阳离子交换膜化学反应器分离去除水中重金属离子的方法

摘要

一种阳离子交换膜化学反应器分离去除水中重金属离子的方法，它利用阳离子交换膜的选择透过性，使给体池中待处理的重金属离子在不外加膜压或电场的条件下通过阳离子交换膜而进入受体池中，然后流入化学反应室，经化学沉淀后，实现将水中待处理的重金属离子分离去除的目的，沉淀池上清液回流至受体池中循环使用。该方法是在不外加膜压或电场的条件下进行的，能耗低；加入的化学药剂未与给体池溶液相接触，有效地防止二次污染；补偿离子溶液循环使用，减少了药剂的消耗，处理成本低；此外，该方法还具有分离去除水中重金属离子效果好、操作简单方便、便于成套化制作等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及去除水中重金属离子的方法，进一步是指用阳离子交换膜化学反应器(Cation Ion Exchange Membrane Cnemoreactor，即CIEMC)分离去除水中重金属离子的方法。

背景技术

在饮用水源(地表水和地下水)及工业废水中存在铁、锰、锑、铜、汞等多种重金属离子，由于重金属对人体及环境的危害性，世界各国颁布的各类水质标准均对重金属离子的含量有严格的限制。

去除水中重金属离子的方法一般有：化学沉淀法、混凝法、离子交换树脂法、吸附法、生物法等。化学沉淀法即把重金属离子转变成难溶于水的氢氧化物或硫化物等盐类后进行沉淀去除，但加入的化学药剂会使水中引入新的杂质；混凝法是通过投加混凝剂来形成絮体并利用絮体吸附去除这些重金属离子，该法需要消耗大量的混凝剂，成本较高，且对某些离子的去除效果不够理想；离子交换树脂法采用离子交换树脂将溶于水中的离子交换到树脂中，以此去除或者回收重金属离子，但离子交换树脂价格较贵，再生需消耗大量药剂；吸附法已广泛应用于重金属离子的去除，但吸附法仅将重金属离子从液相转移到固相中，且吸附剂需再生；生物法利用微生物在生长过程中对某些重金属的富集来达到将其从水中去除的目的，但生物法需要进行生物的引种、培养以及营养物质补给，运行操作不便，并且当重金属离子浓度较高时，会对生物产生毒副作用，引起生物反应效率降低甚至失效。

由此可见，现有的去除水中重金属离子的方法均存在一定的局限，探索高效、低能耗的去除水中重金属离子的方法，已受到国内外许多学者的关注。

发明内容

本发明的目的是，针对现有去除水中重金属离子方法存在的局限性，提出一种阳离子交换膜化学反应器分离去除水中重金属离子的方法，该方法具有分离去除水中重金属离子效果好、能耗低、无二次污染、处理成本低、操作简单方便、便于成套化制作等优点。

本发明的技术方案是，所述阳离子交换膜化学反应器分离去除水中重金属离子的方法为：

参见图1，设置给体池1、受体池2和化学反应室4，给体池1与受体池2相邻设置并用阳离子交换膜3隔开(即所述阳离子交换膜3为给体池1与受体池2的一侧公共池壁)，所述化学反应室4由反应池5和沉淀池6组成，反应池5中溶液溢流进入沉淀池6；受体池2出水口经连通管与反应池5进水口相连接，沉淀池6上清液经另一连通管与受体池2进水口相连接；

参见图2，给体池1连续流入原水和连续流出处理水，受体池2连续流入补偿离子溶液和连续出水；原水含有待去除的重金属离子，补偿离子溶液含有浓度远高于待去除重金属离子浓度的补偿离子(一般为K⁺或Na⁺)，对给体池1和受体池2中的溶液实施连续搅动；由于阳离子交换膜3两侧存在化学电势差，根据Donnan dialysis(唐南分离)原理，利用阳离子交换膜3的选择透过性，给体池1中待去除的重金属离子在不外加膜压或电场的条件下通过阳离子交换膜3而进入受体池2中，实现待去除重金属离子从给体池溶液中的分离；

随之，受体池溶液经所述连通管进入化学反应室4的反应池5，通过向该反应池中投加相应化学药剂(如氢氧化钾、碳酸钾或硫化钾等)，使所述待去除的重金属离子形成低溶解度的盐，反应池5中溶液溢流至沉淀池6实现固液分离。沉淀池6底部间歇排泥，以便进一步处理；

沉淀池6中经化学沉淀处理后的溶液(上清液)经另一连通管回流至受体池2中循环使用，以减少补偿离子溶液的消耗。

本发明中，由于待去除的重金属离子通过阳离子交换膜进入受体池是在不外加膜压或电场的条件下进行的，因此能耗低；反应池中添加的化学药剂不会与给体池溶液相接触，有效地防止二次污染；经化学沉淀处理后的溶液回流至受体池中循环使用，减少补偿离子溶液的消耗，使处理成本降低。

由以上可知，本发明为阳离子交换膜化学反应器分离去除水中重金属离子的方法，与现有技术相比，具有能耗低、无二次污染、处理成本低、操作简单方便、便于成套化制作等优点。

附图说明

图1为本发明一种实施例的阳离子交换膜化学反应器基本构成示意图；

图2为给体池和受体池溶液中阳离子交换的原理图。

在图中：

1—给体池，        2—受体池，      3—阳离子交换膜，

4—化学反应室，    5—反应池，      6—沉淀池。

具体实施方式

参见图1至图2，本发明的方法包括：

参见图1，设置给体池1、受体池2和化学反应室4，给体池1与受体池2相邻设置并用阳离子交换膜3隔开(即所述阳离子交换膜3为给体池1与受体池2的一侧公共池壁)，所述化学反应室4由反应池5和沉淀池6组成，反应池5中溶液溢流进入沉淀池6；受体池2出水口经连通管与反应池5进水口相连接，沉淀池6上清液经另一连通管与受体池2进水口相连接；

参见图2，以铜离子的分离去除为例，给体池1一端连续进入含待去除铜离子的原水，另一端连续排出处理水；受体池2连续进入浓度远高于待去除铜离子浓度的补偿离子溶液(KCl溶液或NaCl溶液)；对给体池和受体池中的溶液实施连续搅动。在化学电势差的驱动下，给体池1溶液中的铜离子通过阳离子交换膜3进入受体池2，然后流入化学反应室4中的反应池5(化学反应室4由反应池5和沉淀池6组成)；在反应池5中加入氢氧化钾，使铜离子变成氢氧化铜沉淀，反应池5中溶液溢流入沉淀池6实现固液分离；沉淀池6中的上清液(仍含有较高浓度的补偿离子，但基本不含铜离子)回流至受体池2中循环使用。实验结果表明，当原水中铜离子浓度为10mg/L左右时，通过调整进水流量和补偿离子浓度，在离子交换膜化学反应器运行6小时后，给体池1出水水质稳定，铜离子去除率达到75％-80％。