本科畢業(yè)論文-離子交換樹脂處理模擬含鎘廢水的研究

PAGE各專業(yè)全套優(yōu)秀畢業(yè)設計圖紙吉首大學JISHOU本科生畢業(yè)論文題目名稱離子交換樹脂處理模擬含鎘廢水的研究學生姓名學院生物資源與環(huán)境科學學院專業(yè)年級2006級環(huán)境科學專業(yè)指導教師職稱教授編寫時間2010年5月目錄摘要 1關鍵詞 1Abstract 1Keywords 11 前言 22儀器和材料 32.1藥品 32.2實驗儀器 33實驗方法 33.1鎘含量的測定 33.2模擬廢水的配制 33.3D401的預處理 43.4樹脂的選擇 43.5靜態(tài)吸附平衡實驗 43.5.1不同溫度下的靜態(tài)吸附 43.5.2pH對平衡吸附量的影響 43.5.3靜態(tài)吸附動力學實驗 54結果與分析 54.1樹脂的選擇 54.2等溫吸附曲線 54.3不同pH值的含鎘廢水溶液對吸附量的影響 84.4D401的加入量對吸附量的影響 94.5靜態(tài)吸附動力學分析 105.結論 11參考文獻： 12 13PAGE14離子交換樹脂處理模擬含鎘廢水的研究李偉指導老師：彭清靜（吉首大學生物資源與環(huán)境科學學院，湖南吉首416000）摘要：通過采用模擬含鎘廢水對732、D401和D405樹脂的吸附量進行對比，選擇D401樹脂為研究對象，并且考查了D401樹脂加入量、吸附溫度、吸附時間、pH值不同時對廢水中Cd2+的吸附規(guī)律。結果表明：D401對含鎘廢水的吸附量隨含鎘廢水的初始濃度的升高而增大；隨溫度的升高D401對含鎘廢水的吸附量呈上升趨勢；D401對含鎘廢水的吸附符合Freundlich等溫模型；D401對Cd吸附速率的主要控制步驟為顆粒內擴散控制。該樹脂吸附操作簡單，易再生，不產生二次污染，有望用于含Cd2+廢水的治理。關鍵詞：鎘離子廢水；吸附;D401樹脂TheResearchonAdsorptionofCd2+WastewaterwithD401resinLI-WeiSupervisor：PENGQing-jing(CollegeofBiologyandEnvironmentalScience，JishouUniversity，Jishou416000)Abstract:Withthestaticexperiments，D401andD405732resinadsorptioncapacityByusingsimulationofwastewatercontainingcadmium,lawofadsorptionofCd2+wastewaterwithD401resin，undergivenconditions，suchasactivatedcarbonmass,adsorptiontemperature，adsorptiontime，andpHvaluewerestudied.TheresultindicatedthattheadsorptioncapacityofCd2+wastewaterbyD401resinincreasedwithincreaseoftheinitialconcentrationofCd2+wastewateranditdecreasedwithriseofthetemperature.TheadsorptivecapacityofCd2+wastewaterbyD401resinobeyedtheFreundlichisothermal.TheadsorptionofCd2+ontheresinwasanendothermicprocess.Theresincanbeusedinwastewatertreatment.Keywords：D401resin;Cd2+wastewater;adsorption前言鎘是一種對人體有害的元素，在自然界多數(shù)以化合態(tài)存在，它可以通過食物鏈在人體蓄積，或者直接作用于人體而引發(fā)急、慢性鎘中毒。急性鎘中毒主要表現(xiàn)為發(fā)熱、咳嗽、乏力、胸悶、肢體酸痛等[1]；慢性鎘中毒主要表現(xiàn)為尿鎘升高，病情繼續(xù)發(fā)展會造成腎臟、肝臟及肺部損害，并伴有骨質疏松癥和骨質軟化癥。我國和日本[2]都曾經出現(xiàn)過污染區(qū)鎘中毒的情況。鎘對人體的危害已引起了世界各國的重視，各國均制定了相應的國家標準。我國規(guī)定工業(yè)廢水中鎘的最高排放濃度為0.1mg·L-1[3]。