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酸洗废水不仅具有强酸性,而且含有多种重金属(Cu、Ni、Co等)离子及高浓度亚铁离子,来源广、总量大、风险高。常规处理技术面临药耗量大、危废量大、二次污染和资源浪费等诸多难题,而常规吸附分离材料的耐酸性差且吸附量和选择性不足。因此,创新研发适于强酸废水中重金属离子高效、高选择性分离去除的新材料和新技术具有紧迫性和重要性。吡啶基螯合树脂具有耐酸性好、选择性高等优势。本研究首次采用两步法(胺化+吡啶化),成功改性、优化丙烯酸系树脂,自主制备出系列胺基吡啶螯合树脂(PABPY)。采用元素分析(EA)、扫描电镜(SEM)、孔径分布(PSD)、红外光谱(FTIR)和X射线光电子能谱(XPS)等定性定量表征功能基及含量等理化结构。系统分析比较了强酸无铁和强酸高铁条件下,铜、镍、钴三种典型重金属离子在PABPY上的单、双、多组分静态和动态分离去除规律,揭示了典型重金属离子的选择性分离行为机制,并针对实际酸洗废水开发了多级优化调控、梯级分质回收集成工艺。强酸无铁条件下,PABPY对单组分重金属的吸附量均随pH升高而增大直至趋于平缓,且在相同pH下,重金属的吸附量均遵循一致性规律:Cu(Ⅱ)>Ni(Ⅱ)>Co(Ⅱ)>Fe(Ⅱ)。进一步确定了 Cu(Ⅱ)/Ni(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)/Co(Ⅱ)和 Co(Ⅱ)/Fe(Ⅱ)选择性分离的最优化pH分别约为1、2和2.5。在优选pH、温度298K时,PABPY对Cu(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)、Co(Ⅱ)的Langmuir拟合最大饱和吸附量分别为1.54 mmol/g、1.48 mmol/g、0.93 mmol/g。PABPY 对 Cu(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)的最大吸附量较国外商用树脂 M4195、TP220 分别提高了 4.48%～6.73%和 7.07%～1 6.94%,而对 Co(Ⅱ)则比M4195高34.74%、比TP220低5.79%。热力学结果显示该吸附过程为熵推动的自发吸热过程。准二级动力学方程可更好描述吸附过程,与单组分相比,Cu(Ⅱ)/Ni(Ⅱ)和Ni(Ⅱ)/Co(Ⅱ)两种双组分体系中优势组分分别为Cu(Ⅱ)和Ni(Ⅱ),其在PABPY上的拟合平衡吸附量略有下降(分别为3.86%和1.91%),而对M4195、TP220,降幅则分别高达5.08%～8.37%和2.43%～16.57%。三种树脂对上述两种双组分体系的选择性系数均随浓度比升高而增大,且PABPY最大,TP220最小,前者较后者分别提高了 33.67%～155.79%和105.38%～725.00%。双组分动态柱吸附结果显示,上述两种双组分体系中,Cu(Ⅱ)对Ni(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)对Co(Ⅱ)均会产生明显的“替代效应”,因而有利于实现重金属的分离纯化。采用PABPY分离Cu(Ⅱ)/Ni(Ⅱ)双组分,前110BV出水中Ni纯度高达99.9%以上;而对Ni(Ⅱ)/Co(Ⅱ)双组分体系,前65 BV出水中Co纯度高达99.9%以上。分别优选浓度为20%、10%、10%的盐酸,可对吸附Cu(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)、Co(Ⅱ)后的PABPY实现优良再生,而且吸附-再生过程稳定可靠。采用FTIR分析作用前后PABPY的理化结构,并结合密度泛函理论(DFT)分析作用方式,证明重金属离子主要与树脂上的胺基及两个吡啶基形成稳定的双五元环结构。进一步采用能量弥散X-射线光谱(SEM-EDS)、XPS分峰谱图分析并结合预负载行为规律,发现优势组分能完全取代固相负载的非优势组分,这是由于优势重金属离子具有更强的去质子化能力,易使N原子脱氢并发挥配位作用,证明重金属离子不同的去质子化能力是其选择性分离调控的主导机制。不同浓度亚铁对单组分Cu(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)、Co(Ⅱ)在PABPY上吸附量的影响均不显著。强酸高铁条件下,准二级动力学方程表明初始速率常数基本不受高铁影响。Extended Langmuir模型能更好拟合强酸高铁复杂环境中双组分重金属离子的吸附行为,进一步证明PABPY对典型重金属的竞争性仍表现为Cu(Ⅱ)>Ni(Ⅱ)>Co(Ⅱ),且共存高铁对PABPY的重金属分离性能并无显著影响。对比高铁与无铁条件,双组分体系中优势组分的动力学行为基本一致,但高浓度铁改善了其对非优势组分的替换速率,推测是非优势组分与树脂的结合受到了限制。强酸高铁复杂条件下,降低流速可明显改善分离效果,优势组分的穿透点后移且饱和点前移,2.5 BV/h为最优化流速,分别在前200 BV、135 BV、80 BV出水中镍、钴、铁纯度高达99.0%以上,分离效果较5 BV/h和10 BV/h分别提高了14.28%～42.86%和 33.33%～125.00%。在上述理论研究基础上,以PABPY为核心,自主设计多级调控、分质回收酸洗废水中典型重金属的集成技术(国家发明专利申请号:201710538695.2)。在确保分离效果下(出水纯度>99.0%),5 BV/h时可获得最优化的技术经济性,吨水总费用为32.43元/t/d,较2.5 BV/h、10 BV/h下降12.66%、5.18%。该条件下Cu(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)、Co(Ⅱ)总资源化效益约48.08元/t/d。可见,本研究为酸洗废水中典型重金属离子的选择性分离和分质回收提供了新材料、新工艺。