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電鍍廢水離子交換法分離技術的實驗研究
2019年06月04日 21:52         所屬學院: []          點擊:


湖南省大學生研究性學習和創新性實驗計劃

項  目  申  報 

 

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學校名稱

長沙理工大學

學生姓名

學  號

專      業

性 別

入 學 年 份

竇博青

201467090412

應用化學

2014

黃才友

201467090416

應用化學

2014

賀連皓

201467090414

應用化學

2014

梁愛蘋

201467090310

應用化學

2014

雷婷

201467090406

應用化學

2014

指導教師

楊曉焱

職稱

副教授

項目所屬

一級學科

化工

項目科類(理科/文科)

理科

學生曾經參與科研的情況

項目負責人竇博青同學自入校以來一直參與專業相關的科研,尤其在離子交換樹脂應用去除水中離子方面,進行了大量的文獻閱讀和實驗工作,曾獲得三等獎學金。小組成員黃才友等同學參加了2015~2016年度的科技立項研究獲得國家勵志獎學金一次,一等獎學金和二等獎學金,獲得三好學生、優秀團員等稱號,并獲得校級分子模型大賽一等獎,美食文化節三等獎,優秀軍訓征文。小組成員梁愛蘋同學曾獲得二等獎學金兩次,獲得三好學生、優秀團員等稱號,曾獲校級陶藝大賽一等獎。小組成員賀連皓同學曾獲得第十屆社團風采節先進工作個人,第六屆分子模型大賽三等獎,軍訓征文優秀獎,三等獎學金一次。小組成員雷婷曾獲校節能減排一等獎,2015暑期三下鄉先進個人,校暑期社會實踐報告三等獎,校陶藝一等獎,校標本大賽三等獎。

    小組成員在離子交換樹脂應用去除水中離子方面,已經進行了一段時間的實驗研究,且小組成員在科研創新領域有著濃厚的興趣,積極主動參與,希望通過自己的實驗研究,在水質凈化與處理、節能減排、綠色能源等方面貢獻自己的微薄之力。

指導教師承擔科研課題情況

1、新型gemini緩蝕劑界面特性的NMR研究,波譜與原子分子物理國家重點實驗室開放室基金項目T092009.01-2011.12,5萬,負責人,已結題;

2、化學驅油劑分子相互作用機制的NMR研究,自然科學基金20373087,2004.01-2006.1222萬,主要成員排名4,已結題;

3、變壓器油老化過程組分變化的NMR研究,波譜與原子分子物理國家重點實驗室開放室基金項目T1528092008.01-2010.12,2萬,排名2,已結題;

4、基于納米固體催化劑生物柴油高質化技術的研究,科技部項目G2008AA05Z405,2008.01-2010.12,80萬,參與,已結題;

5、竹炭負載Ce摻雜納米TiO2光催化氧化法降解甲醛,長沙市科技局,2008.3.24-2010.6.24,15萬,參與,已結題。

6、巖心核磁掃描實驗等兩項測試,橫向項目,2015. 4-2017.420萬,參與,在研。

 

項目研究和實驗的目的、內容和要解決的主要問題

研究和實驗的目的

電鍍廢水成分復雜,除含有氰化物和酸堿廢水外,其所含的重金屬毒性巨大,包括銅、鋅、鉻、鎳、鉛、鉑、金、銀等,因此電鍍廢水污染已經成為當今最嚴重的環境污染問題之一。目前,處理電鍍廢水的主要技術有化學沉淀法、離子交換法、吸附、膜過濾、電化學處理技術等。電鍍廢水處理工藝中常利用離子交換樹脂或是其他材料合成的離子交換劑對重金屬離子進行置換,去除重金屬離子達到提高水質的目的。本課題中不僅利用樹脂的交換特性,而且利用樹脂與不同離子交換親和力不同的特性,將其中的離子根據其與樹脂的交換親和力順序,進行分離。目的是將這些有害離子富集、分離純化后進行回用或回收處理,減少含重金屬廢液和固廢的釋放,并應用于其他重金屬廢水治理和受重金屬污染嚴重的生態系統的修復中。能夠有效解決水體和土壤的重金屬污染,并將分離產物回用或貴重金屬回收,具有很高的環保效益和經濟效益。

研究內容

1)根據電鍍廢水有機物等含量高的特性選擇大孔型離子交換樹脂作為吸附介質,擬利用強酸陽樹脂、弱酸陽樹脂、強堿陰樹脂和弱堿陰樹脂不同形態時的交換親和力順序特性實現對離子的選擇性交換和脫吸;

2)用混合樹脂進行離子交換實驗,主要針對長株潭區域污染較嚴重的重金屬離子廢水排放處理和回用,研究強、弱型陰、陽樹脂混合比例和形態對吸附選擇的影響,以及廢水中初始雜質離子濃度、pH值、溫度等條件對選擇性和去除效率的影響。