含鎘廢水在排放前必須進行處理，以達到排放的要求，避免污染中毒事件的發(fā)生。因此，含鎘廢水的有效處理刻不容緩，研究、開發(fā)高效、經濟的含鎘廢水的處理技術，具有重大的社會、經濟和環(huán)境意義。鎘可作為原料或催化劑用于生產電池、塑料、顏料和試劑；還可作為生產不銹鋼、合金、電視機熒光屏等的原料；另外鎘還是原子核反應堆用控制棒的材料之一[3]。鎘的廣泛應用造成了它的環(huán)境污染，相當數(shù)量的鎘通過廢氣、廢水、廢渣排入環(huán)境。含鎘廢水的來源主要包括金屬礦山的采選，冶煉，醫(yī)藥，陶瓷，無機顏料制造，電鍍，紡織印染及某些照相廢液等。鎘以各種化學形態(tài)存在，在進入環(huán)境或生態(tài)系統(tǒng)后就會存留、積累和遷移，造成對生態(tài)環(huán)境的危害。目前，含鎘廢水的處理主要有化學沉淀法、離子樹脂交換法、電解法、膜分離法、生物法等[4]。化學沉淀法處理含鎘廢水，該法具有工藝簡單、操作方便、經濟實用的優(yōu)點，特別適用于鎘離子濃度較高的水體中鎘的去除廢水中的大部分鎘離子，但不能將鎘回收利用，沉渣的堆放會造成二次污染，很難達到綠色環(huán)保的要求，有待進一步解決。電解法處理含鎘廢水，鎘去除率高，可回收利用等優(yōu)點，已應用于廢水的治理，但該法成本比較高，一般經濃縮后再電解經濟效益較好，這也限制了電解法的應用推廣。膜分離法[5]處理含鎘廢水具有分離效率高、耗能低的優(yōu)點，同時可以回收鎘金屬，但膜組件的設計困難，投資也比較高，影響了膜法的應用。生物法處理電鍍廢水具有處理效果好、適應性強、操作控制簡單等優(yōu)勢，有著廣闊的發(fā)展前景，但應用并不廣泛，因為工藝中有許多問題有待解決。離子交換法處理含鎘廢水，因出水水質好[6，7]，可回收有用物質，適用于處理濃度低而廢水量大的含鎘廢水等優(yōu)點，曾得到廣泛的應用。離子交換法應用于含鎘廢水處理的主要功能有:(1)去除重金屬鎘離子，以應對日趨嚴格的排放標準;(2)回收廢水中有價值的金屬鎘;(3)提高水的循環(huán)利用率，節(jié)約日益匱乏的水資源;(4)減少環(huán)境污染[10]。本文以含鎘離子廢水為研究對象，采用D401對該廢水進行處理，研究D401對含鎘廢水的吸附特性。

2儀器和材料2.1藥品氯化鎘；鹽酸；氫氧化鈉；食鹽，（市售）；732型、D401型、D405型，購自江蘇蘇青樹脂公司。2.2實驗儀器等離子體光譜發(fā)射儀(ICP-AES-6300，美國熱電公司)，電子天平（AUY-120型，日本島津公司），數(shù)字酸度計（pH-3C型，上海順鵬科技有限公司），全溫振蕩培養(yǎng)箱（HZQ-F160型，中國.哈爾濱東聯(lián)電子技術有限公司）。3實驗方法3.1鎘含量的測定(1)鎘標準溶液的配制：稱取經150℃干燥2h的基準氯化鎘（優(yōu)級純）1.632g，用二次蒸餾水將其溶解，加入（1+1）硝酸2mL，用去二次蒸餾水定容至500mL，搖勻，其Cd2+濃度為1.000mg/ml。(2)樣品測定：取樹脂吸附后的上清液1mL，用二次蒸餾水稀釋到10ml，與標樣分別進樣，用ICP分析儀進行測量溶液中鎘含量。3.2模擬廢水的配制準確稱取16.32gCdCl2，放入燒杯中用約100mL去離子水溶解后放入250mL容量瓶中，并多次少量用去離子水洗滌燒杯，洗滌水也放入容量瓶中，然后用去離子水稀釋至刻度，配制成含鎘為10g/L的鎘工作液。含鎘模擬廢水用鎘工作液加水并加入適當酸堿調節(jié)劑而成。3.3D401的預處理首先稱取樹脂各加100g，分別加近飽和食鹽水浸泡12h以上；再用去離子水洗3～5次，然后用3%HCl溶液浸泡4h以上，然后用去離子水洗到近中性；最后用3%NaOH溶液浸泡2h以上，然后用去離子水洗到近中性。3.4樹脂的選擇用鎘工作液配制成pH=5、濃度為500mg/L的含鎘廢水，取100mL3份分別放入3個錐形瓶中，并分別加入不同種樹脂2g，在溫度為20℃，轉速為120轉/分下振蕩12h，然后取樣檢測各種樹脂吸附鎘離子的濃度（mg/L）。3.5靜態(tài)吸附平衡實驗3.5.1不同溫度下的靜態(tài)吸附取出部分預處理好的樹脂，用濾紙吸干水份后準確稱取0.2g若干份，分放于250ml的三角瓶中，分別加入100ml含鎘金屬離子初始濃度為100、200、300、400、500、600mg/L的溶液，在一定溫度下恒溫震蕩12h以上，取樣檢測溶液的濃度，并計算出該平衡濃度下的平衡吸附量。