸镍，硫酸，氢氧化钠，三乙醇胺，六亚甲基四胺（均为AR）。001×7强酸性阳离子交换树脂。

1.1.2 实验仪器

50mL酸式滴定管；250 mL容量瓶；250 mL锥形瓶；50 mL、100 mL、500 mL烧瓶；PHS-3C 型酸度计。

1.2 实验方案

1.2.1 新树脂的预处理

将树脂用去离子水浸泡24 h，然后用体积为树脂体积的2倍、浓度为3%的盐酸浸泡24 h，用去离子水洗涤至中性；接着用体积为树脂体积的2倍、浓度为3%的NaOH浸泡24 h，用去离子水洗涤至中性；最后用体积为树脂体积的2倍、浓度为3%的盐酸浸泡24 h，将其转化为氢型，用去离子水反复洗涤至中性后置于广口瓶中密封备用。

1.2.2 镍离子浓度的分析方法

用络合滴定法，在氨性缓冲溶液（pH＝10）中，以紫脲酸铵作指示剂，用EDTA标准溶液直接滴定镍离子。

1.2.3 溶液的标定［6］

1.2.3.1 EDTA标准溶液的标定

以锌为基准物的标定，准确称取金属锌0.3～0.4 g，置于250 mL烧杯中，盖好表明皿，然后滴加10 mL HCl溶液（1 ∶1），必要时微热，使之完全溶解后，转入250 mL容量瓶中，加水稀释到刻度，摇匀。

移取25.00 mL Zn2＋标准溶液，置于250 mL锥形瓶中，加水约30 mL和二甲酚橙指示剂1～2滴，滴加 NH3·H2O 溶液，（1∶1）至溶液由黄色变为橙色，然后加5 mL六亚甲基四胺溶液，用EDTA溶液滴定至溶液由紫红色恰变为亮黄色即为终点，根据滴定用去的EDTA溶液的体积计算EDTA溶液的浓度，计算公式如下：

经计算EDTA标准溶液的浓度为0.02694mol·L-1

1.2.3.2 硫酸镍溶液的标定

吸取10 mL的硫酸镍溶液置于250 mL容量瓶中，用水稀释到刻度。移取10 mL试液，置于250 mL 锥形瓶中，加 1～2 mL 三乙醇胺（1∶2），25～30 mL水，加氨水调至微氨性，加入pH＝10氨性缓冲溶液，加适量紫脲酸铵指示剂，用EDTA标准溶液（C）滴定至溶液由暗黄色变为橙色，直至突变为亮紫红色为终点，消耗EDTA标准溶液体积记为 V（mL）。

1.2.4 数据处理［7～10］

表1 其他数据表

表2 计算公式表

2 正交试验设计与数据分析

把树脂量、溶液量、硫酸量3种原料加入250 mL的容量瓶中，稀释到刻度，放置2 h，取出上层清液10 mL，用标准EDTA在规定的条件下进行滴定，记下消耗EDTA标准溶液的体积，正交试验与计算结果列于表3。

表3 L9（33）正交试验及结果

试验表明，各因素的影响次序是溶液用量＞树脂用量＞硫酸用量，最佳工艺方案为：模拟镍废液用量为15 mL，树脂用量60 mL，硫酸用量10 mL。

3 单因素试验及结果分析

在正交试验中对分配系数产生影响的因素有树脂用量、溶液用量、硫酸用量，利用单因素实验法研究各因素对分配系数和交换容量的影响规律。

3.1 单因素实验

3.1.1 平衡pH值对分配系数及交换容量的影响

在 7个 250 mL的容量瓶分别加入 0、2、5、10、15、20、25 mL 硫酸和 40 mL 树脂及 25 mL 硫酸镍溶液，稀释到刻度，放置2h。取清液10mL，根据2.2.2镍离子浓度的分析方法分析平衡溶液镍浓度，然后进行有关计算，结果如图1所示。

图1 分配系数Ke交换容量Cs与平衡pH值的关系

3.1.2 初始镍浓度对分配系数及交换容量的影响

在7个250 mL的容量瓶分别加入5、10、15、20、25、30、40 mL 硫酸镍溶液和 20 mL 树脂，稀释至刻度，放置2 h。取一定体积的清液，根据2.2.2镍离子浓度的分析方法分析平衡溶液镍浓度，然后进行有关计算，结果如图2所示。3.1.3 固液比对分配系数及交换容量的影响

