隨著(zhù)現代工業(yè)的迅速發(fā)展，機械、造紙、冶煉割侄、礦山、電鍍等行業(yè)每年都會(huì )產(chǎn)生處理難度較大的重金屬廢水。將重金屬廢水排入生態(tài)系統中很難被自然環(huán)境中的微生物降解，長(cháng)期分散在自然環(huán)境中會(huì )隨著(zhù)食物鏈不斷在有機體內富集，其毒性會(huì )對周邊植物、動(dòng)物、微生物和人類(lèi)產(chǎn)生永久性傷害"。因此宁脊，科學(xué)、合理、高效地處理含重金屬廢水已經(jīng)成為污水處理領(lǐng)域關(guān)注與研究的重點(diǎn)。離子交換法是處理工業(yè)廢水中重金屬離子的傳統方法，在廢水處理中應用非常廣泛徘篓。離子交換樹(shù)脂是離子交換法中應用的重要材料，是一種具有特殊功能性基團的網(wǎng)狀高分子聚合物，使用離子交換樹(shù)脂處理含重金屬廢水具有價(jià)格低廉、無(wú)毒無(wú)害、設備簡(jiǎn)易、效率較高的特點(diǎn)漂洋，且不會(huì )對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生二次污染，是一種節能、高效的廢水處理技術(shù)裁淫。

1、重金屬廢水的來(lái)源與危害

   據統計，全國大約每年會(huì )產(chǎn)生40Gt廢水，含重金屬廢水的比例占到了60%，石油化工蜻直、醫藥、有機化工等行業(yè)和農業(yè)領(lǐng)域除草劑、殺蟲(chóng)劑的濫用假抄，導致排放到生態(tài)環(huán)境中的有機污染物種類(lèi)與數量持續增長(cháng)，不僅造成了嚴重的資源浪費，也給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)了嚴重污染，對人類(lèi)健康產(chǎn)生威脅利挟。

1.1 廢水中重金屬離子的來(lái)源

   重金屬是密度大于4.5g/cm3的金屬粮彤，包括銅潦噩、鉛、金吓兑、銀、鎘帖渠、汞等大約45種豌谴。自然生態(tài)環(huán)境中的含重金屬廢水來(lái)源主要為電解、礦山、醫藥聋迎、冶煉、電鍍械兽、農藥擎符、顏料、油漆等行業(yè)卫键，其中電鍍業(yè)是重金屬廢水的主要排放源。含重金屬廢水中重金屬的含量、類(lèi)別和形態(tài)與生產(chǎn)企業(yè)類(lèi)別相關(guān)染辞。排入自然界的重金屬很難被微生物降解和破壞，隨著(zhù)時(shí)間的推移，這些重金屬如通過(guò)食物鏈等在生物體內不斷積蓄，達到一定含量后會(huì )對生物體造成許多不良影響予借。

1.2 含重金屬廢水的危害

   工農業(yè)領(lǐng)域排放的含重金屬廢水是造成環(huán)境污染的污染物之一犹撒，即便廢水中重金屬含量較少，也會(huì )不斷積蓄遥妒，對生物造成危害勺蹈。

   重金屬產(chǎn)生的毒性具有持久性，部分重金屬雖然濃度不高，但在微生物的作用下會(huì )與其他物質(zhì)生成有機金屬化合物妙羞，毒性增強，對生物的危害更大腿箩。例如似悍，廢水中的汞排放到自然環(huán)境中，會(huì )在微生物的作用下轉化為毒性更大的甲基汞。

   排放到生態(tài)環(huán)境中的重金屬無(wú)論采取哪種處理方式都難以完全降解，其僅會(huì )發(fā)生化合價(jià)變化濒情，會(huì )在自然環(huán)境中大量富集，這一特點(diǎn)是含重金屬廢水對生態(tài)環(huán)境污染的主要特征。部分重金屬通過(guò)食物鏈等能夠在生物體內不斷富集寂晶，濃度達到單次排放的成千上萬(wàn)倍，導致生物體慢性中毒腾它。有些重金屬在自然界天然水體中即便含量甚微，也會(huì )對其他生物產(chǎn)生毒害盹舞。正常情況下卵题，重金屬在1.0~10mg/L濃度范圍時(shí)會(huì )對生物產(chǎn)生危害，而汞疹辉、鎘等毒性更強的重金屬濃度范圍為0.001~0.1mg/L時(shí)就會(huì )威脅生物健康。