據(jù)公式：Qe=V(C0-Ce)/W式中，Qe——平衡吸附量，mg/gV——加入的溶液體積，LC0——初始濃度，mg/LCe——平衡濃度，mg/LW——加入的樹脂質量，g3.5.2pH對平衡吸附量的影響取出部分預處理好的樹脂，用濾紙吸干水份后準確稱取0.2g若干份，分放于250ml的三角瓶中，采用鹽酸溶液和氫氧化鈉溶液調節(jié)水樣的pH值，分別為1，2，3，4，5，然后在一定溫度下恒溫震蕩12h以上，取樣檢測溶液的濃度，并計算出該平衡濃度下的平衡吸附量。3.5.3靜態(tài)吸附動力學實驗取出部分預處理好的樹脂，用濾紙吸干水分后準確稱取0.2g若干份，分放于250ml的三角瓶中，分別加入同體積、同濃度的鎘金屬離子溶液，在恒定溫度下振蕩，在15、30、45、60、75、90min時取樣檢測溶液的濃度，并計算出相對應的吸附量。4結果與分析4.1樹脂的選擇不同樹脂對鎘的吸附情況見下表：表1各種樹脂吸附鎘的比較Table1Theinfluenceofdifferentresinonadsorptivecapacity樹脂類型鎘的平衡濃度（mg/L）平衡吸附量（mg/g）7321.7729.912D4010.03629.998D405420.13.995由表1可知，D401陽離子交換樹脂對鎘的吸附量最大，此時，鎘的平衡濃度最小，表現(xiàn)出的吸附能力最強。因此，用D401陽離子交換樹脂處理含鎘廢水較適合。4.2等溫吸附曲線將不同溫度下不同鎘的平衡濃度對應的吸附量得到吸附等溫曲線如圖1所示。圖1D401樹脂對鎘的吸附等溫線Fig.1.EquilibriumadsorptionisothermsofD405resintoCd2+at40℃and50℃由圖1可知，在同濃度下，D401樹脂對Cd2+的平衡吸附量隨這溫度的升高而增大，這表明吸附為吸熱過程，溫度升高有利于吸附的進行。在工業(yè)應用中，盡量將廢水的溫度升高以提高D401的利用率。在相同溫度的情況下，隨著含鎘廢水濃度的升高，單位質量D401吸附含鎘廢水的吸附量也升高。說明隨著濃度的增加，D401的吸附量越來越接近于飽和吸附量。由Langmuir方程:Q/Qm=ｋ1C/（1+ｋ1得到：1/ｑ=1/（ｋ1·Qm·C)+1/Qm式中：Q——D401的吸附量mg（Cd）/g（D401）；ｋ1——Langmuir平衡常數(shù)；Qm——吸附容量，mg（Cd）/g（D401）（實驗驗證為：126.75）；從圖1數(shù)據(jù)中選取40℃和50℃的數(shù)據(jù)作1/Ce-1/q圖（見圖2），用最小二乘法進行線性回歸，得線性相關系數(shù)R40=0.923,R50＝0.946。相關系數(shù)較小，說明D401樹脂對鎘的吸附不屬于Langmuir吸附類型。由Freundlich方程：得到：lnQ=1/n·lnCe+lnK式中：x——被吸附溶質的質量，mg；m——吸附劑的質量，g;Q——單位質量吸附劑所吸附溶質的質量，mg/g;Ce——達平衡時溶液中溶質的濃度，mg/L。圖2Langmuir擬合等溫線Fig.2.Langmuirisotherm從圖1數(shù)據(jù)中選取40℃和50℃的數(shù)據(jù)作lgCe-lgq圖（見圖3），用最小二乘法進行線性回歸，得線性相關系數(shù)R＝0.993?？梢?，D401樹脂對鎘的吸附屬于Freundlich圖3Freundlich擬合等溫線Fig.3.TheFreundlichisotherm吸附類型。Langmuir吸附理論屬于均勻表面吸附，而Freundlich吸附理論屬于不均勻表面吸附，離子交換樹脂中的功能基團所處位置有差異，因此，對鎘的吸附也有差異，是不均勻的。用最小二乘法對圖3數(shù)據(jù)進行線性回歸得方程為：y40=0.0628x+4.6275y50=0.083x+4.6595從而得到，40℃,50℃時，K40為102.26,K50為105.58，n40為15.92，n50為12.04即40℃，50℃時D401樹脂對鎘的等溫吸附方程為：Q40=102.26Ce1/21.44Q50=105.58Ce1/21.444.3不同pH值的含鎘廢水溶液對吸附量的影響配制相同初始濃度的含鎘溶液，并用鹽酸和氫氧化鈉對溶液進行調節(jié)，用數(shù)字酸度計測量pH值。測定結果如圖4所示。