改性离子交换树脂除砷方面的应用

张萍+陈卫+李晓晨+高雁

摘 要：本文结合砷污染现状，对离子交换树脂在砷污染水处理中的研究进展进行了综述，阐述了离子交换树脂，特别是无机改性离子交换树脂性质及在砷污染水处理中的研究应用现状，并针对目前研究现状中存在的问题了研究展望。

关键词：砷污染；无机改性离子交换树脂；水处理

中图分类号：TU911 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）10-0010-02

砷污染是指由砷或其化合物所引起的环境污染。我国是受砷中毒危害最为严重的国家之一。2013年下半年，瑞士和中国研究人员在瑞士公布的一项最新研究成果显示遭受砷污染的饮用水正在危害2000万国人的健康[1]。因此，开发高效廉价的砷污染处理产品和技术成为砷污染治理的热点之一，具有很大的社会、经济和环境意义。

吸附法[2，3]是重金属水污染处理方法中应用最为广泛、最有前景的技术之一。吸附法对重金属有高效的去除能力，而且成本低廉，有较强的经济可行性。在一定条件下，吸附剂可以解吸再生、重复利用，减少二次污染。相比于其它吸附剂，树脂尤其是离子交换树脂的优点比较显著，比如比表面积巨大，机械强度高，吸附容量大，再生简单，成本低廉等。随着对树脂的广泛研究和推广应用及新型吸附材料的研究进展，不少学者尝试对树脂进行改性得到新型高效吸附剂处理水中的重金属（包括砷）污染。

本文主要对改性离子交换树脂对水中砷污染处理的研究进展进行较为系统的分析，并对存在问题的解决途径及今后的研究方向作为进一步展望。

1 离子交换树脂除砷方面的应用研究

离子交换树脂是一类带有功能基的网状结构的高分子化合物，其结构由三部分组成：不溶性的高分子三维空间网状骨架、连接在骨架上的功能基团和功能基团所带的相反电荷的可交换离子。近年来，很多实验室研究通过改变吸附条件和改善树脂结构来提高离子交换树脂的去除效果，很多研究已经达到商业化水平，被广泛应用于实际水处理中。

胡天觉[4]等合成制备了一种对As（Ⅲ）离子高效选择性吸附的螯合离子交换树脂，研究了该螯合树脂从含砷溶液中脱除砷的最佳条件.结果表明：该树脂吃饭含As（Ⅲ）5g/L的溶液脱砷率高于99.99%，脱砷溶液中砷含量完全达标。 Anirudhan[5]等制成了一种新型的阴离子交换剂CP-AE，通过实验发现，当As（V）的初始浓度为1mg/L时，阴离子交换剂对As（V）的最大去除率可达99.2%。Korngold[6]等研究了Purolite-A-505和Relite-490两种强碱性树脂对砷的去除效果，结果表明后者由于连接有乙基、丙基或其它更长的官能团，对H2AsO4-以及HAsO42-的亲合力更强。有机离子交换剂聚苯乙烯强碱型阴离子交换树脂，在美国新墨西哥州的Albuquerque市的生活饮用水除砷中得到了应用。

2 无机改性离子交换树脂除砷实际应用研究

由于砷在水体中的分布形式主要是以离子形态存在，而传统的阴离子交换树脂对五价砷有一定的去除效果，但是对于三价砷的去除效果并不理想。随着对离子交换树脂改性技术和实验研究，利用改性离子交换树脂去除水中的砷的研究工作也越来越多。

当前，对传统离子交换树脂进行无机改性，研究主要集中在将金属氧化物或金属化合物负载到树脂上，从而提高其对重金属的选择性。大量研究表明[13]：将铁、锌、钛、铝、锰等金属氧化物负载到离子交换树脂上后，通过配位络合作用与重金属离子吸附结合，而且由于这种吸附是特异性的内层吸附，因此不易受离子强度或其它离子的干扰。而且由于金属氧化物的两性特征，在不同的pH条件下，它们所带电荷会有所不同，因此对水中的重金属阳离子或阴离子都能发挥其吸附性能。

赵雅萍[7]等利用载Fe（Ⅲ）和La（Ⅲ）-氨基膦酸型螯合树脂选择性吸附水中痕量As（Ⅴ），动态实验表明，载Fe（Ⅲ）的螯合树脂是一种有前景的饮用水除As（Ⅴ）的吸附剂。De Marco M J[8]等采用水合氧化铁（HFO）对阳离子交换树脂和阴离子交换树脂进行改性后，对两种形态的砷都很好的吸附选择性，出水砷浓度很低。Lenoble[9]等制备出负载MnO2的聚苯乙烯树脂，在中性条件下对As（Ⅲ）和As（Ⅴ）吸附容量为53mg/L和22mg/L。张贞发[10]等采用浸渍法用Fe（Ⅲ）对D401螯合树脂进行改性，实验结果显示，Fe（Ⅲ）改性D401螯合树脂可将水中1mg/L的砷含量降至0.01mg/L以下，并可用稀盐酸再生，再生率达94%。徐伟[12]等也研究了用Fe（Ⅲ）改性的大也已弱碱性阴离子树脂D301对饮用水中As（V）的吸附性能，结果表明，在pH<10时，D301-Fe对As（V）有较强的吸附性能，共存离子影响不大。

