CN110092451A - 一种电动力修复加渗透反应墙系统集成去除金属盐的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及了一种电动力修复加渗透反应墙系统集成去除金属盐的方法，电动力修复法EKR‑可渗透墙法PRB耦合修复技术，利用各自的技术优点，高效吸附N03‑的阴离子交换树脂，充分发挥PRB填充介质对水中N03"的高效吸附功能，以及EKR对PRB介质中N03的加速迁移和浓缩功能，使树脂获得再生，恢复交换能力，实现金属盐的有效去除和氨氮的有效控制。

Description

一种电动力修复加渗透反应墙系统集成去除金属盐的方法
技术领域
本发明涉及子交换树脂吸附和电渗析的领域，特别是涉及一种电动力修复加渗透反应墙系统集成去除金属盐的方法，可以有效去除地下水中的硝酸盐污染，硝酸盐去除率在97％以上是一种原位修复土壤和地下水污染的技术。
背景技术
由于我国地表水污染现象普遍存在，导致了其浅层地下水资源也遭到了不同程度的污染，全国地下水污染覆盖率达到近 50%，其中一半城市市区的地下水污染较为严重，由此可知，地下水中硝酸盐污染问题已在我国广泛存在。同时，伴随着我国地下水中硝酸盐污染日益加重，作为全国普遍存在的环境问题，开展地下水中硝酸盐污染修复的研究已迫在眉睫地下水中硝酸盐的污染源较为广泛,根据来源,可将其污染源分为以下八大类：居民生活污水、施用化肥和有机肥、垃圾与粪便的渗滤液、污水灌溉、畜舍排水、工业污染源、污染土地和大气氮化合物的沉降。
与现有技术相比，本技术实验室自行配置金属盐污染地下水，设计电动修复和反应渗透墙设置器模拟实验室修复其污染水，其主要方法是通过电动力修复法EKR-可渗透墙法PRB耦合修复技术，利用各自的技术优点，高效吸附N03-的阴离子交换树脂，充分发挥PRB填充介质对水中N03"的高效吸附功能，以及EKR对PRB介质中N03的加速迁移和浓缩功能，使树脂获得再生，恢复交换能力，实现金属盐的有效去除和氨氮的有效控制。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种电动力修复加渗透反应墙系统集成去除金属盐的方法。为了实现上述目的，本发明的一种电动力修复加渗透反应墙系统集成去除金属盐的方法，包括如下步骤：
S1、电动修复＋电渗析装置：是膜堆、极区和压紧装置、管道、水泵、流量计、阴阳离子交换膜、离子交换树脂等材料器具连成的一个系统装置和反应器自制有机玻璃槽，槽子的两端分别设置阴阳极室，阴阳极均采用特制钛涂钌（丝状）电极丝，双排加密；800×1600mm电极板，主体采用数控雕刻机整板雕刻而成，槽中间部分为土样室，直流稳压电源作为电动实验所需电源；
S2、进入淡室的试验用水采用人工配制的金属盐废水，用水泵打入汇入反应器的每一个隔室内，这时使淡室填充离子交换树脂，按入水方向前段为阴阳离子交换树脂按体积1-2：3：1均匀混合填充:70-85％体积，在两端电极接通直流电源后，淡化室中的水分子发生水解离，生成的H+和OH离子，利用H+和OH来代替普通的酸碱溶液将已经饱集富和的离子交换树脂再生(电再生)，使树脂保持持续交换吸附离子的能力；
S3、在不通电的情况下，填充剩余的阴树脂约占15-30％体积，由处理后的的离子交换树脂来吸附水中的离子，使出水达标；调节调压器使电压为0.3V/膜对左右，待稳定后，读出相应的电流值，测出淡室出水含盐量；在原水水质和流速不变的条件下，依次升高膜堆电压，每次升高0.2V/膜对，待稳定后，读出电流值和淡室出水含盐量；
S4、阴极板和阳极板交替插入浓室中，每块阴极板两侧为阳离子交换膜，阳极板两侧为阴离子交换膜，水中阳离子不断透过阳膜向阴极方向迁移，阴离子不断透过阴膜向阳极方向迁移；进入浓室含盐水由于阳离子在向阴极方向迁移中不能透过阴膜，阴离子在向阳极方向迁移中不能透过阳膜，含盐水却因不断增加由邻近淡室迁移透过的离子而变成浓盐水，组成了淡水和浓水两个系统；
S5、在电极和溶液的界面上，通过氧化、还原反应，发生电子与离子之间的转换，处理水不断地流入交替相间的隔室，这些隔室是被阴阳交换膜交替格隔开的，在外加直流电场的作用下，原水中的阴阳离子在水中发生定向迁移，最终形成淡水室出和浓水室，淡水室出水即为淡化水，浓室出水即为浓盐水。
