電去離子技術(shù)濃縮與脫除水中重金屬離子和營養(yǎng)鹽研究

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1、浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院博士學(xué)位論文電去離子技術(shù)濃縮與脫除水中重金屬離子和營養(yǎng)鹽研究姓名：馮霄申請學(xué)位級別：博士專業(yè)：環(huán)境工程指導(dǎo)教師：吳祖成20080701浙江大學(xué)博士學(xué)位論文摘要摘要重金屬和營養(yǎng)鹽是當(dāng)前最受關(guān)注的水體污染物之一，同時(shí)也是寶貴的資源。重金屬廢水和營養(yǎng)鹽廢水的大量排放，不僅造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，也導(dǎo)致了資源的極大浪費(fèi)。傳統(tǒng)的重金屬廢水處理方法和脫氮除磷工藝各有優(yōu)勢，但仍不同程度地存在投資大、產(chǎn)水水質(zhì)偏低、易產(chǎn)生二次污染等缺點(diǎn)。特別是當(dāng)廢水濃度較低時(shí)，傳統(tǒng)處理工藝在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等方面受到很多限制而很難做到凈化和回收兼顧，難以滿足廢水資源化的要求。電去離子(Ele

2、ctrodeionization，EDI)是一種清潔高效的新型分離技術(shù)，可深度去除并回收廢水中的離子態(tài)物質(zhì)?，F(xiàn)有的研究雖然證明了EDI處理低濃度重金屬廢水的可行性，但無法徹底避免過程中普遍存在的重金屬氫氧化物沉淀，裝置運(yùn)行的長期穩(wěn)定性有待提高，關(guān)于EDI處理含多種重金屬離子廢水和營養(yǎng)鹽廢水的研究更少有報(bào)道。由此，本論文對EDI技術(shù)處理低濃度重金屬廢水和營養(yǎng)鹽廢水進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。以Ni2+離子為模型離子與樹脂進(jìn)行靜態(tài)吸附交換，考察了EDI裝置對失效樹脂的電再生特性。結(jié)果表明，增大電極液導(dǎo)電性、升高電壓及提高樹脂預(yù)載離子量可顯著提高樹脂再生效果。電極液中加入的少量Na

3、2S04電解質(zhì)是電極反應(yīng)的引發(fā)劑，可促使電極反應(yīng)快速進(jìn)行，產(chǎn)生大量的H+對樹脂進(jìn)行再生。離子交換樹脂的持續(xù)再生由電極反應(yīng)產(chǎn)生的H+和OH一離子來實(shí)現(xiàn)。陰、陽離子交換樹脂的分別填充及電性相同的離子交換膜靠近排列使得樹脂電再生過程中EDI裝置的濃室溶液始終呈酸性，pH值低至3左右，抑制了Ni(OH)2沉淀在陰膜表面產(chǎn)生，樹脂表面亦未有Ni(OH)2沉淀附著，避免了傳統(tǒng)EDI過程容易出現(xiàn)的金屬氫氧化物沉淀現(xiàn)象，有望實(shí)現(xiàn)長期運(yùn)行和重金屬廢水的連續(xù)處理?？疾炝瞬煌瑢?shí)驗(yàn)條件下EDI過程對Ni“離子的脫除和濃縮性能。過程的主要影響因素包括離子交換樹脂、離子交換膜、膜堆電壓和原水Ni2

4、+離子濃度等。在優(yōu)化的操作條件下，對含Ni2+離子濃度50meJL的原水進(jìn)行EDI處理，Ni2+離子濃縮倍數(shù)8．5。14．7，脫除率大于98％，出水Ni2+離子濃度低于1．0mg／L，電流效率23．6～37．9％，長時(shí)間運(yùn)行穩(wěn)定性能良好。表明EDI能夠在不需要化學(xué)再生樹脂的情況下，實(shí)現(xiàn)對重Ⅱ浙江大學(xué)博士學(xué)位論文摘要金屬離子的深度脫除和濃縮。探討了水中共存Ni2+、Cu“、Zn2+離子在EDI膜堆中的行為差異及選擇分離性，結(jié)合Nernst—Planck方程對EDI過程的離子傳遞機(jī)理進(jìn)行的分析表明，樹脂對離子的親合力和選擇性順序?yàn)镹i2+>Ell2+>zn2+，離子在EDI

5、膜堆中的遷移能力順序和濃縮倍數(shù)順序?yàn)閆n2+>Cu2+>Ni“。說明樹脂對不同離子的親合力有差別，樹脂將優(yōu)先選擇混合液中親合力大的離子進(jìn)行吸附交換，但是親合力越大，離子從樹脂解吸即樹脂電再生的阻力也越大，樹脂對離子選擇性的提高必然導(dǎo)致離子在樹脂內(nèi)遷移能力的降低及濃縮倍數(shù)的下降。離子傳遞機(jī)理描述表明，分離系數(shù)∥實(shí)質(zhì)上是混合離子在樹脂中的電遷移率或者擴(kuò)散系數(shù)之比，∥值越大，離子之間的電遷移率差別越大，從而可分離性越高?；旌想x子的分離系數(shù)大小順序?yàn)榍鼁Il2+．Ni2+)>段Zh2+cu“)>段cu2+．Ni2+)，說明在定向遷移過程中共存離子之間產(chǎn)生競爭。zn2+的競爭力最

6、強(qiáng)，因此其電遷移率最大，由于Zn2+的競爭，cu2+和Ni2+的遷移速率下降，與cu2+相比，Ni2+受zn2+競爭的影響較大，因此Cu2+的電遷移率次之，Ni2+的最小。探索了營養(yǎng)鹽陰離子在EDI膜堆中的遷移與濃縮的基本特性。裝置運(yùn)行4h后N03一、P043一的濃縮倍數(shù)即分別達(dá)到4．8～6．8和2．7～4．0，出水離子濃度均低于0．1mg／L，去除率大于97％。表明EDI能夠?qū)λ袪I養(yǎng)鹽離子進(jìn)行濃縮和深度去除。不同實(shí)驗(yàn)條件下樹脂對P043-的親合力均大于對N03-的親合力，N03-通過陰樹脂床層的電遷移率是P043一的3．6倍左右，這直接導(dǎo)致了P043一濃縮倍數(shù)的降低

7、。上述結(jié)果表明，采用改進(jìn)的EDI裝置，不僅能濃縮和脫除低濃度重金屬陽離子，而且對低濃度營養(yǎng)鹽陰離子亦能進(jìn)行濃縮和深度去除，這對資源回收利用及環(huán)境保護(hù)意義重大。關(guān)鍵詞：電去離子(EDI)；重金屬；營養(yǎng)鹽；濃縮回收；沉淀；電再生III浙江大學(xué)博士學(xué)位論文AbstractAstwokindsofthemostprimarypollutantsinthewater,Heavymetalsandnutritivesaltsarealsovaluableandusefulresources．Dischargeofwastewatercontainin