离子交换膜化学反应器去除水中铬(Ⅵ)和磷酸盐的研究

摘要

水溶性污染物铬(Ⅵ)和磷若超标,会对环境和人体健康产生严重的危害。目前对于水中铬(Ⅵ)去除的研究报道绝大多数是针对工业废水中铬(Ⅵ)的去除,而专门针对饮用水中铬(Ⅵ)去除的研究报道则相对较少。污水处理厂出水中总磷以磷酸盐、聚磷酸盐和有机磷的形式存在,而磷酸盐为主要存在形式,对二沉池出水中磷酸盐进行深度处理对于控制总磷排放含量有着极其重要的意义。本研究通过构建离子交换膜化学反应器,并用于水中铬(Ⅵ)和磷酸盐的去除。
　　阴离子交换膜分离铬(Ⅵ)和磷酸盐试验结果表明,当原水中铬(Ⅵ)初始浓度为1.0mg/L,pH值为6.95左右,补偿溶液NaCl浓度为0.1mol/L,原水和补偿溶液进水流量为2.5mL/min,膜两侧溶液搅拌强度为500r/min,水温为25℃时,阴离子交换膜对铬(Ⅵ)的分离去除率为86.4％,相同试验条件下阴离子交换膜对磷酸盐的分离去除率为84.3%。采用Na2SO4作为补偿溶液时,阴离子交换膜对铬(Ⅵ)和磷酸盐的分离去除率降低,且其对磷酸盐分离效果的影响较大。不同补偿溶液NaCl浓度条件下阴离子交换膜对铬(Ⅵ)和磷酸盐的分离去除率相差不大,但离子通量随NaCl浓度的增加而增大。当原水pH值分别为11.0和3.0时,阴离子交换膜对铬(Ⅵ)和磷酸盐的分离去除率降低。膜两侧溶液搅拌强度和水温增大时,铬(Ⅵ)和磷酸盐的分离效果提高。增加原水进水流量,阴离子交换膜对铬(Ⅵ)和磷酸盐的分离去除率降低。二价共存离子SO42-对铬(Ⅵ)和磷酸盐离子竞争作用大于一价共存离子NO3-和Cl-,共存离子浓度越高,离子交换竞争作用越强。正交试验结果表明,各因素中原水进水流量和补偿溶液种类分别对铬(Ⅵ)和磷酸盐的分离影响最大,其对分离试验结果有显著影响。
　　在最佳分离运行参数条件下,单位时间内化学反应池铬(Ⅵ)和磷酸盐富集含量均随原水初始浓度的增加而增加。铬(Ⅵ)最佳还原剂投加量为FeSO4·7H2O:Cr(Ⅵ)=20:1,可适当过量投加硫酸亚铁,不调节原水pH值。投药量系数增加时,磷酸盐化学沉淀去除效果增加。在3种不同运行方式条件下,离子交换膜化学反应器对铬(Ⅵ)和磷酸盐处理水中浓度均小于或接近于相应的水质标准要求。
　　铬(Ⅵ)和磷酸盐离子交换动力学试验结果表明,阴离子交换膜对铬(Ⅵ)和磷酸盐的饱和交换容量分别为1.59mmol/g(干膜)和0.51mmol/g(干膜)。铬(Ⅵ)和磷酸盐离子交换过程均符合颗粒扩散控制(PDC)动力学模型,增加铬(Ⅵ)和磷酸盐初始浓度和温度,离子交换表观速率常数和颗粒扩散系数增大。铬(Ⅵ)和磷酸盐离子从给体池通过阴离子交换膜至化学反应池的迁移交换过程从宏观上可分为3步,膜采用NaCl溶液浸泡预处理和增加补偿Cl-离子浓度,分别促进铬(Ⅵ)和磷酸盐离子的第1步和第3步迁移交换过程,而铬(Ⅵ)和磷酸盐离子第2步迁移交换过程主要取决于交换离子和阴离子交换膜的基本特性。补偿溶液NaCl浓度增加时,阴离子交换膜内铬(Ⅵ)和磷酸盐含量明显降低。两层膜试验中,铬(Ⅵ)含量基本都分布在膜1内,膜2内铬(Ⅵ)含量较少;补偿溶液NaCl浓度较低和较高时,膜内磷酸盐含量的分布由给体池至化学反应池分别呈递增和递减趋势。原水中存在带电胶体颗粒是造成膜污染的主要原因,阴离子交换膜可采用酸碱化学清洗。
　　离子交换膜化学反应器分离和去除技术在给水、饮用水源铬(Ⅵ)突发性应急处理以及污水中磷酸盐的处理等方面,尤其在有自然咸水可利用的地区,具有潜在的应用价值。

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附表索引

第1章 绪论

1.1 铬(Ⅵ)污染现状及其处理技术

1.2 磷污染现状及其处理技术

1.3 离子交换膜的研究进展

1.4 离子交换动力学模型及其机理

1.5 课题研究内容与意义

第2章 试验材料与方法

2.1 试验材料与仪器

2.2 离子交换膜化学反应器的构建及运行

2.3 试验分析方法

第3章 离子交换膜化学反应器去除铬(Ⅵ)的效果与影响因素

3.1 试验条件与方法

3.2 阴离子交换膜分离铬(Ⅵ)的影响因素研究

3.3 铬(Ⅵ)最佳分离运行参数的确定

3.4 离子交换膜化学反应器去除铬(Ⅵ)的运行效果

3.5 本章小结

第4章 离子交换膜化学反应器去除磷酸盐的效果与影响因素

4.1 试验条件与方法

4.2 阴离子交换膜分离磷酸盐的影响因素研究

4.3 磷酸盐最佳分离运行参数的确定

4.4 离子交换膜化学反应器去除磷酸盐的运行效果

4.5 本章小结

第5章 铬(Ⅵ)和磷酸盐离子交换动力学与机理以及膜污染研究

5.1 离子交换动力学研究

5.2 铬(Ⅵ)和磷酸盐离子交换机理研究

5.3 离子交换膜污染与清洗

5.4 本章小结

结论与建议

参考文献

致谢

附录A(攻读博士学位期间所发表的学术论文)

附录B(攻读博士学位期间所参与的研究项目)

附录C(攻读博士学位期间所取得的专利和专著)