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    含鎳電鍍廢水處理工藝之離子交換法


    電鍍廢水處理工藝中離子交換法是利用離子交換劑與溶液中的離子之間所發生的交換反應來進行分離的方法,本文簡述了離子交換樹脂的結構、分類以及交換容量的測定方法.
     

    電鍍廢水處理工藝離子交換法原理

     

    常用語


    吸附(adsorption)
    溶液中的離子與樹脂上官能團發生反應,并結合到樹脂上的過程。
    淋洗(elution)
    用一定濃度的淋洗劑將已吸附在離子交換樹脂上的金屬由樹脂轉移到水溶液中的過程,又稱解吸。

    萬恒泉潔離子交換床

    含鎳電鍍廢水處理工藝之離子交換法
     
    轉型(transformation)
    將樹脂從一種型式轉變為其他離子型式的過程。
    離子交換樹脂(ion exchange resin)
    一種帶有官能團(有交換離子的活性基團)、具有網狀結構與不溶性的高分子聚合物。通常是球形顆粒物。
    飽和樹脂(loadedresin)
    在某一特定條件下,當吸附尾液中被吸附離子的濃度與進料液中濃度相等或達到動態平衡時的離子交換樹脂。
    離子交換法是以圓球形樹脂(離子交換樹脂)過濾原水,水中的離子會與固定在樹脂上的離子交換。常見的兩種離子交換方法分別是硬水軟化和去離子法。硬水軟化主要是用在反滲透(RO)處理之前,先將水質硬度降低的一種前處理程序。軟化機里面的球狀樹脂,以兩個鈉離子交換一個鈣離子或鎂離子的方式來軟化水質。
    離子交換樹脂利用氫離子交換陽離子,而以氫氧根離子交換陰離子;以包含磺酸根的苯乙烯和二乙烯苯制成的陽離子交換樹脂會以氫離子交換碰到的各種陽離子(例如Na+、Ca2+、Al3+)。同樣的,以包含季銨鹽的苯乙烯制成的陰離子交換樹脂會以氫氧根離子交換碰到的各種陰離子(如Cl-)。從陽離子交換樹脂釋出的氫離子與從陰離子交換樹脂釋出的氫氧根離子相結合后生成純水。
    陰陽離子交換樹脂可被分別包裝在不同的離子交換床中,分成所謂的陰離子交換床和陽離子交換床。也可以將陽離子交換樹脂與陰離子交換樹脂混在一起,置于同一個離子交換床中。不論是哪一種形式,當樹脂與水中帶電荷的雜質交換完樹脂上的氫離子及(或)氫氧根離子,就必須進行“再生”。再生的程序恰與純化的程序相反,利用氫離子及氫氧根離子進行再生,交換附著在離子交換樹脂上的雜質。

    含鎳電鍍廢水處理工藝之離子交換法


    貴金屬鎳被廣泛應用于機械、汽車和電子等行業的鍍件表面處理,并由此產生大量的含鎳電鍍廢水 〔1〕。含鎳電鍍廢水污染大,對其進行處理不僅可減少環境污染,同時可實現對金屬鎳離子和中水資源的回收利用,這對電鍍行業發展循環經濟具有重要意義。

    目前,電鍍廢水的處理方法有化學沉淀、蒸發濃縮、電滲析、膜分離和離子交換等〔2, 3, 4, 5〕。其中,離子交換法由于具有資源回收功能及成本上的優勢,被廣泛應用于含鎳電鍍廢水的處理和回用。

    杭州某衛浴公司針對該公司含鎳電鍍廢水的水質和水量特點,采用了多介質預過濾與樹脂離子交換相結合的處理工藝對其進行處理。工程運行實踐表明,處理出水鎳質量濃度≤0.5 mg/L,濁度≤1.0 NTU,電導率≤100 μS/cm,達到《電鍍污染物排放標準》(GB 21900—2008)的限值要求。該工程具有處理效果穩定和環境效益明顯的優點。
     

    1、廢水水量、水質
     

    杭州某衛浴公司含鎳電鍍廢水 主要來源于電鍍鎳和鍍件清洗工序,廢水水量為6.5 m3/h。廢水水質:鎳質量濃度為100~150 mg/L,pH為4.0~6.5,濁度為5.0~10.0 NTU,電導率為350~850 μS/cm。處理出水需滿足《電鍍污染物排放標準》(GB 21900—2008)限值要求。
     

    2、電鍍廢水處理工藝流程
     

    含鎳電鍍廢水處理工藝流程如圖 1所示。

     

     

