离子交换树脂在废水处理中的应用

王林江，佟建超

（中海油天津化工研究设计院有限公司，天津 300131）

水资源污染问题在当下已经成为影响到我国民生经济发展的关键问题，而工业废水则是造成水体污染的主要原因之一。废水排放至水体中，会造成水体内和周围土壤重金属含量超标，不仅会影响水体周围居民的日常生活和身体健康，还会为水体附近的生态环境带来巨大负担。离子交换树脂法是常见的工业废水处理方法，对于含汞、铜等重金属的废水处理能够取得显著成效。和其他处理方法相比，离子交换树脂在废水处理中的应用，具有净化程度深、效率高、帮助回收金属等多种优势，在未来水污染治理领域拥有良好的应用前景。

1 离子交换树脂概述

离子交换树脂是一种功能高分子材料，其内部含有离子交换基团。根据交联聚合物品种的不同，可以将离子交换树脂分为酚醛系树脂、苯乙烯系树脂、环氧系树脂等。以离子交换树脂包含官能团的性质作为划分依据，则离子交换树脂分为强酸型、强碱型、弱酸型、弱碱型、螯合型等几类，按照不同的树脂形态将离子交换树脂分成大孔型和凝胶型树脂。此外，离子交换树脂还可以根据用途划分为脱色树脂、水处理树脂、催化树脂等。离子交换树脂功能十分广泛，在废水处理领域，其应用过程中主要体现的是吸附性、交换性等性能。其中大孔离子交换树脂具有抗污染能力强、处理稳定性高、离子交换速度快等多个优点，被广泛应用于工业废水处理。随着我国可持续发展理念的提出，以及一系列环保政策的出台，国家愈发重视工业废水排放问题，排放标准也一再提高，应用离子交换树脂进行废水处理是满足国家发展需求的必然选择。尤其树脂可以再生，且应用起来十分简便，既可以节约原材料使用，还能缩减废水处理流程，同时还可以对部分稀有贵重金属进行处理回收，应用效果十分理想。

2 离子交换树脂在废水处理中的具体应用

2.1 处理含铜废水

在工业废水中，铜废水比较常见，通常产生于矿山、有色金属冶炼、电镀等工业生产加工过程中。铜废水中含有大量的铜离子，这些铜离子会对不同种类生物体造成不同程度的影响和危害，且会随着食物链流动出现富集现象。其中，软体动物及海草对铜离子反应较大，水体中铜离子浓度超过10μg/L便超出了其承担范围。人体对铜离子的摄入也比较敏感，过量铜离子会引发腹痛、呕吐等症状，更严重时会造成人体肝硬化，对人体危害极大。

对于含铜废水处理，传统的处理方法是沉淀铜法，处理过程主要是借助金属的还原性，事先准备一个装有铁屑的流槽，含铜废水通过后铜离子会在铁屑表面被还原为单质铜，可以将沉积在流槽中的铜金属进行处理回收。此种方式适用范围较窄，对于低浓度的铜废水处理效果不明显，只适用于含铜离子浓度较高的废水。离子交换树脂也能够在含铜废水中起到良好的处理效果，不少学者对此方法展开研究，本文对其中几进行作简单介绍：

（1）氨基磷酸螯合树脂。与其他螯合树脂相比，氨基磷酸螯合树脂具有更强的吸附功能，这是因为氨基磷酸螯合树脂属于钠离子型螯合树脂，与氢离子型螯合树脂相比，对废水中铜离子的吸附性提高近30%。此外，氨基磷酸螯合树脂处理废水使用的装置比较简单，很容易操作使用，经实践证明经氨基磷酸螯合树脂处理后的铜废水中，铜离子浓度可下降至不超过0.15mg/L。

（2）含醚键离子交换树脂。含醚键离子交换树脂由苯氧基乙酸和甲醛为原料合成，对铜废水能够起到良好处理效果，但应用过程中应用效果会受到溶液温度、酸碱性的影响。研究人员通过对含醚键离子交换树脂吸附性的深入分析，得出的结论是含醚键离子交换树脂在含铜废水处理中的最佳应用条件：水溶液温度为25℃，pH为4.5，在此条件下含醚键离子交换树脂的吸附性最强，饱和吸附量能够达到约2.3mol/kg，去除率高达97%。