3)根據特定離子的流出曲線,確定交換和脫吸條件。

4)選擇合適的再生劑盡量簡化混合離子交換樹脂的再生過程和提高再生效果,使其具有更好的可行性、經濟效益和市場推廣應用前景。

擬解決的主要問題:利用陰、陽混合樹脂的交換選擇性順序和平衡特性,除去并分離水中離子態、絡合態、膠體態的有害離子。

 

國內外研究現狀和發展動態

 

國內外研究現狀:

電鍍廢水成分復雜,除含氰廢水和酸堿廢水外,還含有鉻、鎳、鎘、 銅、鋅、金、銀等重金屬污染物。這些物質進入環境,必定會對人類健康及生態環境產生嚴重的危害[1]。

目前,處理電鍍廢水的主要技術有化學沉淀法、離子交換法、吸附、膜過濾、電化學處理技術等。化學沉淀法是較為經濟有效的方法,因其技術成熟、操作管理簡單,可同時去除電鍍廢水中多種金屬,因此得到廣泛的應用,但同時也存在著化學藥劑的二次污染和固廢重金屬污染的問題[2]。離子交換法操作簡單,便捷,殘渣穩定,相比而言,離子交換法能處理大容量的重金屬工業廢水,并且在電鍍車間能直接循環利用這些金屬,回收率達97%以上,但也存在著前期處理和再生酸堿耗的問題[3]。膜分離法是利用高分子所具有的選擇性進行物質分離的技術,包括反滲透、超濾、納濾等,納濾能有效地去除廢水中的鎳、鉻、銅、砷等,操作簡單、可靠,能源消耗相對較低,污染物去除效率高,因此正在受到越來越多的關注[4, 5]。電化學方法是利用金屬的電化學性質,處理含有高濃度電沉積金屬廢水的一種有效方法,處理效率高,便于回收利用,而且隨著日益嚴格的污水排放標準,它的重要性也日益凸顯,但缺點是初始投資高,供電貴,使它們還沒有廣泛地被使用[6]。

離子交換、吸附是處理電鍍廢水目前研究較多的方向之一,離子交換樹脂有螯合性樹脂、兩性樹脂、凝膠型離子交換樹脂、大孔交換樹脂等多種類型,離子交換樹脂法曾是我國電鍍廢水治理中應用最廣泛的技術。縱觀離子交換技術的發展歷史及其在電鍍廢水治理中的應用現狀離子交換法的主要功能有1)去除各種有害重金屬離子,以應付今后將日趨嚴格的排放標準2)脫鹽用如化學法處理后再經樹脂交換脫鹽作末道把關3)回收廢水中的有價值金屬,如金、銀、銅、鎳、鉻等4)提高水的循環利用率,節約日益匱乏的水資源5)在多道逆流漂洗后,用于廢水凈化形成閉路循環[7]。

發展動態:

隨著我國日趨嚴格的排放標準,電鍍廢水排放標準從《污水綜合排放標準(GB8978-1996)》提高到了《電鍍污染物排放標準 (GB21900-2008)》,而且很多地區集中化管理,建立了電鍍工業園區,因此電鍍廢水中離子種類和含量變化會更加復雜。這對電鍍廢水處理工藝的發展也提出了集中化、一體化、零排放等新的要求,因而離子交換樹脂也從早期電鍍廢水單一治理、達到排放,轉換為近年以優化組合技術為特征的電鍍廢水綜合治理中的重要角色,如零排放的閉路循環工序化發展,即逆流漂洗離子交換蒸發濃縮的組合工藝——離子交換蒸濃法,針對廢水成分不同,國內也出現了逆流漂洗蒸發濃縮離子交換的組合技術。隨著離子交換連續化工藝和新型離子交換樹脂(纖維)的不斷涌現,離子交換技術也可以與化學沉淀法、膜處理技術、電解法等組合起來,在電鍍廢水深度處理、高價金屬鹽類的回收、提高水的循環利用率和符合日趨嚴格的排放標準,發揮更大的作用,使離子交換的應用還會有某種程度的擴大。而根據重金屬工業廢水中所需去除離子的不同,篩選出對去除離子有較高選擇性的合理樹脂或通過運行條件的調整實現這種選擇,是實現離子交換樹脂更廣泛應用的關鍵[8~10]。

 

參考文獻

[1]姜玉娟,陳志強. 電鍍廢水處理技術的研究進展[J].環境科學與管理,2015,40(3): 45~48

[2]徐靈,王成端,姚嵐. 重金屬廢水處理技術分析與優選[J]. 廣州化工, 2006, 34(6):44~46;

[3]崔志新,任慶凱,艾勝書等.重金屬廢水處理及回收的研究進展[J]. 環境科學與技術,201033(12):375~377;

[4]包子健. 電鍍廢水納濾膜(NF)濃縮回用研究(碩士論文),浙江大學,2012

[5]林蘭,張國亮, 孟琴,章宏梓. 膜技術在電鍍廢水資源化過程中的應用[J]全國化學工程與生物化工年會, 2006.11

[6] Belkacem M., Khodir M., Abdelkrim S., Treatment characteristics of textile wastewater and removal of heavy metals using the electroflotation technique[J]Desalination2008, 228(1-3): 245~254;

[7]李健, 石鳳林, 爾麗珠, 張惠源. 離子交換法治理重金屬電鍍廢水及發展動態[J].電鍍與精飾, 2006, 25(6):28~31;

[8]李紅艷, 李亞新, 李尚明. 離子交換技術在重金屬工業廢水處理中的應用[J].水處理技術, 2008, 34 (2):12~16.