    圖 1 含鎳電鍍廢水處理工藝流程

    該處理工藝中離子交換為核心單元,前端以多介質過濾器和精密過濾器為預處理單元,以保證進入離子交換系統的水質滿足離子交換系統要求。含鎳電鍍廢水經調節池、多介質過濾器和精密過濾器后依次進入陽離子樹脂床、陰離子樹脂床和混合樹脂床。樹脂飽和后陽床采用質量分數為5%~10%的HCl溶液洗脫再生,陰床采用質量分數為5%~10%的NaOH溶液洗脫再生,混床采用先酸后堿順序再生。高含量鎳離子洗脫液濃縮后可回用,出水可作為系統清洗水和生產工藝漂洗水回用。
     

    3、主要構筑物(設備)

     

    3.1、調節池


    設調節池1座,分2格,入端布隔油、隔渣池,以實現廢水均質均量,減輕系統負荷沖擊。調節池尺寸為9.8 m×3.2 m×3.5 m,停留時間14 h,有效容積94 m3,有效水深3 m,采用地下鋼砼結構,內壁三布四涂環氧樹脂防腐。
     

    3.2 預過濾系統
     

    3.2.1 多介質過濾器

    多介質過濾器主要用于去除廢水中的懸浮物和膠體等雜質,降低廢水濁度。選取無煙煤和石英砂為介質濾料。無煙煤密度為1.4~1.6 g/cm3,粒徑0.8~1.8 mm;石英砂密度為2.60~2.65 g/cm3,粒徑0.5~ 1.2 mm。罐體采用碳鋼襯膠,尺寸為D 1.0 m×3.0 m,濾床高度1.2 m。設有氣水反沖洗設備,配有氣動閥、壓力表和傳感器監控運行狀態。

    3.2.2 精密過濾器

    精密過濾器主要用于截留多介質過濾器出水中的微小雜質,防止其進入離子交換系統污染樹脂。精密過濾器外形尺寸為D 0.3 m×1.0 m,Q=10 m3/h,內裝精度5 μm濾芯。精密過濾器出水須嚴格控制濁度<1.0 NTU,COD<1.0 mg/L,游離氯<0.1 mg/L,鐵質量濃度<0.3 mg/L。
     

    3.3、離子交換系統
     

    3.3.1 陽離子樹脂床

    陽床樹脂采用爭光D001型大孔強酸性樹脂,苯乙烯系骨架,—SO3-功功能團,質量交換容量≥4.25 mmol/g,體積交換容量≥1.8 mmol/mL,濕視密度為0.77~0.85 g/mL,濕真密度為1.25~1.28 g/mL,粒度為0.315~1.25 mm。碳鋼襯膠罐體,尺寸為D 1.2 m×3.5 m,床層容積1.5 m3。

    3.3.2 陰離子樹脂床

    陰床樹脂采用爭光D201型大孔強堿性樹脂,苯乙烯系骨架,—N+(CH3)3功能團,質量交換容量≥3.8 mmol/g,體積交換容量≥1.2 mmol/mL,濕視密度為0.65~0.73 g/mL,濕真密度為1.05~1.10 g/mL,粒度為0.315~1.25 mm。碳鋼襯膠罐體,尺寸為D 1.2 m×3.5 m,床層容積1.5 m3。

    3.3.3 混合樹脂床

    混床樹脂采用D001酸性陽樹脂和D201堿性陰樹脂,兩者質量比約為1∶2。碳鋼襯膠罐體,尺寸為D 1.2 m×3.5 m,床層容積1.0 m3。
     

    3.4、再生系統
     

    再生系統用于對陰床、陽床以及混床樹脂的再生,由酸堿儲液罐、進液泵、洗脫液收集和清洗單元組成。配備儲液罐2個 ,規格3 000 L ,材質FRP;進液泵3臺(2用1備),Q=7.0 m3/h,H=30 m,P=2.2 kW;清洗泵4臺(3用1備),Q=20.0 m3/h,H=30 m,P= 4.0 kW。管閥件包括射流器、流量計和球閥等,保證再生液流量和濃度恒定。
     

    4、電鍍廢水處理工藝離子交換法運行效果

     

    4.1 預過濾系統


    運行期間,廢水pH為4.0~6.5,水溫為11.5~15.0 ℃。多介質過濾器濾速為8.3 m/h,運行前經過約7 h沖洗后進行過濾,待過濾出水表觀清澈后再流入精密過濾器。運行間隔相同時間對精密過濾器出水連續取樣,考察預過濾系統的處理效果。 結果表明,廢水中的懸浮物和顆粒雜質得到了有效去除,精密過濾器出水濁度在1.0 NTU以下,COD<1.0 mg/L,游離氯<0.1 mg/L,能滿足后續離子交換系統的進水要求,避免樹脂污染。

