基于Donnan渗析的阴离子交换膜分离去除饮用水中Cr(Ⅵ)的研究

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由于工业含铬废水的未达标排放和铬渣的不当处置,致使我国部分地区的饮用水源受到不同程度的Cr(Ⅵ)污染。本课题基于Donnan渗析原理,研究了各实验条件对阴离子交换膜分离去除饮用水中的Cr(Ⅵ)的影响,并通过正交实验确定了Cr(Ⅵ)分离的最佳实验条件,同时在改进分离装置的基础上构建了阴离子交换膜化学反应器以实现Cr(Ⅵ)去除的长周期迁移与彻底去除。实验所用阴离子交换膜的交换容量为1.65mmol/g(干膜),含水率为44.08%,固定基团浓度为3.74meq/g水。阴离子交换膜使用前需在0.1mol/L NaCl溶液中浸泡24h,以提高Cr(Ⅵ)的分离效果。分离实验结果表明:实验水温由10℃升高至25℃时,Cr(Ⅵ)的分离效果有了较大的提高,而继续升高至40℃,分离效果略有改善,后续实验水温确定为25℃。当搅拌速度大于500r/min时,离子交换膜边界层的传质阻力相对于膜内传质阻力则可忽略不计,后续实验搅拌速度确定为500r/min。驱动离子宜选择单价且水合半径小的Cl-,同时由于同离子对分离效果无影响,受体液宜为相对廉价和常见的NaCl溶液。随着受体液浓度的增大,给体池中Cr(Ⅵ)的分离去除率变化不大,但离子通量显著增大;当其浓度大于0.100mol/L后,再增加受体液浓度对Cr(Ⅵ)分离的影响不大。随着给体液Cr(Ⅵ)初始浓度的增大,给体池中Cr(Ⅵ)的分离去除变化不大,但离子通量的显著增大。Cr(Ⅵ)在强酸性条件下的分离效果较差,而其在饮用水常规pH值(6.5~8.5)范围内均能得到较好的分离效果。给体液的进水流速越大,给体池中Cr(Ⅵ)的分离去除率越低,但离子通量增大。给体液中共存离子对Cr(Ⅵ)的分离效果的不利影响由大到小依次为:HPO42->SO42->NO3->Cl-;且各共存离子浓度越大时,其与Cr(Ⅵ)对膜内固定基团的竞争作用俞强;实际饮用水中背景组分对Cr(Ⅵ)分离的影响不大。正交实验所得最佳分离条件为受体液为NaCl溶液,受体液浓度为0.1mol/L,给体液进水流速1.0mL/min。通过增加阴离子交换膜接触面积对原分离装置进行改进,改进分离装置在Cr(Ⅵ)的分离、富集以及初始Cr(Ⅵ)浓度波动时的分离效果等方面均优于原分离装置。后续实验则采用改进分离装置和化学反应池来构建阴离子交换膜化学反应器。其中化学处理方法采用硫酸亚铁还原沉淀法,硫酸亚铁/Cr(Ⅵ)的最佳投加质量比为20,建议采用连续投加的方式。该技术能够实现Cr(Ⅵ)达标去除,且较适用于中小型水处理。
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