[9] D. Petruzzelli, G. Tiravanti, R. Passino, Cr(III)/Al(III)/Fe(III) ion binding on mixed bed ion exchangers. Synergistic effects of the resins behaviour[J], Reactive & Functional Polymers, 1996, 31:179-185;

[10] V.K. Koul, A.K. Gupta, Uptake of sodium chloride by mixture of weakly acidic and weakly basic ion exchange resins: equilibrium and kinetic studies[J], Chemical Engineering Science, 2004, 59:1423-1435。

 

本項目學生有關的研究積累和已取得的成績

 

本課題小組已經查找并閱讀了大量關于電鍍廢水處理方面的相關文獻,熟練地掌握了離子交換實驗的操作方法,進行了課題相關的試驗研究和理論驗證,對該項目具有較深入的了解。

本課題小組前期研究了陽、陰弱型混合離子交換樹脂的分離過程,并研究了H型弱型陽離子交換樹脂與Cu2+離子的反應及其逆反應過程,發現Na+離子濃度較高的溶液也不能完全置換出樹脂中的Cu離子,而4%HCl溶液中的H+離子則反應進行度高,將失效的陽離子交換樹脂再生成H型。且研究了陽離子交換樹脂Na+溶液與H型樹脂交換和Ca2+溶液與Na型樹脂交換的出水水質變化曲線和特性,掌握了樹脂相與溶液相離子交換的特性。并通過實驗過程的實踐,修正了一些實驗研究中可能出現的意外情況。

此外,小組成員還認真學習了儀器分析方法,掌握了課題所需要的分析檢測技術的學習,為研究打下了堅實的基礎。

 

項目的創新點和特色

離子交換樹脂雖然在電鍍廢水處理方面已經有大量的研究和應用,但是很多都集中在利用特定樹脂對離子的選擇性來實現對有害重金屬離子的吸附和回收,本課題視角獨特,利用常用離子交換樹脂在不同水質條件和不同形態的樹脂與不同離子交換親和力不同的特性,將其中的離子根據其與樹脂的交換親和力順序,進行分離,實現純化回用、循環利用的目的。

在交換階段,嘗試利用陰、陽樹脂的交換平衡,實現選擇性交換水中部分離子,在脫吸過程,利用不同的再生溶液或不同混合溶液配比,控制離子洗脫,使混合的離子分離,方便后續的貴重金屬回收或溶液回用過程,實現廢水的零排放,提高經濟效益。

項目的技術路線及預期成果

1、項目技術路線

1)根據電鍍廢水特性選擇大孔型離子交換樹脂作為吸附介質,擬利用強酸陽樹脂、弱酸陽樹脂、強堿陰樹脂和弱堿陰樹脂不同形態時的交換親和力順序特性實現對離子的選擇性交換和脫吸;

2)用混合樹脂進行吸附實驗,主要針對長株潭區域污染較嚴重的含重金屬離子的廢水,實現去除電鍍過程廢液中進入的離子,實現回用;或者去除有害離子,進行排放。

3)根據特定離子的流出曲線,確定交換和脫吸條件。

4)選擇再生劑實現混合離子交換樹脂不分離再生的過程,減少再生廢液排放量和濃度,使其具有更好的經濟效益和市場推廣應用前景。

2、預期成果

1)通過本項目的研究,完成離子交換樹脂對混合廢水中多種離子的分離過程和減少再生污染的影響。

2)歸納整理相關實驗數據,形成項目研究報告。

3)爭取發表論文1~2篇或申報相關1項專利。

 

年度目標和工作內容(分年度寫)

2016.11-2017.5:研究陰、陽樹脂混合比例和形態對吸附選擇的影響,以及運行條件對選擇性和去除效率的影響。

2017.5-2017.10:混合樹脂分離工藝研究,并選擇合適的再生劑,并研究實現分步洗脫的工藝條件

2017.11-2018.4:選擇合適的再生劑,嘗試實現混合樹脂的再生。

2018.4-2018.12整理實驗數據,編寫論文或申請專利

 

指導教師意見

該課題選題新穎,小組成員利用學到的專業相關知識,解決社會實際中急待解決的問題,具有一定的社會效益、環保效益和經濟效益,符合“兩型社會”的建設目標,研究方案切實可行,且研究小組已開展了部分相關的實驗研究工作,工作基礎良好。同時,小組成員思維活躍,分工明確,協調合作,懂得利用自身優勢,有效的結合專業資源,撲捉社會需求信息。因此同意推薦他們參加“湖南省大學生研究性學習和創新性實驗計劃項目”。

 

簽字:                   日期:

注:本表欄空不夠可另附


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