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物理化学方法是解决现在日益严重的环境污染问题的重要途径之一。以含铬水溶液为代表的重金属污染正成为人类健康的主要危害,因此,含重金属离子废水的处理引起了社会各界的关注,发展新型高效的处理技术成为其中主要的研究方向之一。离子交换法作为一种高效和高选择性的分离手段,其在众多工业领域得到应用,在水处理方面的应用也正得到加强。
本文首先测定了三种离子交换树脂MP500、M500和D301G的平衡特性,发现溶液相的pH值是影响铬阴离子交换平衡的主要因素。为了进一步研究离子交换平衡,分析了铬阴离子在溶液相中多形态分布特性。结果表明,铬阴离子在溶液相中以多形态形式存在。当使用MP500和M500时,主要发生离子交换。使用D301G时,在pH=1的条件下,离子交换和分子吸附是影响平衡的两个主要因素。借鉴经典的交换平衡理论,建立了基于Langmuire吸附方程的平衡模型,发现当平衡浓度较低时,预测值和实验值误差较大。通过分析三种离子HCrO4-、C5O72-、CrO42-三种离子的平衡数据,计算得到各种单一形态离子的交换平衡特性,并据此建立了基于多形态特性的半经验平衡算法,预测值和实验值符合较好。基于体系的形态特性,建立了新型的离子交换平衡理论模型,结果表明采用新型的平衡模型预测值和实验值符合较好。
论文讨论了以硫酸根为干扰离子的双组分平衡,测定了溶液的pH值和树脂种类对双组分体系的平衡特性的影响,讨论了双组分离子竞争交换。基于单组分的平衡数据,建立了双组分的平衡模型和算法,结果表明预测值和实验值符合较好。
论文测定了不同pH值和初始浓度以及流量下的单组分和双组分流出曲线特性。单组分流出曲线的结果表明,流速的降低、初始浓度的升高、树脂交换容量增大均有利于铬阴离子的传质。为了从数学上描述固定床传质模型,建立了固定床的数学解法,并和基于多形态特性的平衡模型结合,计算固定床流出曲线,实验值和理论值比较,误差较小。
设计和制作了新型的离子交换膨胀床,比较了不同膨胀率下的流出曲线,并和固定床进行了比较。结果表明,操作时膨胀率要低于0.2,在低膨胀率条件下,膨胀床优于固定床。
考虑六价铬阴离子的氧化特性,提出了使用还原性的硫酸亚铁溶液为再生剂,并对再生的机理和再生平衡性能进行了研究。结果表明使用新型还原性的硫酸亚铁作为再生剂,无论在树脂的再生效率还是树脂再生后的平衡交换量,均优于传统再生剂。固定床再生实验表明,最佳的再生工艺条件为:硫酸亚铁的浓度为0.5~1.0mol/L,用量为树脂体积的3~5倍,再生剂的pH值为1~2,温度为25~45℃,空塔流速为2~4m/h。