S6、同样使出水达标，收集到的浓水可以作为液态氮肥回收再利用；再生结束后，停机，再生后的树脂恢复了吸附功能，可以继续吸附离子完成金属盐的去除和浓缩。
作为本发明的进一步改进，硝酸盐浓度为30、50、70mg NO3--N/L,并向其中加入一定量的 KH2PO4，为反应所需的磷，N/P=20；新配置的用水pH值在7.0-8.0 范围内，首先先废水经过打入一个过滤装置，原水分两路分别进入电渗析器的浓室和淡室，用秒表和量筒测定浓、淡水室流量，调节流量控制阀，使浓淡水室流速相同；阴极和阳极之间，将阳膜与阴膜交替排列，并用特制的隔板将这两种膜隔开，隔板内有水流的通道。
作为本发明的进一步改进，酸盐不同浓度废水(50、100、200、300mg／L)分别在不同膜堆电压下(10、15、20、25……60V)进行电渗析处理。以食盐水为例，阴极还原反应为 H2O→H++OH- 2H++2e→H2↑ 阳极氧化反应为H2O→H++OH- 4OH-→O2↑+2H2O+4e或2Cl-→Cl2↑+2e 。所以，在阴极不断排出氢气，在阳极不断有氧气或氯气放出。在阴极室溶液呈碱性，当水中Ca2+、Mg2+、HCO-等离子时，会生成CaCO3和Mg(OH)2水垢，依附在阴极上。而阳极2 室溶液则呈酸性，对电极造成强烈的腐蚀。
作为本发明的进一步改进，要进行离子交换树脂前处理，树脂前处理合作评价标准：
A.用三倍乙醇洗脱树脂柱，洗脱液加等量水不应浑浊；
B.洗脱液用紫外光谱扫描不得检出吸收峰为止；
C.树脂装柱后可采用逆流灌注排气，将树脂中气体排出，否则在使用中由于气阻影响吸附。同时在使用中保持液位，以免空气进入。
PH值对离子交换树脂选择性的影响。
作为本发明的进一步改进，离子交换阴阳树脂离子交换树脂前处理：
①阳树脂
A.用饱和食盐水反复清洗至浸洗水无色且泡沫很少；
B.用2-5%的 HCl（强酸2～3BV、弱酸3～5BV)缓慢流过被处理量树脂的两倍，流速1.5BV/hr；
C.用自来水冲洗至pH约为4-6，排水不带黄色；
D.用一定量2-5%的 NaOH流过树脂，用量、流速同B；
E.用自来水冲洗至pH约为10；
F.用3～5BV1N HCl缓慢流过树脂，流速1.5BV/hr；
G.用去离子水冲洗至pH近7，即可；
②阴树脂
将阳树脂的步骤A、B、C重复一次；而后用5%HCl浸泡4-8小时，然后放尽酸液，用水清洗至中性；而后用2%-4%NaOH溶液浸泡4-8小时后，放尽碱液，用清水洗至中性待用。
作为本发明的进一步改进，电渗析法除盐、淡化时，进入电渗析器的水质一般应满足下列要求：
A. 浊度 <1～3毫克/升；
B.活性氯 <0.2毫克/升；
C.总铁 <0.3毫克/升；
D.锰 <0.1毫克/升；
E.水温 5～40℃。
作为本发明的进一步改进，离子交换树脂吸附过程：
A.配制N03-N浓度为50mg／L的硝酸钠溶液作为原水，在不通电的情况下，只打开淡水水路，控制水流流量在1L/小时，水力停留时间为3-4d。每隔1d,时取样(包括淡水出水口的瞬时样和该小时内累积出水的平均样)，同时记录电流值和入水及出水体积，直至出水浓度突破10mg／L N03-N(认为此时树脂已饱和)；
B.再生是需要将两种树脂分别预处理；使其达到出水pH达到7左右，此时阳离子交换树脂已成功转型为氢型(R-H)，将其转入容器中备用；对于阴离子交换树脂完成上述过程后再用lmol／L的NaOH溶液处理一次(方法同上)，自来水冲洗至中性，同样转入干净的容器备用。
作为本发明的进一步改进，将阴阳离子交换基团连接在同一树脂骨架上，骨架分类包括：苯乙烯系、丙烯酸系、酚醛系环氧系、乙烯吡啶系、脲醛系、氯乙烯系其中之一。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本实验室自行配置金属盐污染地下水，设计电动修复和反应渗透墙设置器模拟实验室修复其污染水，其主要方法是通过电动力修复法EKR-可渗透墙法PRB耦合修复技术，利用各自的技术优点，高效吸附N03一的阴离子交换树脂，充分发挥PRB填充介质对水中N03"的高效吸附功能，以及EKR对PRB介质中N03的加速迁移和浓缩功能，使树脂获得再生，恢复交换能力，实现金属盐的有效去除和氨氮的有效控制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一种电动力修复加渗透反应墙系统集成去除金属盐的方法一具体实施方式的方法流程示意图。