2、離子交換樹(shù)脂概述

   離子交換樹(shù)脂(ion-exchangeresin)是帶有交換離子的活性官能團的網(wǎng)狀高分子聚合物，一般為球形顆粒狀波某。離子交換樹(shù)脂可以分成許多類(lèi)別，其具體分類(lèi)丝仿、骨架結構和基本名稱(chēng)構成離子交換樹(shù)脂的全稱(chēng)。離子交換樹(shù)脂可分為大孔型和凝膠型鉴裹。其中劣挫，大孔型樹(shù)脂結構中有物理孔欧动，其全稱(chēng)帶有大孔，屬于堿性分類(lèi)需要在名稱(chēng)中加“陰”墓造，屬于酸性分類(lèi)需要在名稱(chēng)中加“陽(yáng)”，如大孔弱堿性苯乙烯系陰離子交換樹(shù)脂崩掘。

2.1 離子交換樹(shù)脂的結構

   離子交換樹(shù)脂由碳、氫鞠柄、氮性里、氧届饰、硫等元素組成经芋，分別與高分子聚合物骨架中的可交換離子和功能基連接吞枣，使得離子交換樹(shù)脂的穩定性非常好，不會(huì )溶解于堿、酸和有機溶劑。離子交換樹(shù)脂具有立體網(wǎng)狀結構倾哺，其分子鏈互相纏繞連接呢诞，且分子鏈上擁有帶電荷的功能基劝磅，與電荷相反的離子結合即為反離子。離子交換樹(shù)脂結構中的功能基和骨架是不可以隨意移動(dòng)企拴、變換的稚茅，但在溶液中時(shí)結構中的反離子會(huì )離解并自由移動(dòng)，特定條件下自由移動(dòng)的反離子能夠與環(huán)境中電荷相同的其他反離子互相交換，且其解析或解離過(guò)程可逆，使得樹(shù)脂具備了離子交換的性能。

   分析樹(shù)脂的物理結構可知钝掺，離子交換樹(shù)脂可分為大孔型和凝膠型。其中凝膠型樹(shù)脂處于干燥環(huán)境中時(shí)姨裸，內部結構并沒(méi)有毛細孔米奸，吸水時(shí)發(fā)生膨脹現象胎源，產(chǎn)生顯微孔肴敛，主要功能在于吸附無(wú)機離子次洼，受到孔隙直徑限制双仍，難以對大分子有機物發(fā)揮吸附作用获茬。而大孔型樹(shù)脂內部有非常多的微孔裤唠，結構呈多孔海綿狀劫流，具有多種活性中心将盾，離子交換速度和擴散速度非忱镒矗快，即便樹(shù)脂結構中沒(méi)有交換功能團，也能夠分離和吸附許多物質(zhì)悉抵，在廢水處理中應用十分廣泛对番。

2.2 離子交換的基本原理

   當離子交換樹(shù)脂和溶液接觸時(shí)會(huì )與溶液中的離子發(fā)生交換，雖然樹(shù)脂不會(huì )溶于水溶液体体，但會(huì )形成具有移動(dòng)性質(zhì)的離子層予层，溶液中存在的反離子可以與移動(dòng)離子層中的離子進(jìn)行交換。離子交換過(guò)程遵循以下基本原理核狰。