图2 分配系数Ke交换容量与镍初始浓度C0的关系

将 5、10、20、30、40、50、60 mL 树脂和 25 mL（0.03235 mol）硫酸镍溶液，分别加入到 7个250 mL的容量瓶中，稀释到刻度，放置2 h。取清液10 mL，根据2.2.2镍离子浓度的分析方法分析平衡溶液镍浓度，然后进行有关计算，结果如图3所示。

图3 分配系数Ke及交换容量Cs与固液比的关系

3.2 单因素影响分析

（1）从图 1 看出，从 pH～Ke～Cs实验数据点可以看出为一直线关系，将pH～Ke数据拟合直线方程为：Ke＝235.6515pH-178.23479，线性相关系数为：r＝0.97815。将pH～Cs数据拟合直线方程为：Cs＝0.52805 pH＋0.49815， 线性相关系数为： r＝0.93255。

（2）从图1看出，交换容量Cs～pH的曲线斜率并不大，与pH-Ke直线的斜率235.6515相比小得多，说明溶液的pH值对交换容量的影响较小，而对分配系数的影响却很大。

（3）从图2中看出，分配系数在低的初始浓度范围随初始浓度变化的幅度很大，初始浓度从0.03 mol·L-1变化到 0.16 mol·L-1， 分配系数则大约从830变化到50，而在此初始浓度的变化范围内，交换容量只大约从0.5 mol·L-1变化到1.4 mol·L-1。当初始浓度大于 0.16 mol·L-1后， 分配系数和交换容量随初始浓度的变化均明显缓慢。

（4）从图 3 看到，Ke～Sv（分配系数-固液比）的拟合曲线方程为： Ke＝13.253＋294.245Sv＋2.566×103Sv2，相关系数为 R＝0.975，固液比增加，分配系数也增加，交换容量却随固液比增大而减小。

4 结论

（1）001×7强酸性阳离子交换树脂作为吸附剂，由正交试验可知，强酸性阳离子交换树脂—镍溶液体系中分配系数的最佳条件是：树脂用量 60 mL，模拟镍废液用量为15 mL，硫酸用量10 mL，其中影响最大的因素是溶液用量，其次是树脂用量，影响最小的是硫酸用量。

（2）采用单因素实验法得出：交换系数及交换容量与平衡pH值之间呈现直线关系，交换系数和交换容量随着平衡溶液pH值的增大而增大，且平衡溶液pH值对交换系数的影响比对交换容量的影响大得多；分配系数在低的初始浓度范围随初始浓度变化幅度很大，初始浓度从0.03 mol·L-1变化到 0.16 mol·L-1， 分配系数则大约从830降到到50，而在此初始浓度的变化范围内，交换容量只从 0.5 mol·L-1变化到 1.4 mol·L-1，当初始浓度大于0.16 mol·L-1后，分配系数和交换容量随初始浓度的变化均明显缓慢；固液比增加，分配系数也增加，交换容量却随固液比增大而减小。本研究可为离子交换法在含镍废水处理技术中的应用提供一定的理论指导。

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Treatment of Analogue Wastewater Containing Nickel with Strong Acid Cation Exchange Resin

YAN Yi-fang， CAO Wei-min，CHEN Fu-bei
（Department of Petrolchemical Engineering，Guangxi Vocational＆ Technical Institute of Industry，Nanning 530001，China）

The analogue wastewater containing Ni was treated with 001×7 strong acid cation exchange resin，the partition coefficient of strong acid cation exchange resin-nickel solution system was studied by orthogonal test， the optimal treatment conditions were： resin amount was 60mL； the analogue wastewater containing nickel amount was 15mL， and sulfate 10mL.Among them ，the most remarkable effect was solution amount， resin amount secondly， and sulfate influences least.According to single factor experiments， it was straight line relation between exchange coefficient， exchange capacity and pH value exchange coefficient，and exchange capacity were increased with increase of pH of solution.

strong acid cation exchange resin； wastewater containing nickel； treatment； partition coefficient；exchange capacity

X 703

A

1671-9905（2011）04-0047-04

严义芳，女，广西宾阳人，主要从事精细化学品产品开发和产品性能方面的研究。通讯地址：广西南宁市秀灵路37号广西工业职业技术学院石油与化学工程系，联系电话：0771-3825378，E-mail：yanyifang520＠163.com

2010-12-16