    多介質過濾器運行30~45 d后需進行氣水反沖洗。確定氣反洗強度為16.5 L/(s·m2),歷時2~3 min,水反洗強度為10.6 L/(s·m2),歷時5~6 min,中間為氣水同時反沖洗,反沖洗過程中膨脹率控制約50%。

    預處理系統配備有1臺Q=30 m3/h、H=32 m、P=7.5 kW的水泵和1臺Q=4.0 m3/min、H=49.2 kPa、P=5.5 kW的風機。精密過濾器正常工作情況下,可維持較長使用壽命,當進出端壓差>0.10 MPa時需更換濾芯。
     

    4.2、離子交換系統
     

    離子交換系統由陽床、陰床、混床、加壓水箱和管閥件組成。廢水經預過濾系統后利用余壓進入陽床,陽床產水由泵加壓后再依次進入陰床和混床。各級樹脂床均裝有取樣閥,在混床出水處設有pH計、流量計和電導率儀,對出水水質進行實時在線監測。其現場安裝情況如圖 2所示。

     

     

    圖 2 離子交換系統現場安裝情況

    離子交換系統經調試正常運行以來,運轉良好,出水水質、水壓和水量穩定?紤]到當含鎳廢水電導率在100 μS/cm以下時,出水中基本檢測不出鎳離子,故監測中對各級床層出水pH和電導率作了重點考察,結果如表 1所示。

     

     

    工程連續運行2個月來,離子交換系統出水pH和電導率的變化如圖 3和圖 4所示。

     

     

    圖 3 離子交換系統出水pH的變化

     

     

    圖 4 離子交換系統出水電導率的變化

    出水pH的變化可在一定程度上反映樹脂的飽和程度和再生周期。由圖 4可知,運行期間離子交換系統出水pH基本維持在5.5~6.5。當pH <6.0時樹脂存在需要再生的可能。由圖 5可知,正常情況下離子交換系統出水電導率維持在100 μS/cm以下,相應的鎳離子質量濃度<0.5 mg/L,鎳去除率可達95%以上。當出水電導率超過100 μS/cm時,需考慮對樹脂進行再生。
     

    4.3、再生系統
     

    樹脂再生效果受再生液濃度、溫度、流速和再生時間等因素影響。再生系統中再生液進液流速控制為4~7 m/h,陽床可采用接近上限流速,陰床可采用接近下限流速;再生液溫度不宜超過30 ℃;再生液采用質量分數為5%~10%的HCl和NaOH;再生周期為5~6 d。
     

    5、電鍍廢水處理工藝之離子交換法經濟分析

     

    工程總投資約150萬元,包括建(構)筑物、預過濾系統、離子交換系統和電氣自控等附屬系統的設備和儀器等。其中建(構)筑物投資約55萬元,預過濾系統和離子交換系統投資約70萬元,附屬系統投資約20萬元,其他費用約5萬元。

    工程運行費用主要包括電耗、人工費及藥劑消耗等。工程總裝機功率為46.6 kW,耗電量為102.8 kW·h/d,單位水量耗電0.66 kW·h/m3,電費單價0.83元/(kW·h),則電費為0.55元/m3;人工定員3人,人均工資為2 500元/月,則人工費為1.60元/m3;藥劑消耗主要包括HCl和NaOH,HCl單價為1.50元/kg,NaOH單價為3.5元/kg,一個再生周期內(5 d)需用藥劑各約31.2 kg,則藥劑費為31.2元/d,合0.2元/m3。合計工程運行費用為2.35元/m3。具體參見http://www.dowater.com更多相關技術文檔。
     

    6、離子交換法結論


    (1)采用多介質預過濾與樹脂離子交換相結合的工藝處理含鎳電鍍廢水是可行的。在處理廢水量為6.5 m3/h,進水鎳質量濃度為100~150 mg/L,多介質過濾器濾速為8.3 m/h,離子交換總停留時間為 37 min條件下,處理出水鎳質量濃度≤0.5 mg/L,濁度≤1.0 NTU,電導率≤100 μS/cm,主要出水指標達到設計要求。

    (2)本工程投資150萬元,工程占地400 m2,運行費用為2.35元/m3。該工程的投入運行,取得了較好的社會效益,樹立了良好的企業形象。



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    排序 文章標題 時間
    1含銅、鎳電鍍廢水處理工藝2020-02-13


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