2.2.1 離子交換平衡原理

   離子交換反應為可逆過(guò)程水寒，發(fā)生在溶液與離子交換樹(shù)脂接觸的界面烛屿，其界面現象與膠體結構相似苗谍，在水溶液中樹(shù)脂會(huì )產(chǎn)生移動(dòng)離子層和固定離子層雙電層，其中反離子是移動(dòng)離子層，而固定離子層是攜帶著(zhù)功能基團的交聯(lián)結構的高分子鏈。如果一定溫度下某一封閉體系中水溶液與離子交換樹(shù)脂同時(shí)存在，則一段時(shí)間后，封閉體系內部會(huì )到達平衡狀態(tài)，倘若體系溫度發(fā)生變化浑季，平衡也隨之發(fā)生變化。

2.2.2 離子交換選擇順序原理

   不同離子交換樹(shù)脂對各種離子有不同的吸附能力，由于反離子和離子交換基團間主要吸引力為靜電引力，因而樹(shù)脂對離子的選擇順序主要依賴(lài)于反離子電勢高低”焕梅。對于化合價(jià)不同的離子而言，其電荷量差異比水合離子半徑差異更大，因此其電勢主要由電荷量決定，即化合價(jià)越高的離子電勢越大。此外，樹(shù)脂交聯(lián)度越高渐限，對不同離子的選擇性差異越大带漆。綜合分析可知，根據表觀(guān)選擇性系數和選擇性系數可以得出樹(shù)脂吸附交換離子的順序，見(jiàn)圖1。

2.2.3 離子交換反應原理

   離子交換樹(shù)脂發(fā)生的離子交換反應即為樹(shù)脂結構上的功能基團結合的反離子與外界環(huán)境中電荷種類(lèi)相同的其他反離子發(fā)生的交換圈盔。根據其反應特點(diǎn)，可分為分解反應殃祖、中和反應、復分解反應和反應性離子交換舵坑。

3探娇、離子交換樹(shù)脂在處理含重金屬廢水中的應用

   離子交換樹(shù)脂在處理含銅蹂匹、鎳、鉻等重金屬的廢水中發(fā)揮著(zhù)非常重要的作用瓣衅，且工藝流程簡(jiǎn)單、處理成本低廉，交換得到的重金屬可以完全回收，同時(shí)樹(shù)脂能夠經(jīng)過(guò)復蘇后繼續使用。因此，離子交換樹(shù)脂在含重金屬廢水處理領(lǐng)域發(fā)展十分迅速铣册，具有重要的應用價(jià)值。

3.1 離子交換樹(shù)脂處理含銅廢水

   礦山、電鍍、電子谬棋、冶煉等行業(yè)運營(yíng)過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生大量含銅廢水余爆，如果廢水中Cu2+濃度超過(guò)一定范圍則對生態(tài)環(huán)境中的各類(lèi)生物產(chǎn)生毒性栽嘴，根據生物體種類(lèi)的差異性產(chǎn)生不同程度的影響。如軟體動(dòng)物和海草等對Cu2+敏感程度較高，水體環(huán)境中Cu2+濃度小于10μg/L才不會(huì )對其產(chǎn)生影響淀衣。進(jìn)入自然環(huán)境中的Cu2+會(huì )通過(guò)食物鏈不斷富集進(jìn)入人體竿赂，當其超過(guò)人體對Cu2+的承載極限時(shí)，會(huì )引起嘔吐旅薄、腹痛，甚至肝硬化等嚴重的健康問(wèn)題。目前舅阅，含Cu2+廢水的處理方法主要為沉淀法:將廢水流過(guò)裝著(zhù)鐵屑的槽鲁森，發(fā)生還原反應，Cu2+被還原為單質(zhì)Cu2+附著(zhù)在鐵屑表面笋籽。但這種方法僅適用于Cu2+濃度高的廢水，對于Cu2+濃度較低的廢水可用離子交換樹(shù)脂處理朱蝠。董建康等利用全氟磺酸離子交換樹(shù)脂中空細管對含銅廢水進(jìn)行處理槽袄，并測定了廢水流速和全氟磺酸離子交換樹(shù)脂中空細管長(cháng)度對Cu2+回收率的影響叔梆，發(fā)現上述樹(shù)脂材料對Cu2+有良好的吸附作用。