Claims (10)

1.一种电动力修复加渗透反应墙系统集成去除金属盐的方法，其特征在于如下步骤；
S1、电动修复＋电渗析装置：是膜堆、极区和压紧装置、管道、水泵、流量计、阴阳离子交换膜、 离子交换树脂等材料器具连成的一个系统装置和反应器自制有机玻璃槽，槽子的两端分别设置阴阳极室，阴阳极均采用特制钛涂钌（丝状）电极丝，双排加密；800×1600mm电极板，主体采用数控雕刻机整板雕刻而成，槽中间部分为土样室，直流稳压电源作为电动实验所需电源；
S2、进入淡室的试验用水采用人工配制的金属盐废水，用水泵打入汇入反应器的每一个隔室内 ，这时使淡室填充离子交换树脂，按入水方向前段为阴阳离子交换树脂按体积1-2：3：1均匀混合填充:70-85％体积，在两端电极接通直流电源后，淡化室中的水分子发生水解离，生成的H+和OH离子，利用H+和OH来代替普通的酸碱溶液将已经饱集富和的离子交换树脂再生(电再生)，使树脂保持持续交换吸附离子的能力；
S3、在不通电的情况下，填充剩余的阴树脂约占15-30％体积，由处理后的的离子交换树脂来吸附水中的离子，使出水达标；调节调压器使电压为0.3V/膜对左右，待稳定后，读出相应的电流值，测出淡室出水含盐量；在原水水质和流速不变的条件下，依次升高膜堆电压，每次升高0.2V/膜对，待稳定后，读出电流值和淡室出水含盐量；
S4、阴极板和阳极板交替插入浓室中，每块阴极板两侧为阳离子交换膜，阳极板两侧为阴离子交换膜，水中阳离子不断透过阳膜向阴极方向迁移，阴离子不断透过阴膜向阳极方向迁移；进入浓室含盐水由于阳离子在向阴极方向迁移中不能透过阴膜，阴离子在向阳极方向迁移中不能透过阳膜，含盐水却因不断增加由邻近淡室迁移透过的离子而变成浓盐水，组成了淡水和浓水两个系统；
S5、在电极和溶液的界面上，通过氧化、还原反应，发生电子与离子之间的转换，处理水不断地流入交替相间的隔室，这些隔室是被阴阳交换膜交替格隔开的，在外加直流电场的作用下，原水中的阴阳离子在水中发生定向迁移，最终形成淡水室出和浓水室，淡水室出水即为淡化水，浓室出水即为浓盐水；
S6、同样使出水达标，收集到的浓水可以作为液态氮肥回收再利用；再生结束后，停机，再生后的树脂恢复了吸附功能，可以继续吸附离子完成金属盐的去除和浓缩。
2.一种电动力修复加渗透反应墙系统集成去除金属盐的方法，其特征在于，其特征在于步骤S1中硝酸盐浓度为30、 50、 70mg NO3--N/L,并向其中加入一定量的 KH2PO4，为反应所需的磷， N/P=20；新配置的用水 pH 值在 7.0-8.0 范围内，首先先废水经过打入一个过滤装置，原水分两路分别进入电渗析器的浓室和淡室，用秒表和量筒测定浓、淡水室流量，调节流量控制阀，使浓淡水室流速相同；阴极和阳极之间，将阳膜与阴膜交替排列，并用特制的隔板将这两种膜隔开，隔板内有水流的通道。
3.一种电动力修复加渗透反应墙系统集成去除金属盐的方法，其特征在于，其特征在于步骤S2中酸盐不同浓度废水(50、100、200、300mg／L)分别在不同膜堆电压下(10、15、20、25……60V)进行电渗析处理；
以食盐水为例，阴极还原反应为 H2O→H++OH- 2H++2e→H2↑ 阳极氧化反应为H2O→H++OH- 4OH-→O2↑+2H2O+4e或2Cl-→Cl2↑+2e 所以，在阴极不断排出氢气，在阳极不断有氧气或氯气放出；在阴极室溶液呈碱性，当水中Ca2+、Mg2+、HCO-等离子时，会生成CaCO3和Mg(OH)2水垢，依附在阴极上；而阳极2室溶液则呈酸性，对电极造成强烈的腐蚀。
4.一种电动力修复加渗透反应墙系统集成去除金属盐的方法，其特征在于，其特征在于步骤S2中离子交换树脂前处理：树脂前处理合作评价标准：
A.用三倍乙醇洗脱树脂柱，洗脱液加等量水不应浑浊；
B.洗脱液用紫外光谱扫描不得检出吸收峰为止；树脂装柱后可采用逆流灌注排气，将树脂中气体排出，否则在使用中由于气阻影响吸附；同时在使用中保持液位，以免空气进入；
