鄒曉勇，陳民仁

(1 吉首大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖南 吉首 416000；2 吉首市誠(chéng)技科技開(kāi)發(fā)有限公司，湖南 吉首 416000)

?

離子交換法回收稀硫酸中的硫酸

鄒曉勇1，陳民仁2

(1 吉首大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖南 吉首 416000；2 吉首市誠(chéng)技科技開(kāi)發(fā)有限公司，湖南 吉首 416000)

選用大孔陰離子樹(shù)脂D202對(duì)稀硫酸中的硫酸進(jìn)行了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的吸附實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，在稀硫酸濃度為102 g/L，25 ℃時(shí)，樹(shù)脂對(duì)硫酸的動(dòng)態(tài)吸附容量為167 mg/g濕樹(shù)脂，解吸劑為工業(yè)水，解吸峰較為集中，有拖尾現(xiàn)象但不明顯?？刂平馕鼊┕I(yè)水的用量進(jìn)行了十次循環(huán)吸附試驗(yàn)，平均吸附容量為125 mg/g，考慮到控制了工業(yè)水的用量，此吸附容量還是比較理想的。

樹(shù)脂；硫酸；吸附；回收

在化工冶金、電鍍和金屬表面處理行業(yè)中通常會(huì)產(chǎn)生和排放含有重金屬的酸性廢液，對(duì)重金屬進(jìn)行環(huán)保處理前，首先必須對(duì)廢水中的酸進(jìn)行中和處理或回收，工業(yè)上的酸性廢水主要含有硫酸。傳統(tǒng)的處理廢酸的方法是濃縮法和中和法[1]，濃縮法對(duì)設(shè)備的腐蝕性很大，濃縮過(guò)程的能耗也高；中和法消耗大量的堿性物質(zhì)，比如石灰，產(chǎn)生大量的廢渣，也不能有效的回收其中的硫酸。針對(duì)硫酸回收問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外曾研究了各種方法[2]，包括溶劑萃取法、電滲析法、擴(kuò)散滲析法[3-4]，各有優(yōu)缺點(diǎn)。

本文研究離子交換法回收硫酸的可行性，離子交換法回收或分離廢水中的酸也即酸阻滯法[5]，是回收廢酸的一種獨(dú)特的方法。離子交換樹(shù)脂阻滯法回收酸是基于道南排斥原理，即隨著外部溶液酸濃度的增加，樹(shù)脂相與水溶液電解質(zhì)濃度差減少，道南排斥作用減弱，中性電解質(zhì)進(jìn)入樹(shù)脂相，產(chǎn)生非交換吸入。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 儀器和試劑

多孔水浴恒溫振蕩器；各種型號(hào)離子交換樹(shù)脂，江蘇色可賽思樹(shù)脂有限公司；玻璃交換柱，內(nèi)徑10 mm，柱高700 mm。

稀硫酸，采用蒸餾水配制，硫酸為分析純。

1.2 分析方法

硫酸含量的測(cè)定采用氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定法。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

樹(shù)脂的預(yù)處理參照《離子交換樹(shù)脂預(yù)處理方法GB/T 5476-1996》進(jìn)行，樹(shù)脂經(jīng)過(guò)充分水洗后，按程序經(jīng)過(guò)堿洗、水洗、酸洗，最后水洗到中性備用。

靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)：稱取30.0 g濕樹(shù)脂(以下均為濕樹(shù)脂)，加入150 mL一定濃度的稀硫酸，振蕩，間隔一定的時(shí)間測(cè)定溶液中的硫酸含量，計(jì)算吸附容量，表示為mg/g濕樹(shù)脂(簡(jiǎn)寫為mg/g)。

動(dòng)態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)采用玻璃交換柱，樹(shù)脂填充量為30.0 g(約42～45 mL)，填充高度約550 mm，稀硫酸以一定的流速通過(guò)交換柱，流速表示為BV/h(m3/h·m3濕樹(shù)脂)，間隔一定的時(shí)間或每10 mL流出液取樣分析吸附后液的硫酸含量，計(jì)算吸附容量。

