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用強酸性陽離子交換樹脂分離不銹鋼酸洗廢水中的鐵

文檔作者：李菲，趙俊學，馬紅周，曾媛，李小明文檔來源：西安建筑科技大學		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年06月14日
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第30卷第2期(總第118期)
2011年6月
濕法冶金
Hydrometallurgy of China
V01．30 No．2(Sum．118)
June 2011
用強酸性陽離子交換樹脂分離不銹鋼酸洗廢水中的鐵
李菲，趙俊學，馬紅周，曾媛，李小明
(西安建筑科技大學冶金工程學院，陜西西安710055)
摘要：通過靜態(tài)吸附試驗，研究了001×7強酸性陽離子交換樹脂吸附Fe3+的行為，從動力學角度分析了吸附
過程。結(jié)果表明：在298 K下，001×7樹脂對廢水中Fe3+的靜態(tài)飽和吸附容量為65．3 rng／g(干樹脂)；吸附
平衡符合Freundlich等溫吸附式；根據(jù)動邊界模型，顆粒擴散為001×7樹脂吸附Fe”的主要控制步驟，吸附
速率與樹脂性質(zhì)、溫度有關，與攪拌強度無關；用質(zhì)量濃度7．4 g／L的硫酸溶液洗脫負載樹脂，鐵洗脫率達
99．5％，樹脂再生后可重復使用。
關鍵詞：不銹鋼酸洗廢水；強酸性陽離子交換樹脂；鐵；吸附；分離
中圖分類號：X78 文獻標志碼：A 文章編號：1009—2617(2011)02—0155—04
不銹鋼產(chǎn)品生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量廢棄物，其
中酸洗鈍化環(huán)節(jié)產(chǎn)生大量含Cr3卞、Fe3+的酸洗廢
水[1]。對這種酸洗廢水，傳統(tǒng)的化學沉淀填埋
法[2]不僅處理費用高，重要的是不能徹底消除重
金屬離子對環(huán)境的危害13]。離子交換法作為一種
成熟、高效且投資少、無二次污染的分離提純方
法，近年來在醫(yī)藥、化工、電鍍廢水處理及純水制
備方面得到了廣泛應用，而用于處理不銹鋼酸洗
廢水，國內(nèi)還未見有報道。某不銹鋼生產(chǎn)企業(yè)排出
的酸洗廢水中含有大量Fe3+，試驗研究了用001×
7強酸性陽離子交換樹脂吸附分離鐵，目的是為處
理不銹鋼酸洗廢水探尋一種經(jīng)濟可行的方法。
1 試驗部分
1．1 廢水的組成
試驗廢水為模擬某不銹鋼生產(chǎn)公司酸洗鈍化
環(huán)節(jié)產(chǎn)生的酸洗廢水，其中p(Fe3+)一1．8 g／L，
p(HN03)=6．0 g／L，p(HF)一1．2 g／L。
1．2 樹脂的基本特性
001×7樹脂為金黃色球狀透明顆粒，骨架為苯
乙烯系，交換基團為一S03 H，其他理化參數(shù)見表1。
表1 001X7樹脂的基本特性
1．3 試驗方法
1．3．1 樹脂預處理
將樹脂用去離子水浸泡24 h后，用2倍于樹
脂體積的1 mol／L鹽酸溶液浸泡24 h，用去離子
水洗滌至中性；再用2倍于樹脂體積的1 mol／L
的Na0H溶液浸泡24 h，用去離子水洗滌至中
性；最后用2倍于樹脂體積的1 mol／L鹽酸溶液
浸泡24 h，使其轉(zhuǎn)為氫型，用去離子水反復洗滌
至中性，備用[4]。
1．3．2 飽和吸附容量的測定
準確稱取5 mL預處理過的001×7樹脂于
500 mL燒杯中，加入200 mL模擬廢水。室溫
下，用78—1型磁力攪拌器，以150 r／rain的速度攪
拌120 rain后，取吸附后液測定鐵離子質(zhì)量濃度；
收稿日期：2010-06—23
基金項目：陜西省冶金物理化學重點學科建設基金和教育廳專項科研基金(09JK530)資助。
作者簡介：李菲(1986一)。女，河北沙河人，碩士，主要研究方向為冶金資源綜合利用。
通訊聯(lián)系人：趙俊學，男，博士，教授，E-mail：zhaojunxue@soho．corn。
萬方數(shù)據(jù)
· 156 · 濕法冶金2011年6月
然后更換新的模擬廢水重復吸附過程，直到樹脂
吸附飽和為止。
1．3．3 吸附等溫線的確定
取5 mL預處理過的樹脂于500 mL燒杯中，
加入200 mL初始質(zhì)量濃度為too的含鐵廢水，在
室溫下以150 r／rain的速度攪拌120 rain，測定吸
附平衡后尾液中Fe3+質(zhì)量濃度p。，并按式(1)計
算樹脂平衡吸附量，繪制平衡吸附量(q。)與殘余
鐵質(zhì)量濃度的函數(shù)關系曲線[5|。口口e e一墊型， (1) 2“， Ll J
m
式中：V為廢水體積，mL；m為干樹脂質(zhì)量，g。
1．3．4 洗脫
對吸附飽和的樹脂，用去離子水洗滌至中性，
移至錐形瓶中，并加入一定量的不同解吸劑，在室
溫下以150 r／min的速度攪拌120 rain。測定溶