3.2 離子交換樹(shù)脂處理含鎳廢水

   鎳屬于我國重要的戰略?xún)浣饘俨牧希婂儭⑷刃袠I(yè)對鎳的需求量非常大仗哨，這些行業(yè)加工生產(chǎn)過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生大量含Ni2+的廢水，如電鍍行業(yè)鍍件漂洗和渡槽廢液中Ni2+濃度非常高，含量占電鍍車(chē)間產(chǎn)生廢水中總鎳的80%以上，如果不經(jīng)過(guò)處理直接排放到自然環(huán)境中，會(huì )嚴重污染土壤、水體等，且其具有致癌性鸿捧，對人類(lèi)健康也有嚴重威脅。此外，鎳的價(jià)格為銅的2~4倍蛉舆，屬于價(jià)格相對昂貴的重金屬材料，如果將其直接排放重我，會(huì )造成貴金屬資源浪費。常見(jiàn)的含Ni2+廢水的處理方式包括鐵氧體法、化學(xué)沉淀法等娶开，但這些方法普遍存在污泥量大、成本較高、處理后廢水中Ni2+濃度不達標等問(wèn)題餐记，因此離子交換樹(shù)脂在處理含鎳廢水方面具有一定優(yōu)勢。杜琦等為提升電鍍廢水中Ni2+去除效率腔畸，選擇了732、D751和CH-90Na三種樹(shù)脂進(jìn)行實(shí)驗甲抖，并探究了溫度、pH和雜質(zhì)離子對吸附效果的影響。綜合分析實(shí)驗結果發(fā)現钢属，三種樹(shù)脂中D751為處理電鍍含Ni2+廢水的最佳樹(shù)脂。

3.3 離子交換樹(shù)脂處理含鉻廢水

   自然環(huán)境中鉻一般以Cr(Ⅲ)和Cr(V)價(jià)態(tài)存在，不同價(jià)態(tài)對生物產(chǎn)生的毒性不同,Cr(VI)的毒性為Cr(Ⅲ)的100倍盐股。電鍍行業(yè)常使用鍍鉻對材料進(jìn)行表面處理，鈍化、鍍件洗漂和渡槽廢液會(huì )產(chǎn)生大量含鉻廢水赘龙，特別是含Cr(V)的廢水。國家對廢水含鉻濃度有非常嚴格的排放標準，《電鍍污染物排放標準》(GB21900-2008)規定廢水中Cr(V)的排放值為0.2mg/L，部分特殊地區排放值為0.1mg/L。處理含鉻廢水的方法主要包括電解法押强、化學(xué)還原法和混凝沉淀法，其中混凝沉淀法發(fā)展已經(jīng)相對成熟，且能夠去除廢水中的Cr(V)，但其會(huì )產(chǎn)生大量污泥显未，對環(huán)境造成二次污染，且并未實(shí)現鉻的資源化利用。唐星星以某塑膠電鍍廠(chǎng)產(chǎn)生的含鉻廢水為研究對象怜杆，綜合了離子交換法和濃縮蒸發(fā)法的優(yōu)勢，利用離子交換-濃縮蒸發(fā)聯(lián)合法處理含鉻廢水祖秒，實(shí)現了以較低成本回收鉻酸酐的目標，具有較高的社會(huì )與經(jīng)濟效益。

4狈醉、結語(yǔ)

   離子交換法是處理重金屬廢水的重要方法之一，具有高效節能、價(jià)格低廉、設備簡(jiǎn)易虑瀑、無(wú)二次污染等優(yōu)勢，已經(jīng)被廣泛用于處理各種重金屬廢水。但其仍然存在樹(shù)脂價(jià)格昂貴、易受接觸時(shí)間或廢水水質(zhì)影響等問(wèn)題澡维，需要研究者從資源化、無(wú)害化方向出發(fā)，不斷提升離子交換樹(shù)脂利用率和重金屬回收率茧纵，實(shí)現對含重金屬廢水的有效處理。