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EDI技术处理重金属废水的研究

作　者: 徐小青
导　师: 周志军
学　校: 浙江大学
专　业: 工业催化
关键词: 电去离子 EDI 离子交换树脂重金属离子稳定性
分类号: X703.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

水资源重金属污染已成为当下突出的环境问题。随着国家对环保要求的不断提高,迫使重金属废水处理工艺做出改革与升级。现有研究已证明高效、稳定、环境友好型的电去离子(Electrodeionization,EDI)技术用于低浓度重金属废水处理的可行性,但过程传质效率与膜堆结垢却阻碍了其工业推广。现有研究虽找出了影响传质与膜堆结垢的部分因素,但却未能将做出的改进进行有效组合,对膜堆内部的设计优化过于单一。本文以现有研究结果为基础,从EDI膜堆结构设计出发,将加强过程传质与抑制膜堆结垢的有效手段进行合理组合,并在EDI膜堆浓水室填充一定体积比的阴阳离子树脂,通过浓水室内部结构的变化调整浓水室中水解离程度及阴阳离子迁移速率,并由阴阳树脂的交换作用使得浓水室溶液pH相对稳定,达到缓解浓水室结垢现象及提高重金属废水分离效果的目标。本文模拟典型的电镀漂洗含镍废水作为处理对象,考察并分析了过程操作条件及浓淡水室树脂填充模式对EDI性能的影响,在优化膜堆内部结构的基础上进行了EDI设备处理低浓度含镍废水的长期稳定性研究。具体研究如下：1.EDI膜堆结构的设计。基于理论分析及前人对EDI膜堆所做的结构优化,自行设计了膜堆结构。膜堆在合理整合对传质与抑制结垢有利的因素的同时,在在膜堆浓水室也填充一定体积比的阴阳离子交换树脂。2.淡水室填充阳离子交换树脂的EDI膜堆处理低浓度重金属废水的可行性分析。实验结果表明该结构的EDI膜堆可有效用于重金属废水中Ni2+离子的脱除,同时可保证淡水室溶液呈弱酸性,消除淡水室结垢的隐患。实验还探讨了膜堆操作电压、淡水室进水流量、原水Ni2+离子浓度与pH值对EDI处理重金属废水性能的影响,并结合理论分析对操作参数进行了优化。3.考察并分析了浓水室中阴阳树脂体积比对膜堆内部水解离程度、重金属氢氧化物沉淀形成及过程传质的影响。在所选取的实验条件及树脂类型下,浓水室中阴阳树脂体积比例为7：3时,EDI膜堆能够得到最佳的处理效果,且与浓水室未填充树脂的膜堆运行结果相比,在考察时间内其过程相对稳定。该膜堆在处理Ni2+浓度为50.3mg·L-1,pH为4.5的工况时,淡水产水和浓缩水中Ni2+浓度分别为0.85mg·L-1和1267mg·L-1,浓缩水的浓缩倍数达到25.2,过程电流效率为23.2%。相比于浓水室未填充树脂EDI膜堆的电流效率(24.2%),其过程电流利用率略有降低。4.膜堆的长期运行稳定性的考察。对淡水室填充阳离子交换树脂,浓水室填充阴阳树脂体积比为7：3的混床树脂EDI膜堆,正常运行的17天内,膜堆稳定性良好,且对浓度为50mg·L-1的Ni2+离子原水的处理效果可达排放标准。上述研究结果表明EDI技术在选择合适的膜堆结构和操作条件时对低浓度重金属废水的处理可行有效,合理设计膜堆浓水室树脂填充方式可有效缓解膜堆结垢现象,提高膜堆稳定性,为EDI技术处理低浓度重金属废水的研究提供参