液中鐵的質(zhì)量濃度，以此來確定最佳解析劑濃度，
并計算解析率。
2 結(jié)果與討論
2．1 樹脂飽和吸附容量的測定
按試驗方法進行吸附試驗。以每克干樹脂最
多吸附的鐵離子的質(zhì)量為衡量標準，測定001×7
樹脂的實際工作交換容量，試驗結(jié)果如圖1所示。
連續(xù)3次吸附后，樹脂的平衡吸附量不再變化，計
算得到在該條件下，每克干樹脂對Fe3+的最大靜
態(tài)飽和吸附容量為65．3 mg。
彳、
∞
●
吶
目
、
Qj
圖l 吸附次數(shù)對樹脂吸附量的影響
2．2 吸附等溫線的確定
吸附等溫線是恒定溫度下平衡吸附量與平衡
濃度之間的關系曲線[4]。圖2為298 K下，001×
7樹脂對Fe3+的吸附等溫線。可以看出：隨溶液
中Fe抖質(zhì)量濃度增大，樹脂的平衡吸附量減小，
即增大溶液中Fe3+質(zhì)量濃度反而會降低樹脂吸
附量。考慮到Fe3+在水溶液中是以配合物形式
存在的[6]，F(xiàn)e3十質(zhì)量濃度較低9(Fe3+)T<0．112
g／L)時形成水合鐵離子(FFe(H。O)。]3+)[71，隨
著離子強度或Fe3+質(zhì)量濃度的提高(p(Fe3+)T>
0．112 g／L)，會出現(xiàn)多核羥合配離子[8]：
2EFe(OH)(H20)5]2+車2H20+
[(H20)；Fe(0H)2Fe(H20)4]”， (2)
[(H20)4Fe(0H)2Fe(H20)4]4++
[Fe(OH)2(H20)4]十．---d---4H20+
[(H20)。Fe(OH)2Fe(OH)2Fe(H20)4]5十。
(3)
廢水中，F(xiàn)e3+質(zhì)量濃度為1．8 g／L，鐵離子主
要以羥基水合鐵離子2[-Fe(OH)(H。O)。]2+形式
存在。隨Fe3+質(zhì)量濃度提高，出現(xiàn)二聚羥基水合
鐵離子[(H：O)。Fe(OH)2Fe(H20)。]4十、
[(H。O)。Fe(OH)2Fe(OH)：Fe(H。O)。]5+等配合
物[9]。水合離子半徑增大，與樹脂上反離子交換
的阻力增大，不利于吸附的進行，進而影響樹脂的
交換能力，導致平衡吸附量降低。
f，
∞
邑
＆
圖2 001X7樹脂對鐵的吸附等溫線
對圖2數(shù)據(jù)分別采用Langmiur‘101和Freun—
dlichml等溫吸附方程式進行擬合，結(jié)果見表2，
Freundich線性擬合結(jié)果如圖3所示。
三
。∞
=o
目
<
d
i
圖3 Freundlich吸附等溫線
萬方數(shù)據(jù)
第30卷第2期李菲，等：用強酸性陽離子交換樹脂分離不銹鋼酸洗廢水中的鐵·157·
表2 等溫方程參數(shù)和相關系數(shù)(r)
Langmiur等溫方程Freundlich等溫方程
Langmiur等溫方程式為：
Qo=KLQ。pe／(1+K。．P。)；
Freundlich等溫方程式為：
Q。一Kfpe”，
式中：Q。——實際吸附量，mg／g；Q。——理論最
大吸附量，mg／g；K。——系數(shù)；p。——平衡濃度，
rag／L；K，——對應一定溫度和系統(tǒng)下的常數(shù)。
由表2可知：Freundlich等溫方程對數(shù)據(jù)擬
合的相關性較好，相關系數(shù)較大，且參數(shù)竹>1，表
明001×7樹脂吸附Fe3+是優(yōu)惠吸附[1“。
2．3 吸附速率控制步驟的確定
描述離子交換過程行為的動力學模型[12d41有
擴散模型、動邊界模型、Stefan—Maxwell模型以及
各種經(jīng)驗模型，試驗采用動邊界模型研究001×7
樹脂吸附Fe抖的動力學。依據(jù)離子交換動力學
理論，001×7樹脂對Fe3+的離子交換過程主要由
表面液膜擴散(FDC)、顆粒內(nèi)擴散(PDC)和離子
交換反應步驟構(gòu)成，而其中速度最慢的一步是離
子交換過程的速度控制步驟。動邊界模型的膜擴
散、顆粒擴散控制和化學反應控制方程為[1 5‘：
膜擴散方程：F一生磐￡； “、《，
顆粒擴散方程：
1--3(1--F)z／3+2(1--F)一凳￡一kt； 口Vr
化學反應控制方程：
1～(1--F)1／3一壘叢￡，
r
式中：F——轉(zhuǎn)化率；Q——吸附量，mg／g；n——
液膜厚度，cm；K。——反應速率常數(shù)，cm／s。
通過試驗測定轉(zhuǎn)化率(F)，分別繪制F、1—3
(1一F)2朋+2(1一F)、1一(1一F)“3隨時間t的變
化曲線，結(jié)果如圖4所示。可以看出，3條曲線
中，只有t與1—3(1一F)2舟一2F近似呈直線關
系。由此可以判斷，該離子交換過程受顆粒擴散
控制，因此，其交換速度與樹脂顆粒大小、樹脂性
質(zhì)、交換離子的性質(zhì)及溫度有關。在樹脂～定、待
交換離子一定條件下，提高溫度有利于增大擴散
系數(shù)，從而提高交換速率。交換速度與攪拌強度
無關，增大攪拌速度，對體系傳質(zhì)速率影響不大。
0．35
0．30
O．25
kO·20
O．15
0．10
0．05
0
圖4 離子交換過程曲線