（3）大孔强酸型离子交换树脂。与其他树脂相比，大孔强酸型离子交换树脂在铜废水中的应用效果最稳定，树脂溶胀率偏低，且离子交换容量较大。经大孔强酸型离子交换树脂处理后的铜废水中，铜离子浓度可低至0.1μg/mL，应用效果十分明显，因此常用于含铜废水处理。

2.2 处理含汞废水

当工业含汞废水大量排入自然水体后，水体中含汞浓度严重超标，这些汞由浮游生物摄入体内后，经食物链流动会被大量鱼类吞食，在鱼类体内呈富集状态。水体受到汞污染后，鱼类体内含汞量远远超过0.2×10-6，会引发汞中毒。人体进食汞中毒鱼类后，会出现四肢麻痹、情绪失控等症状，更严重时会造成中枢神经系统损伤，甚至失明残疾。

对于含汞废水处理，传统的处理方式为硫化钠-明矾化学凝聚沉淀法，这种方法属于对废水的二级处理。含汞废水中含有大量有机汞、无机汞和金属汞，成分十分复杂，因此在使用硫化钠-明矾化学凝聚沉淀法对含汞废水进行处理时，难以控制好硫酸钠的准确用量以及酸化pH，经此方法处理后的汞废水中汞浓度依旧处于0.05～0.5mg/L，处理效果不够明显，难以达到废水排放标准。针对这一情况，含汞废水处理大多会选择应用离子交换树脂法，同属于二级处理系统的离子交换树脂法除汞，具有稳定性强、封闭循环、经济性强等明显优势，经此方法处理后的含汞废水，不仅水体中含汞量能够达到排放标准，水体颜色也会经脱色处理变得清澈透明。其中，大孔巯基离子交换树脂对含汞废水处理效果极佳，树脂上的巯基具有较强的吸附性，将经树脂吸附在表面的汞离子通过浓盐酸洗脱后，可以对其进行处理回收。经大孔巯基离子交换树脂处理后的含汞废水中汞含量可以低至0.05mg/L，由此可见处理效果非常理想。

2.3 处理含铬废水

在含铬废水中，铬离子通常以两种形式存在，其中六价铬离子的毒性要超出三价铬离子约100倍，排入水体后会对水体及周边环境造成极大的危害。含铬废水主要由矿石加工、金属处理、皮革制造等行业生产加工过程中排放，由于含铬废水对生态环境危害较大，甚至会威胁到周边居民的身体健康，国家对其排放有严格规定，只有含铬量不超过0.05mg/L的废水才可以排放至自然水体中。

对于含铬废水处理，传统的处理方法有混凝沉淀法、电解法等，其中混凝沉淀法通常被用于pH较高的含铬废水中，能够对六价铬离子进行部分去除，但此种方法在应用过程中会混凝沉淀形成污泥，沉积在水体中造成二次污染，因此不推荐使用。离子交换树脂在含铬废水处理中的应用，在国外比较广泛，其中大孔弱酸离子交换树脂效果显著，具有较强的抵抗有机污染能力，其应用过程中机械破损也相对较少。强酸阳离子交换树脂可以对废水中的金属铬和镉起到良好的处理回收作用，废水中的三价铬离子可以使用螯合树脂去除，六价铬离子可以使用二甲基离子交换树脂进行处理。近些年，国内对于离子交换树脂在含铬废水处理中的应用也展开了一系列研究，其中经实践证实阴离子交换树脂对于含铬浓度较高的废水，能够达到理想处理效果。研究人员通过对处理过程中各项影响条件的观察发现，离子交换树脂能够有效去除含铬废水中毒性较强的六价铬，处理效果十分明显。

