專利名稱：離子交換膜滲析協(xié)同化學沉淀脫除水中重金屬的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種脫除水中重金屬的方法，其技術(shù)原理是利用離子交換膜的交換作用，使得水中污染物重金屬離子由濃度高的一側(cè)滲透至濃度低的一側(cè)，濃度低的一側(cè)施加堿性或碳酸鹽或硫化鹽溶液，使得重金屬離子形成難溶性氫氧化物或碳酸鹽類或硫化物得以沉淀去除。
背景技術(shù)：
重金屬離子是水中一類常見污染物。近些年來，特別是由于工業(yè)化的加速發(fā)展使得重金屬向自然界的排放量大大增加，造成了嚴重的水污染。銅、鋅、鉛、鉻、鎳、鎘和汞等重金屬離子是受到嚴格控制的污染物。又由于重金屬污染物在自然環(huán)境中不能自行分解為無害物質(zhì)，而只能發(fā)生形態(tài)的改變或在不同相之間進行轉(zhuǎn)移，在這些過程中其毒性并未得到根本性的消除，若處置稍有不當，重金屬離子會返溶于水中，重新產(chǎn)生危害，形成“二次污染”；生物體從環(huán)境中攝取重金屬，經(jīng)過食物鏈的生物放大作用，逐漸地在較高級的生物體內(nèi)富集起來；重金屬進入人體后能夠和生理高分子物質(zhì)發(fā)生強烈的相互作用而使之失去活性，也可能積累在人體中造成慢性中毒，而這種積累性危害有時需要十多年才顯現(xiàn)出來。因此水中重金屬離子的污染越來越受到人們的重視。當前用于處理含有重金屬離子的廢水的處理方法大致可以分為以下三類(1)化學沉淀法，包括中和沉淀法、硫化物沉淀法、鐵氧體沉淀法、化學還原法、電化學法和高分子法；( 物理處理法，包括吸附法、萃取法、離子交換法、膜分離法、蒸發(fā)和凝固法等；(3)生物處理法，包括生物絮凝法、生物化學法和植物修復法。其中，化學沉淀法操作簡單，但需要對水體進行固液分離，酸堿中和等后續(xù)處理。物理法僅僅是將污染物質(zhì)進行了轉(zhuǎn)移或濃縮， 如膜分離法等需要對濃水進行后續(xù)處理。生物法操作復雜，生物培養(yǎng)程序繁瑣限制了其的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明基于以上技術(shù)背景，建立一種基于離子交換膜滲析協(xié)同化學沉淀脫除水中重金屬的方法，結(jié)合膜分離法和化學沉淀法的優(yōu)點，使水中污染物重金屬離子從濃度高的一側(cè)滲透至濃度低的一側(cè)，在濃度低的一側(cè)添加堿性或碳酸鹽或硫化鹽溶液，使得重金屬離子得以沉淀去除。本發(fā)明的技術(shù)原理是基于膜滲析原理，在濃度差的驅(qū)動下，水中污染物重金屬離子由原水滲透至陽離子交換膜的另一側(cè)，另一側(cè)施加化學藥劑將重金屬離子沉淀去除。本發(fā)明將膜分離和化學沉淀過程有機聯(lián)系在一起，實現(xiàn)了重金屬的膜滲析和沉淀去除同步進行。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案建立離子交換膜分離反應(yīng)器，采用陽離子交換膜將反應(yīng)器有效分隔為兩室，一室為原水室，另一室為反應(yīng)室或吸收室。含重金屬離子的受污水體進入原水室，在濃度差的作用下，重金屬離子向陽離子交換膜的另一側(cè)即反應(yīng)室或吸收室滲析，在反應(yīng)室或吸收室中施加堿性或碳酸鹽或硫化鹽溶液，重金屬離子在該室中得以沉淀去除。由于反應(yīng)室或吸收室中重金屬濃度始終低于原水室，原水室中受污水體重金屬離子可持續(xù)向反應(yīng)室或吸收室滲析直至被沉淀去除完全。