2．4 樹脂的解吸
001×7樹脂是一種以磺酸基(一S0。H)為功
能基團的陽離子交換樹脂，可以用硫酸溶液在
298 K溫度下進行解吸。
依據(jù)單因素試驗優(yōu)選法，在0～10 g／L范圍
內(nèi)以0．618法為原則[163確定解吸劑質(zhì)量濃度，并
在相同條件下進行解吸，得到最優(yōu)值，結(jié)果如圖5
所示。可以看出：解吸劑質(zhì)量濃度為7．4 g／L時，
解吸率達99．5％，樹脂再生后可返回使用。
圖5 解吸劑濃度對解析率的影響
3 結(jié)論
用001×7樹脂可以從不銹鋼酸洗廢水中吸
附分離Fe3+，其飽和吸附量為65．3 mg／g干樹
脂。負載樹脂用硫酸溶液解吸，解析率達99．5％，
解吸后的樹脂可返回使用。
廢水中鐵離子質(zhì)量濃度較大(大于0．112
g／L)時，應適當稀釋，否則不利001×7樹脂的吸
附。001X 7樹脂對鐵的吸附平衡符合Freundli—
ch等溫吸附方程，顆粒擴散是主要控制步驟，吸
附速率與樹脂顆粒大小、性質(zhì)，交換離子的性質(zhì)及
萬方數(shù)據(jù)
·158· 濕法冶金2011年6月
溫度有關，與攪拌速度無關。001×7樹脂對鐵的OUS Solution[J]．Inorg Chem，1989，28(5)：2297—2312．
吸附量較大，易于再生，且相對于其他大孔樹脂其[8]M8m“L R,Hill M W,Tai A F,et a1．The 1。”c8‘81y2ed
價格低廉，是一種較為理想的吸附劑。離子交換：=。io。n；。o。f。。SuHl；fgu。r。in。二：：三裂絮：：：iff講eGrin。g。。E。，ff。eic。：
法工藝簡單，設備投資少，便于操作，是一種處理R。。，。h．1991，96(1 o)：3085—3097．
不銹鋼酸洗廢水的優(yōu)勢技術，有望推廣應用。[9]賴慶柯．酸性Fe。+和氧化亞鐵硫桿菌催化氧化s(VI)的實
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(Ⅲ)-Catalyzed Autoxidation of Sulfur(Ⅳ)Oxides in Aque一
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Separation of Iron From Stainless Steel Pickling Wasterwater by
Strong Acidic Cation Ion。exchange Resin
LI Fei，ZHAO J un-xue，MA Hong—zhou，ZENG Yuan，LI Xiao—ming
(School of Metallurgical Engineering，Xi’an
Xi’an，Shaanxi
University of Architecture&amp;amp;Technology．
710055，China)
Abstract：The adsorption behavior of Fe3十on 001×7 strong—acid cation exchange resin was studied by
static adsorption tests．The kinetics of adsorption process was analyzed．The experimental results
showed that under experimental conditions，the maximal static saturated adsorption capacity of resin
for Fe3十is of 65．3 mg／g(dry resin)at 298 K．The equilibrium adsorption process fits tO Freundlich i—
sotherms．Kinetic analysis results showed that the adsorption rate was mainly governed by rate of dif—
fusion and depends on the resin nature and temperature，rather than stirring rate．Loading resin could
be regenerated using sulfuric acid solution of 7．4 g／L，the elution percentage could reach 99．5％．The
regenerated resin could be reused．
Key words：stainless steel plicking wastewater；strong—acid cation exchange resin；iron；adsorption；sep—

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