电去离子技术浓缩分离含Ni及Cu离子废水的研究

摘要

重金属废水是对环境污染最严重和对人类危害最大的工业废水之一,若直接排放,不仅严重污染环境,且造成了资源的浪费。电去离子(EDI)技术作为一种清洁高效的新型膜分离技术,可深度去除并回收废水中的离子态物质。现有的研究已证明了EDI处理低浓度重金属废水的可行性,但却无法彻底避免过程中的重金属氢氧化物沉淀,装置运行的稳定性有待提高。由此,本文对EDI处理含Ni2+及Cu2+离子废水进行了一系列的研究。
　　 首先,通过在电去离子(EDI)装置的淡化室和浓缩室中同时填充离子交换树脂而构成频繁倒极电去离子(EDIR)过程,用以解决处理含重金属离子溶液时EDI内部易产生金属氢氧化物结垢的关键难题。研究表明,采用浓水部分循环和浓、淡水流分步切换的运行工艺,利用EDIR单一过程,同步获得了淡化出水的高截留率和浓缩产品水的高浓缩倍数。倒极周期为4h可获最佳分离效果。对于含Ni2+离子50mg·L-1,pH为3的Ni2SO4溶液,EDIR的淡水出水和浓水出水的Ni2+浓度可分别达到1.5mg·L-1和3961mg·L-1,淡水中Ni2+的脱除率为97％,浓水的浓缩倍数则为79.2,接近理论值。
　　 其次,采用浓水室填充树脂的强化电去离子(EDI)及其集成过程对含镍废水进行了分级浓缩与纯化,重点考查了一级EDI浓水室中树脂比例对其分离性能的影响。结果表明,浓水室中阴阳树脂体积比为6:4时可获得最佳分离性能。浓缩产品水中Ni2+浓度可高达11171mg·L-1,单级浓缩倍数超过220,利于回收利用；淡化出水中Ni2+离子浓度则为2.78mg·L-1。在此基础上,采用二级EDI对一级EDI淡水作深度纯化。二级淡化出水电阻率不低于1.6MΩ·cm,达到纯水回用标准。
　　 最后分别考察了膜堆电压、离子交换树脂、淡水室隔板厚度、原水浓度及组分对膜堆分离性能的影响。结果表明,膜堆电压为15V增强传质模式下运行时,在获得较好的出水水质的前提下能耗最低。对于含Ni2+离子50mg·L-1的EDI过程,颗粒扩散控制(PDC)对离子传递具有重要影响,填充含水率较高的D072/D296树脂时,可获得最佳的分离性能。在一定电压下,原水浓度不宜过高,否则EDI的深度净化优势很难得到体现,产水水质会有较大幅度的降低。当原水浓度为50mg·L-1,淡水室隔板为3mm时最有利于膜堆的传质；原水同时含Ni2+离子及Cu2+离子时,树脂对Ni2+离子的亲合力大于Cu2+离子,但其迁移能力小于Cu2+离子。
　　 本文首次提出了倒极电去离子工艺及分级EDI过程,同步实现了重金属离子的高效浓缩与淡水的纯化,为重金属废水的零排放与资源化提供了新的技术路径。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

第一节 重金属废水的来源及危害

第二节 重金属废水处理的现状及发展趋势

1.2.1 化学沉淀法

1.2.2 物理处理法

1.2.3 生物处理法

第三节 电去离子技术处理低浓度重金属废水的研究进展

1.3.1 概述

1.3.2 电去离子技术处理低浓度重金属废水的研究进展

第四节 本文主要研究内容

1.4.1 可行性分析

1.4.2 研究内容

1.4.3 研究目标

第二章 实验设计与分析方法

第一节 实验装置与流程

2.1.1 膜堆材料

2.1.2 膜堆构型

2.1.3 工艺流程

第二节 实验材料与仪器

2.2.1 离子交换树脂

2.2.2 离子交换膜

2.2.3 实验试剂

2.2.4 实验仪器

第三节 水质分析与检测

2.3.1 常规检测

2.3.2 Ni2+及Cu2+离子浓度的检测

2.3.3 检测方法

2.3.4 分离性能评价

第三章 倒极电去离子(EDIR)工艺研究

第一节 EDIR工作电压

第二节 倒极周期对膜堆分离性能的影响

3.2.1 倒极周期的确定

3.2.2 倒极周期对膜堆电流影响

3.2.3 倒极周期对浓淡水出水pH的影响

3.2.4 倒极周期对Ni2+分离性能性能的影响

第三节 水流切换工艺的优化

本章小结

第四章 两级电去离子集成工艺研究

第一节 膜堆工作电压

第二节 一级EDI浓缩室树脂比例的优化

4.2.1 浓缩室树脂比对膜堆电流的影响

4.2.2 浓缩室树脂比对浓淡水出水pH的影响

4.2.3 浓缩室树脂比对Ni2+分离性能性能的影响

第三节 二级EDI深度淡化

本章小结

第五章 EDI分离性能影响因素的研究

第一节 膜堆电压对EDI过程的影响

5.1.1 电压对膜堆电流的影响

5.1.2 电压对膜堆出水Ni2+离子浓度的影响

第二节 离子交换树脂对EDI分离性能的影响

5.2.1 树脂性能的测定

5.2.2 树脂对EDI分离性能的影响

第三节 隔板厚度对EDI分离性能的影响

5.3.1 隔板厚度对膜堆电流的影响

5.3.2 隔板厚度对膜堆出水Ni2+离子浓度的影响

第四节 原水浓度对EDI分离性能的影响

5.4.1 原水浓度对膜堆电流的影响

5.4.2 原水Ni2+离子浓度对出水Ni2+浓度的影响

第五节 原水铜镍双组分对EDI分离性能的影响

5.5.1 离子的选择性吸附

5.5.2 原水组分对膜堆分离性能的影响

本章小结

第六章 结论与建议

第一节 结论

第二节 本研究的创新点

第三节 相关建议

参考文献

致谢

在学期间参与科研项目及发表论文情况