本發(fā)明所述的重金屬離子主要包括金、銀、銅、鉛、鋅、鎳、鈷、汞、鎘和錳的氧化態(tài)陽離子。本發(fā)明所述的堿性溶液主要包括氫氧化鈉和氫氧化鉀溶液，碳酸鹽或硫化鹽溶液主要指鉀或鈉的碳酸鹽及硫化鹽溶液，濃度范圍為0. 1-5M。本發(fā)明中，須及時清理化學沉淀產(chǎn)生的沉淀物，否則沉淀物附著在離子交換膜上易影響重金屬離子的遷移效率。另外，沉淀物可用于回收重金屬。本發(fā)明所述的重金屬的脫除方法，可以建立獨立反應(yīng)器，反應(yīng)器主要采用反應(yīng)槽形式，原水室和反應(yīng)室中需要對溶液進行機械或水力攪拌將溶液充分混合，避免離子交換膜表面產(chǎn)生濃差極化等現(xiàn)象。反應(yīng)器采用間歇式操作模式，主要包括充水、沉淀、排水、洗滌等工序，具體是于離子交換膜兩側(cè)同時進水，污水進入原水室，化學吸收液流入反應(yīng)室，原水室中的重金屬離子通過離子交換膜滲析至反應(yīng)室發(fā)生沉淀反應(yīng)，待原水室重金屬濃度降低至排放標準要求時，將原水室水達標排放，此后抽排反應(yīng)室沉淀，采用稀酸溶液清洗離子交換膜和反應(yīng)室內(nèi)壁。若重金屬初始濃度較高，離子交換膜污染嚴重影響處理效果時，可采用強化處理模式， 即在離子交換膜原水側(cè)添加一檔板，當離子交換膜遭受沉淀物污染時，采用檔板擋住原水側(cè)待處理水體，將離子交換膜抽出洗滌，同時抽排反應(yīng)側(cè)底部沉淀底泥，清洗后，插入離子交換膜，抽出檔板，使重金屬離子繼續(xù)向反應(yīng)側(cè)滲析沉淀，直至原水側(cè)重金屬濃度降低達標排放。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的突出優(yōu)勢是結(jié)合了膜分離法和化學沉淀法各自的優(yōu)點，重金屬的膜滲析和沉淀去除同步進行；膜滲析過程驅(qū)動力為濃度差，反應(yīng)器能耗降低； 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單，省略去后續(xù)沉淀池等構(gòu)筑物。同時，由于陽離子交換膜的選擇性分離特性，反應(yīng)側(cè)添加的堿性(或碳酸鹽或硫化鹽)溶液以及沉淀反應(yīng)產(chǎn)生的沉淀物不會擴散至原水室導致原水PH值上升或二次污染，從而避免了化學沉淀法的固液分離，酸堿中和等后續(xù)處理。本發(fā)明結(jié)合了眾多方法的優(yōu)點，反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單，易于操作，具有廣闊的應(yīng)用前景。


圖1離子交換膜滲析協(xié)同化學沉淀脫除水中重金屬反應(yīng)器結(jié)構(gòu)2反應(yīng)器原理圖(以反應(yīng)室添加NaOH溶液為例)附圖標記1原水室；2.原水室檔板；3.陽離子交換膜；4.反應(yīng)室；5.受污水體；6.吸收液； 7.吸泥裝置；8.循環(huán)泵；
具體實施例方式實施例1建立如圖1所示的反應(yīng)系統(tǒng)，離子交換膜采用GEFC-107 (北京金能)，原水室體積300ml，反應(yīng)室體積400ml。原水室中流入含銅離子為20mg/L的模擬污染水樣，反應(yīng)室添加濃度為lmol/L的氫氧化鈉溶液，銅離子通過離子交換膜進入反應(yīng)室而后形成氫氧化銅沉淀，反應(yīng)5小時，原水室中銅離子去除率達到85%。實施例2反應(yīng)器如實施例1，原水室中流入含銅離子為50mg/L的模擬污染水樣，反應(yīng)室添加濃度為2mol/L的氫氧化鈉溶液，銅離子通過離子交換膜進入反應(yīng)室而后形成氫氧化銅沉淀，每反應(yīng)2小時，抽排反應(yīng)室底部沉淀并清洗離子交換膜，反應(yīng)6小時后，原水室中銅離子去除率達到90%。