2 結(jié)果與討論

2.1 離子交換樹(shù)脂篩選

采用靜態(tài)吸附法對(duì)離子交換樹(shù)脂進(jìn)行篩選，實(shí)驗(yàn)中選取了六種大孔陰離子樹(shù)脂進(jìn)行了靜態(tài)吸附篩選實(shí)驗(yàn)，包括弱堿性丙烯酸系和強(qiáng)堿性苯乙烯系不同交聯(lián)度的樹(shù)脂，樹(shù)脂經(jīng)預(yù)處理后，分別稱量甩干后的濕樹(shù)脂30.0 g置于燒杯中，各加入150 mL 106.6 g/L的稀硫酸，液體溫度(25±2) ℃，靜態(tài)吸附到過(guò)程平衡。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，D202樹(shù)脂對(duì)硫酸的吸附容量最大且具有穩(wěn)定的吸附能力，結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 D202樹(shù)脂靜態(tài)實(shí)驗(yàn)吸附容量

2.2 硫酸濃度對(duì)吸附容量的影響

工業(yè)上，不同來(lái)源的稀硫酸和工業(yè)廢水中的硫酸濃度有一定的波動(dòng)范圍。實(shí)驗(yàn)采用動(dòng)態(tài)吸附法，配制不同濃度的稀硫酸，測(cè)定D202樹(shù)脂對(duì)硫酸的吸附容量，液體溫度(25±2) ℃，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。實(shí)驗(yàn)表明，隨著硫酸含量的增加，樹(shù)脂對(duì)硫酸的吸附容量相應(yīng)增加，符合離子交換過(guò)程吸附容量隨著液體中離子濃度增加而升高的一般規(guī)律，當(dāng)硫酸含量增加到一定的值后，吸附容量趨于穩(wěn)定，在172～178 mg/L之間。

表1 硫酸含量對(duì)吸附容量的影響

2.3 動(dòng)態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)

工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢液溫度多為常溫或較環(huán)境水溫略高，動(dòng)態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)溫度確定為25 ℃。實(shí)驗(yàn)中，配制的稀硫酸濃度為102 g/L，控制吸附過(guò)程的流速為2.5 BV/h，每10 mL流出液測(cè)定一次硫酸含量，得穿透曲線圖2。從穿透曲線可見(jiàn)，離子交換樹(shù)脂用量為30.0 g濕樹(shù)脂，當(dāng)流出液體積為50 mL時(shí)開(kāi)始有泄漏，穿透體積為80～90 mL，穿透曲線表明該離子交換過(guò)程的特點(diǎn)是易泄漏，出現(xiàn)泄漏后樹(shù)脂對(duì)硫酸仍具有持續(xù)的吸附能力，因此在設(shè)計(jì)工業(yè)裝置時(shí)應(yīng)考慮將樹(shù)脂層的高度適當(dāng)增加。對(duì)穿透曲線進(jìn)行積分，吸附容量為167 mg/g。

圖2 穿透曲線

2.4 動(dòng)態(tài)解吸轉(zhuǎn)型實(shí)驗(yàn)

采用工業(yè)水對(duì)吸附飽和的樹(shù)脂進(jìn)行解吸轉(zhuǎn)型，工業(yè)水為常溫16 ℃，解吸過(guò)程流速為1.5 BV/h，得到解吸曲線圖3。從圖3可見(jiàn)，解吸峰較為集中，有拖尾現(xiàn)象但不明顯，解吸出來(lái)的硫酸主要集中在前面70 mL左右的解吸液中。離子交換樹(shù)脂通過(guò)工業(yè)水解吸轉(zhuǎn)型后進(jìn)入下一工作周期。

圖3 解吸曲線

3 循環(huán)吸附試驗(yàn)

在工業(yè)過(guò)程中，離子交換解吸過(guò)程的解吸劑(工業(yè)水)用量是受限的，解吸劑用量受限將影響樹(shù)脂的解吸程度而導(dǎo)致吸附容量一定程度的降低?，F(xiàn)進(jìn)行循環(huán)吸附試驗(yàn)，每個(gè)工作周期只用吸附液體量的同體積水進(jìn)行解吸，即每個(gè)工作周期若只吸附1體積的稀硫酸，解吸的時(shí)候，則也只使用1體積的工業(yè)水對(duì)樹(shù)脂進(jìn)行解吸轉(zhuǎn)型，以此考察對(duì)樹(shù)脂吸附容量的影響情況。