C.PH值对离子交换树脂选择性的影响
。
5.一种电动力修复加渗透反应墙系统集成去除金属盐的方法，其特征在于，其特征在于步骤S2中离子交换阴阳树脂离子交换树脂前处理：
①阳树脂
A.用饱和食盐水反复清洗至浸洗水无色且泡沫很少；
B.用2-5%的 HCl（强酸2～3BV、弱酸3～5BV)缓慢流过被处理量树脂的两倍，流速1.5BV/hr；
C.用自来水冲洗至pH约为4-6，排水不带黄色；
D.用一定量2-5%的 NaOH流过树脂，用量、流速同B；
E.用自来水冲洗至pH约为10；
F.用3～5BV1N HCl缓慢流过树脂，流速1.5BV/hr；
G.用去离子水冲洗至pH近7，即可；
②阴树脂
将阳树脂的步骤A、B、C重复一次；而后用5%HCl浸泡4-8小时，然后放尽酸液，用水清洗至中性；而后用2%-4%NaOH溶液浸泡4-8小时后，放尽碱液，用清水洗至中性待用。
6.一种电动力修复加渗透反应墙系统集成去除金属盐的方法，其特征在于，其特征在于步骤S2中电渗析法除盐、淡化时，进入电渗析器的水质一般应满足下列要求：
A.浊度 <1～3毫克/升；
B.活性氯 <0.2毫克/升；
C.总铁 <0.3毫克/升；
D.锰 <0.1毫克/升；
E.水温 5～40℃。
7.一种电动力修复加渗透反应墙系统集成去除金属盐的方法，特征在于，其特征在于步骤S3中离子交换树脂吸附过程；
A.配制N03-N浓度为50mg／L的硝酸钠溶液作为原水，在不通电的情况下，只打开淡水水路，控制水流流量在1L/小时，水力停留时间为3-4d；
每隔1d,时取样(包括淡水出水口的瞬时样和该小时内累积出水的平均样)，同时记录电流值和入水及出水体积，直至出水浓度突破10mg／L N03-N(认为此时树脂已饱和)；
B.再生是需要将两种树脂分别预处理；使其达到出水pH达到7左右，此时阳离子交换树脂已成功转型为氢型(R-H)，将其转入容器中备用；对于阴离子交换树脂完成上述过程后再用lmol／L的NaOH溶液处理一次(方法同上)，自来水冲洗至中性，同样转入干净的容器备用。
8.一种电动力修复加渗透反应墙系统集成去除金属盐的方法，其特征在于，其特征在于步骤S3将阴阳离子交换基团连接在同一树脂骨架上，骨架分类包括：苯乙烯系、丙烯酸系、酚醛系、环氧系、乙烯吡啶系、脲醛系、氯乙烯系其中之一。
9.一种电动力修复加渗透反应墙系统集成去除金属盐的方法，其特征在于，其特征在于步骤S2离子交换树脂吸附过程：浓、淡水的流量均是2L／h，极水流量2L／h；
电渗析装置在不同条件下平稳运行1小时，每10分钟记录一次电流，期间浓、淡室出水分别取样一次，测其电导率、pH值以及吸光度，计算浓度，然后取其平均值作图。
10.一种电动力修复加渗透反应墙系统集成去除金属盐的方法，其特征在于，其特征在于步骤S2电压选择试验：为了确定电再生所需的最佳电压，采用了两种模式来探究电压对电再生过程的影响：
模式A为：吸附过程结束后，打开电源，在极板之间从低到高加以不同程度(5-65V)的电压，同时打开浓水水路，同样控制流量在1L／h，每隔一小时取样(包括浓、淡水出口的瞬时样和-d,时内累积出水的平均样)，同时记录电流值和入水及出水体积，在每个电压条件下再生8小时；换电压条件之前，如有需要，令离子交换树脂进行吸附以保证离子交换树脂处于饱和状态；
模式B为：吸附过程结束后，打开电源，在极板之间从高到低加以不同程度(65-5V)的电压，其他与模式A完全相同；
无论A、B哪种模式65V时为最佳的再生电压。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102745782A (zh) * 2012-06-20 2012-10-24 江苏科技大学 一种处理低浓度离子溶液的电去离子的方法及装置
CN102976454A (zh) * 2012-10-29 2013-03-20 中国科学院过程工程研究所 一种填充床电渗析器用于发酵废液中同电性阳离子NH4+和Mg2+分离的方法

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