全文目录

致谢  4-5
摘要  5-7
Abstract  7-9
目录  9-12
第一章绪论  12-30
  1.1 概述  12
  1.2 重金属废水概述  12-18
    1.2.1 重金属废水来源和危害  12-13
    1.2.2 重金属废水的排放标准  13-14
    1.2.3 重金属废水的处理方法  14-18
      1.2.3.1 化学法  14-15
      1.2.3.2 物理法  15
      1.2.3.3 生物处理法  15-16
      1.2.3.4 膜分离法  16-18
  1.3 EDI技术处理重金属废水的研究  18-27
    1.3.1 EDI技术的基本原理  18-19
    1.3.2 EDI技术用于制备超纯水  19-20
    1.3.3 EDI技术用于处理低浓度重金属废水  20-27
      1.3.3.1 膜堆运行模式  20
      1.3.3.2 过程特殊性  20-21
      1.3.3.3 重点研究方向  21-27
  1.4 课题研究意义与研究内容  27-30
    1.4.1 课题研究意义  27-28
    1.4.2 研究内容  28-30
第二章实验装置、材料与分析检测方法  30-40
  2.1 EDI膜堆及工艺流程设计  30-34
    2.1.1 膜堆材料  30-31
      2.1.1.1 隔板与电极  30
      2.1.1.2 离子交换树脂  30
      2.1.1.3 离子交换膜  30-31
    2.1.2 EDI膜堆结构设计  31-32
      2.1.2.1 膜堆隔板流道  31
      2.1.2.2 树脂填充方式  31-32
      2.1.2.3 膜堆内部构造  32
    2.1.3 实验工艺流程  32-34
      2.1.3.1 EDI处理低浓度重金属废水膜堆工艺流程  32-33
      2.1.3.2 实验工艺流程与实验装置  33-34
  2.2 实验材料  34-36
    2.2.1 离子交换树脂  34-35
    2.2.2 离子交换膜  35-36
    2.2.3 实验试剂  36
    2.2.4 实验仪器  36
  2.3 水质分析与检测  36-38
  2.4 过程评价  38-40
第三章淡水室填充阳离子交换树脂的EDI膜堆对重金属离子分离性能的研究  40-61
  3.1 前言  40
  3.2 树脂吸附与电再生  40-45
    3.2.1 实验装置  40-41
    3.2.2 实验过程  41
    3.2.3 结果与讨论  41-45
      3.2.3.1 穿透曲线  41-43
      3.2.3.2 电去离子过程  43-45
  3.3 EDI过程用于处理低浓度重金属废水  45-60
    3.3.1 实验内容与条件  45-46
    3.3.2 膜堆电压对EDI性能的影响  46-54
      3.3.2.1 实验条件  46
      3.3.2.2 膜堆电压对膜堆电流的影响  46-48
      3.3.2.3 膜堆电压对淡水室产水水质的影响  48-51
      3.3.2.4 膜堆电压对循环浓缩水水质的影响  51-53
      3.3.2.5 膜堆电压对电流效率的影响  53-54
    3.3.3 料液流量对EDI性能的影响  54-56
      3.3.3.1 料液流量对膜堆电流的影响  54-55
      3.3.3.2 料液流量对淡水产水水质的影响  55-56
    3.3.4 料液Ni~(2+)浓度和pH值对EDI性能的影响  56-60
      3.3.4.1 料液Ni~(2+)浓度对膜堆电流的影响  57
      3.3.4.2 料液Ni~(2+)浓度对淡水产水水质的影响  57-58
      3.3.4.3 料液pH值对膜堆电流及淡水产水水质的影响  58-60
  3.4 本章小结  60-61
第四章浓水室中不同的树脂填充方式对EDI处理重金属废水性能的影响  61-72
  4.1 前言  61
  4.2 实验装置  61
  4.3 实验内容与条件  61-62
  4.4 结果与讨论  62-71
    4.4.1 浓水室中阴阳树脂体积比对膜堆电流的影响  62-63
    4.4.2 浓水室中阴阳树脂体积比对产水pH的影响  63-65
    4.4.3 浓水室中阴阳树脂体积比对浓缩水pH的影响  65-66
    4.4.4 浓水室中阴阳树脂体积比对淡水室产水及浓缩水Ni~(2+)含量的影响  66-68
    4.4.5 最佳浓水室中阴阳树脂体积比  68-71
      4.4.5.1 物料平衡计算  68-69
      4.4.5.2 电流效率  69-70
      4.4.5.3 考察膜堆有无结垢  70-71
  4.5 小结  71-72
第五章 EDI长期稳定性研究  72-76
  5.1 实验装置和实验内容  72-73
  5.2 EDI长期稳定性探究  73-75
    5.2.1 膜堆电流与膜堆电阻随运行时间的变化  73-74
    5.2.2 淡水室产水Ni~(2+)含量随运行时间的变化  74-75
  5.3 小结  75-76
第六章结论与展望  76-78
  6.1 结论  76-77
  6.2 展望  77-78
参考文献  78-83
作者简介  83

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