根據(jù)動(dòng)態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)和解吸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)稀硫酸濃度為102 g/L時(shí)，離子交換樹(shù)脂用量為30.0 g濕樹(shù)脂的情況下，穿透體積為80～90 mL。解吸峰較為集中，解吸出來(lái)的硫酸主要集中在前面70 mL左右的解吸液中。循環(huán)吸附試驗(yàn)的條件：

稀硫酸濃度102 g/L，常溫25 ℃，離子交換樹(shù)脂用量30.0 g濕樹(shù)脂?？刂莆竭^(guò)程的流速為2.5 BV/h，每個(gè)吸附周期吸附稀硫酸80 mL。控制解吸過(guò)程流速為1.5 BV/h，每個(gè)解吸周期使用工業(yè)水80 mL，解吸之后，馬上進(jìn)入下一吸附周期。共進(jìn)行十個(gè)吸附周期，數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 循環(huán)吸附試驗(yàn)的吸附容量

第一個(gè)吸附周期的吸附容量過(guò)高，是因?yàn)闃?shù)脂剛充分的用水解吸轉(zhuǎn)型過(guò)，此后，因?yàn)榻馕鼊┕I(yè)水用量受限，解吸不充分，吸附容量有所降低。與動(dòng)態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)的吸附容量167 mg/g比較，循環(huán)吸附實(shí)驗(yàn)的平均吸附容量125 mg/g有明顯降低，約下降25%?？紤]到控制了工業(yè)水的用量，此吸附容量還是較理想的。

4 結(jié) 論

(1)用離子交換法從稀硫酸中回收硫酸的工藝是可行的，采用工業(yè)水作為解吸劑，過(guò)程費(fèi)用低，不引入新的化學(xué)物質(zhì)。

(2)在動(dòng)態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)稀硫酸濃度為102 g/L時(shí)，樹(shù)脂對(duì)硫酸的吸附容量為167 mg/g濕樹(shù)脂，具有很高的吸附容量?？刂平馕鼊┕I(yè)水的用量進(jìn)行循環(huán)吸附試驗(yàn)，平均吸附容量為125 mg/g，考慮到控制了工業(yè)水的用量，此吸附容量還是比較理想的

[1] 吳昌龍,陳金龍.廢硫酸及含硫酸廢水的治理[J].化工環(huán)保,1999,19(3):140-144.

[2] 劉仕雄,安娟,劉愛(ài)心.冶金工業(yè)廢液中硫酸的回收[J].湖南有色金屬,2011,27(4):25-27.

[3] 李輝波,牛玉清,黃崇元.滲析法從鈾溶液中分離硫酸的初探[J].鈾礦冶,2005,24(1):23-27.

[4] 張玲玲.擴(kuò)散滲析法從銅冶煉廢酸中回收硫酸的研究[J].銅業(yè)工程,2009,16(3):40-42.

[5] 李潯,顏涌捷,李庭琛.樹(shù)脂離子排斥法分離酸糖[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2005,26(4):529-532.

Recovery of Sulfuric Acid from Dilute Sulfuric Acid by Ion Exchange Method

ZOUXiao-yong1,CHENMin-ren2

(1 College of Chemistry and Chemical Engineering, Jishou University, Hunan Jishou 416000; 2 Jishou Chengji Technology Development Co., Ltd., Hunan Jishou 416000, China)

The static and dynamic adsorption properties of macroporous exchange resin D202 for sulfuric acid from dilute sulfuric acid were studied. The results showed that resin could effectively adsorb sulfuric acid at the concentration of sulfuric acid of 102 g/L, in 25 ℃，the dynamic adsorption capacity of the resin could reach 167 mg/g wet resin，desorption agent was industrial water, desorption peak was more concentrated, there were scattered phenomenon, but not obvious. Ten cycle adsorption test controlling the amount of industrial water of the desorption agent was studied, the average adsorption capacity of the resin could reach 125 mg/g, taking into account the amount of industrial water control, this adsorption capacity was still relatively ideal.

resin; sulfuric acid; adsorption; recovery

鄒曉勇(1969-)，男，副教授，工學(xué)學(xué)士，已發(fā)表論文十余篇，主要研究方向?yàn)闊o(wú)機(jī)鹽和有色金屬濕法冶金技術(shù)。

TQ028.3

B

1001-9677(2016)020-0069-03