2.4 处理含酚废水

大多数含酚废水通常由煤矿、石油等工业生产加工过程中排放，酚对动植物和人体健康危害极大，含酚废水会对自然水域造成严重污染。与此同时，酚作为一种用途广泛的有机试剂，十分贵重，因此根据国家环保政策和可持续发展政策要求，含酚废水必须经过科学的处理回收后，才能排入自然水域中。常用的含酚废水处理方法较多，包括生物滤池法、活性污泥法、离子交换法等，其中离子交换树脂的应用效果极佳。大孔吸附树脂能够在含高浓度酚的废水处理中，体现较强的吸附性能和脱附性能，应用过程中对酚的吸附量高达600mg/L，对酚的回收率高达96%。大孔吸附树脂可以多次使用，再生性较强，吸附性能不会因多次利用受到较大影响，具有较强的经济性。

经多次实践证实，大孔吸附树脂CHA-111对于含酚废水的吸附性和脱附性远超于美国AmberhteXAD-2，以及国产的X-5，有良好的应用前景。弱碱离子交换树脂在含酚废水中的应用，具有设备操作简单、处理成本低、处理效果明显等优势，且弱碱离子交换树脂再生性较强，可以重复使用，能够减少资源浪费，属于比较理想的含酚废水处理方法。阴离子交换树脂也可以去除废水中的酚，适用于含酚量在100～600mg/L的废水处理，不仅可以回收部分酚，还能净化水质。研究人员在对几种树脂进行同条件下检测后发现，大孔树脂对酚的吸附性最佳，且应用效果十分稳定，解析也十分彻底，因此大孔树脂最适合用于含酚废水的处理。

2.5 处理含氰废水

含氰废水主要由金属冶炼、电镀、制革、选矿等行业生产加工过程中排放。含氰废水中的氰化物属于剧毒物质，人体摄入后会迅速和体内高铁细胞色素酶结合，影响氧气运输，引发组织窒息，严重威胁到人类的生命安全。与此同时，氰化物还属于二类污染物，不经处理排放至自然水域中会污染水源、损害农田，对水体附近的生态环境造成严重破坏。通常情况下，含氰废水的主要成分有络合氰化物和简单氰化物两种，其中络合氰化物的毒性相对较弱，但锌氰和镉氰络合物溶液对鱼类会造成较大危害，铁氰络合物在一般情况下毒性不太明显，但若经阳光直射会发生光解反应，光解产生的HCN是剧毒物质。

对于含氰废水处理，传统的处理方式包括二氧化硫-空气法、氯氧化法、酸化回收法等，这些处理方法通常成本较高、设备操作烦琐，不仅对含氰废水处理效果不明显，还可能生成沉淀物造成水体的二次污染，因此传统的含氰废水处理方法难以满足当下国家环保政策和可持续发展政策要求，推广应用受到限制。对此，研究人员通过探索研究，确定离子交换树脂也能够在含氰废水处理中达到良好的应用效果。其中，阴离子交换树脂LSD-263效果极佳，适用于低浓度含氰废水处理，经其处理后的含氰废水中氰含量可低至1.04mg/L。但是由于阴离子交换树脂饱和吸附容量有限，因此不适用于高浓度含氰废水的处理，高浓度含氰废水对树脂的用量、再生频率要求较高，而在高浓度废水中，阴离子交换树脂会迅速达到饱和状态，因此阴离子交换树脂法并不适配高浓度的含氰废水处理。我国化工行业还在不断发展，研究人员一直在研究开发具有高饱和吸附容量的离子交换树脂，处理稳定性和处理效果也在不断提升，在未来拥有广阔的发展空间。

3 结束语

经实践证实，传统的废水处理方法大多存在处理成本高、效果不明显、造成二次污染等不足之处，针对这些问题，离子交换树脂在废水处理中的应用具有明显优势。且近几年，离子交换树脂已经在废水处理领域被广泛应用，因此有大量宝贵的经验值得借鉴，此方法的应用不仅可以通过离子交换起到良好的废水处理效果，还具备一定的回收功能，能够回收处理废水中的金属元素，在保护环境的基础上，还能产生一定的经济效益。但是离子交换树脂法也存在一些问题，如树脂中毒、再生、老化等问题，还需对此方法进行不断研究，有针对性地改良优化，使其在废水处理领域拥有更广阔的发展空间。