圖4pH值對吸附量的影響Fig.4.TheinfluenceofpHonadsorptivecapacity由圖4可知，在pH<4的范圍內，隨著溶液pH減少，吸附量逐漸減少；當pH>4時，隨pH的增加，吸附量也逐漸減少；pH=4左右，吸附量達到最大為122.6mg/g。這時因為在pH>4的范圍內，隨著溶液中H+的濃度增大，降低了樹脂中可交換基團的解離度，減少來了H+與Cd2+之間的交換量，從而吸附量減少;同時溶液中的H+濃度增大降低了Cd2+與功能基團形成的配位物的穩(wěn)定性，使一部分Cd2+脫附下來，因此吸附量減少。當pH>4的范圍內，Cd2+在水中會逐步發(fā)生水解反應，隨這pH的繼續(xù)增大，會形成Cd（OH）2沉淀，因而pH>4的范圍內，吸附量隨這溶液中pH的增加而減少。因此最佳的吸附pH在4左右的時候。在pH<4的范圍內，隨這溶液中H+的濃度增大，降低了樹脂中可交換基團的解離度。因此，當pH在1左右時可進行樹脂的解析。4.4D401的加入量對吸附量的影響D401的加入量對含鎘廢水中鎘的吸附量的影響見圖5。圖5樹脂的加入量對平衡濃度的影響Fig.5.TheinfluenceofD401resinmassonratioofremoval圖6樹脂的加入量對吸附量的影響Fig.6.TheinfluenceofD401resinmassonratioofchroma由圖5可知，D401樹脂加入量越多，其對廢水中鎘的處理效果越好。但是，隨著D401樹脂加入量的增多，單位質量D401樹脂吸附鎘的量就減少，D401樹脂的利用率降低（由圖6可看出）。在100mL100mg/L的含鎘溶液中，加0.15g左右D401樹脂接近飽和。在實際應用中，應該注意D401樹脂的用量，根據(jù)需要處理的廢水濃度加入最合適的炭量，以節(jié)省材料。4.5靜態(tài)吸附動力學分析吸附時間對D401的吸附量影響如圖7所示圖7時間對吸附量的影響Fig.7.Theinfluenceoftimeonadsorptivecapacity由圖7可知，隨這時間的延長，D401樹脂的吸附量逐漸增大。根據(jù)圖7時間對吸附量的影響，采用液膜擴散[8]和顆粒內擴散[9]分別吸附動力學數(shù)據(jù)進行擬合，方程如下：液膜控制方程：F=k1t，顆粒內擴散速率方程1-3(1-F)2/3+2（1-F）=k2t，圖8顆粒內擴散的擬合曲線Fig.8.Correlationlinesofintraparticlediffusion圖9液膜擴散擬合曲線Fig.9.Correlationlinesofliquidfilmdiffusion由圖8，9可知，顆粒內擴散擬合曲線的線性關系最好，表明顆粒內擴散為D401對鎘吸附速率的主要控制步驟。5.結論實驗結果表明：（1）在常溫下，用D401處理含鎘100mg/L的廢水，20℃振蕩12h，加入的D401樹脂量以0.15g/L為宜。（2）由圖2，3可知，F(xiàn)reundlich等溫吸附方程能很好地描述鎘在樹脂上的吸附過程。（3）在pH為4左右時，吸附量最大；在pH在1左右時，可進行樹脂的解析。（4）D401樹脂對Cd2+的平衡吸附量隨這溫度的升高而增大，這表明吸附為吸熱過程，溫度升高有利于吸附的進行。（5）隨這時間的延長，D401樹脂的吸附量逐漸增大。顆粒內擴散為D401對鎘吸附速率的主要控制步驟。D401對Cd2+的吸附性能良好，吸附過程容易進行，重復使用性好，且具有操作簡單、不會產生二次污染等特點。因此，D401可作為一種較為好的吸附劑用于含鎘廢水的處理。參考文獻：[1]梅光良.重金屬廢水的危害及治理.微量元素與健康研究，2004，[2]王璞.閔小波，柴立元.含鎘廢水處理現(xiàn)狀及其生物處理技術的進展[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2006，32(8):14~17.[3]汪大.徐新華，宋爽.工業(yè)廢水中專項污染物處理手冊.北京:化學工業(yè)出版社，2000.61~61[4]車榮睿.離子交換法在治理含鎘廢水中的應用[J].離子交換與用，1993，9(3):276-282.[5]陳惠國.論電鍍廢水治理技術發(fā)展動態(tài)[J].電鍍與環(huán)保,2001,21(3):32.[6]馮得福.鎘污染與防治.沈陽化工.2001.1.[7]張玉梅.含鎘廢水處理的試驗研究[J].環(huán)境工程，1995，13(1):15-20.[8]馬紅梅，朱志良，張榮華，等.弱堿性環(huán)氧陰D401去除