權(quán)利要求
1.離子交換膜滲析協(xié)同化學沉淀脫除水中重金屬的方法，其特征在于利用離子交換膜的交換作用，使得水中污染物重金屬離子由濃度高的一側(cè)滲析至濃度低的一側(cè)，濃度低的一側(cè)施加堿性或碳酸鹽或硫化鹽溶液，使得重金屬離子形成難溶性氫氧化物或碳酸鹽或硫化鹽得以沉淀去除。
2.根據(jù)權(quán)利1所述的重金屬離子主要包括金、銀、銅、鉛、鋅、鎳、鈷、汞、鎘和錳的氧化態(tài)陽離子。
3.根據(jù)權(quán)利1所述的堿性溶液主要包括氫氧化鈉和氫氧化鉀溶液，碳酸鹽或硫化鹽溶液主要指鉀或鈉的碳酸鹽及硫化鹽溶液，濃度范圍為0. 1-5M。
4.根據(jù)權(quán)利1所述的離子交換膜主要指陽離子交換膜及質(zhì)子交換膜，采用離子交換膜將反應(yīng)器分割成原水室和反應(yīng)室。
5.根據(jù)權(quán)利1所述的脫除水中重金屬的方法，其特征在于須及時清理反應(yīng)室化學沉淀產(chǎn)生的沉淀物，此外，沉淀物可用于回收重金屬。
6.按照權(quán)利1所述的脫除水中重金屬的方法，可建立反應(yīng)器，其操作模式為間歇式，包括充水、沉淀、排水、洗滌等工序，具體是于離子交換膜兩側(cè)同時進水，污水進入原水室，化學吸收液流入反應(yīng)室，原水室中的重金屬離子通過離子交換膜滲析至反應(yīng)室沉淀反應(yīng)，待原水室重金屬濃度降低至排放標準要求時，將原水室水達標排放，此后抽排反應(yīng)室沉淀，采用稀酸溶液清洗離子交換膜和反應(yīng)室內(nèi)壁。
7.按照權(quán)利1所述的脫除水中重金屬的方法，其特征還在于可采用強化處理模式處理重金屬初始濃度較高的原水，即在離子交換膜原水側(cè)添加一檔板，當離子交換膜遭受沉淀物污染時，采用檔板擋住原水側(cè)待處理水體，將離子交換膜抽出洗滌，同時抽排反應(yīng)側(cè)底部沉淀底泥，清洗后，插入離子交換膜，抽出檔板，使重金屬離子繼續(xù)向反應(yīng)側(cè)滲析沉淀，直至原水側(cè)重金屬濃度降低達標排放。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種脫除水中重金屬離子的方法，其技術(shù)原理是利用離子交換膜的交換作用，使得水中污染物重金屬離子由濃度高的一側(cè)滲透至濃度低的一側(cè)，濃度低的一側(cè)施加堿性或碳酸鹽或硫化鹽溶液，使得重金屬離子形成難溶性氫氧化物或碳酸鹽或硫化鹽得以沉淀去除。本發(fā)明將膜分離和化學沉淀過程有機聯(lián)系在一起，實現(xiàn)了重金屬的膜滲析和沉淀去除同步進行。本發(fā)明與傳統(tǒng)方法相比，反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單，易于操作，具有廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號C02F1/44GK102557195SQ201210001029
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月5日
發(fā)明者萬東錦, 劉永德, 孫旭鐲, 孫曉峰, 張迎明, 李波, 王寧, 陳靜 申請人:河南工業(yè)大學