潘丙才[13，14]等把大孔强碱性离子交换树脂D201作为载体，利用FeCl3-HCl-NaCl溶液特有的性质制备出一种新型树脂基水合氧化铁复合材料（D201-HFO），研究结果表明，D201-HFO性能优良、稳定，是一种有广泛应用前景的除砷吸附剂。离子交换树脂经过改性后，一般都带有能与重金属进行专属吸附的基团或配位原子，尤其是抗离子干扰能力强，对重金属的选择性优于传统的离子交换树脂。

美国的SenGupta[15，16，17，18]等也利用金属化合物（HFO/Fe3O4、HFO、HFO/ZrO2）对离子交换树脂进行了改性，研究其除砷性能，结果表明，改性后的离子交换树脂對砷有很好的吸附选择性。不仅如此，还在研究的基础上，开发了化的除砷树脂ArsenXxp，对商业化除砷进行了实际应用研究。

3 结语

随着人们对离子交换树脂改性研究的深入进行，制备出许多有效的除砷剂。而这些改性树脂也由于其机械强度高、比表面积大、抗冲击能力强等优点，显示出良好的发展前景和推广应用价值。

综上所述，今后对改性离子交换树脂的研究可以从以下几个方面进一步深入：

（1）继续开发成本低廉、易操作、可控性强的新型改性树脂，研发成型产品并推广应用；（2）根据不同的树脂和化合物，可研究多种物质的复合改性剂，针对某种污染物（比如砷），研发强效吸附剂产品；（3）改性离子树脂对水中重金属的处理研究中可引入多目标污染物及重金属与有机物共存的复合体系；（4）针对目前我国重金属污染状况，研究拓展改性离子交换树脂在其它领域（如：土壤修复）等领域中的作用和效能。

参考文献

[1]刘雅文.砷污染防治：还一片碧水净土[J].化工管理，2014（10）：51-53.

[2]Rao G P， Lu C， Su F.sorption of divalent metal ions from aqueous solution by carbon nanotubers： a review Separation and Purification Technology， 2007，58：224-231.

[3]Pan B J， Pan B C， Zhang W M，etal. Development of polymeric and polymer-based hybrid adsorbents for pollutants removal from waters. Chemical Engineering Journal， 2009，151：19-29.

[4]胡天觉，曾光明，陈维平，李小红.选择性高分子离子交换树脂处理含砷废水[J].湖南大学学报（自然科学版），1998，25（06）：25-28.

[5]Anirudhan T S，Unnithan M R： Arsenic（V） removal form aqueous solutions usin g an anion exchanger derived from coconut coir-Pith and its recover[J]， Chemosphere，2007，66（1）：60-66.

[6]Komgold E， Belayev N， Aronov I： Removal of arsenic from drinking water by anion exchangers[J]， Desalination，2001，141（1），81-84.

[7]赵雅萍，王军锋，尹静，陈甫华.载Fe（Ⅲ）和La（Ⅲ）-氨基膦酸型螯合树脂选择性吸附水中痕量As（Ⅴ）[J].南开大学学报（自然科学版），2002，32（4）：85-89.

[8]De Marco M J，SenGupta A K，Greenleaf J E.Arsenic removal using a polymeric/inorganic hybrid sorbent[J]. Water Research， 2003，37：164-176.

[9]Lenoble V，Chabroullet C，al Shukry R，et al.Dynamic arsenic removal on a MnO2-loaded resin[J].Colloid Interface Sci，2004，280（1）：62-67.

[10]張贞发，蒋柏泉，陈敬军.一种新型砷吸附剂的制备与性能研究[J].江西化工，2006，02，40-42.

[11]徐伟，李长海，贾冬梅，刘学文.D301负载Fe（Ⅲ） 去除饮用水中的As（Ⅴ）[J].工业水处理，2013，33（7）：25-29.

[12]Pan B J，Qiu H， Pan B C，et al. Highly efficient remo val of heavy metals by polymet-supported nanosized hydrated Fe（Ⅲ） oxides： behavior and XPS study[J]. Water research， 2010，44：815-824.

[13]Su Q， Pan B C， Pan B J， et al. Fabrication of polymer-supported nanosized hydrous manganese dioxide （HMO） for enhancecd lead removal from waters[J]. Science of the Total Environment， 2009，407：5471-5477.

[14]Cumbal L， Greenleaf J， Leun D， et al. Polymer supported inorganic nanoparticles： characterization and environmental applications. Reactive & Functional Polymers，2003，54：167-180.

[15]De Marco M J，SenGupta A K， Greenleaf J E.Arsenic removal using a polymeric/inorganic hybrid sorbent. Water Research，2003，37：164-176.

[16]Cumbal L， Sen Gupta A K. Arsenic removal using polymer-supported hydrated iron（Ⅲ）oxide nano- particles： role of Donnan Membrane Effect. Environmental Science & Technology，2005，39：6508-6515.

[17]Puttamraju P， Sen Gupta A K. Evidence of tunable on-off sorption behaviors of metal oxide nanoparticles： role of ion exchanger support. Industrial & Engineering Chemistry Research，2006，45：7737-7742.

[18]Sarkar S， Blaney L M， Gupta A， et al. Use of Arsen Xnp， a hybrid anion exchanger， for arsenic removal in remote villages in the Indian subcontinent. Reactive & Functional Polymers，2007，67：1599-1611.