離子交換法處理某線路板廠含銅廢水工藝的優(yōu)化
[摘要] 對某線路板廠含銅廢水處理裝置的離子交換柱再生工藝條件進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明，當(dāng)再生液流量為2000L/h，再生劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 8.5%時，每次交換出的總銅量達(dá) 26.1-29.0 采用再生液二次利用工藝時，每次交換出的總銅量為了18.5-21.3kg，廢再生液 Cu2+質(zhì)量濃度上升到 20g/L，可節(jié)約再生劑用量，并有利于銅的回收。
[關(guān)鍵詞] 離子交換；再生；廢水處理；含銅廢水。
線路板生產(chǎn)過程中的沉銅、 電鍍、 蝕刻、 干膜磨板等工序排出大量清洗廢水。該放心水主要含銅離子及少量重金屬離子，含量遠(yuǎn)大于國家排放標(biāo)準(zhǔn)（Cu2+ ≤0.5mg/L） ，因此必須予以處理。
某港資線路板廠在擴建的同時建成廢水處理裝置 1 套， 采用離子交換法處理含銅廢水。其原理是利用陽離子交換樹脂對 Cu2+ 等金屬離子的選擇性吸附特性，達(dá)到去除廢水Cu2+ 等金屬離子，使之達(dá)標(biāo)排放的目的。
由于該廠廢水處理裝置的交換柱過流面積、樹脂層高度、樹脂性能已不能改變；而廢水水質(zhì)、溫度等也難以調(diào)整，對交換過程進(jìn)行優(yōu)化已沒有實際的意義。而再生過程的好壞將對廢水處理成本及處理效率起決定性的影響，所以，筆者研究將以再生工藝條件優(yōu)化作為主題。
1 實驗部分
1.1 再生工藝流程
再生流程采用逆流連續(xù)再生工藝，見圖1 所示。
其中，樹脂柱的直徑為 800mm，樹脂的填充高度為 800mm。
1.2 再生操作步驟
當(dāng)交換過程中 B 柱出水 Cu2+ 含量超標(biāo)時，須對樹脂柱進(jìn)行再生。其操作步驟為：
（1） 用自來水對樹脂柱進(jìn)行反洗。 先單獨反洗 B柱， 待其出水變清后再 B-A串聯(lián)反洗。待 A柱出水變清后停止反洗。
（2）選用鹽酸為再生劑，按規(guī)定的濃度配置好再生液。開啟再生劑泵，并調(diào)節(jié)好流量，對樹脂柱進(jìn)行逆流連續(xù)再生。
（3）再生液進(jìn)料完畢后，以相同的流量用自來水洗滌樹脂柱1h。再生完畢。 在再生過程中，每隔 5-10min 樹脂柱出口取樣分析廢酸的 Cu2+ HCl 含量。
1.3 儀器與藥劑
儀器：DR-890比色計，PH 計，滴定管等。
藥劑：1-（2-吡啶偶氮）2-萘酚（PAN） ，NaOH，EDTA，NH3•H2O，甲基橙等。
2 實驗結(jié)果及討論
2.1 再生工藝條件的變化
（1）因素-水平的確定。采用正交實驗法對再生工藝條件進(jìn)行優(yōu)化。工廠原來的應(yīng)用情況表明，鹽酸是良好的再生劑，逆流連續(xù)再生方式具有效率高、操作便利的優(yōu)點，所以這兩個因素不予改變；以往再生劑的用量每次為質(zhì)量分?jǐn)?shù)的30%的 HCl 400L，本次實驗也不予改變；而再生溫度隨氣溫變化而變化，且波動不大，其對再生效率的影響可忽略；所以，我們確定以再生液濃度、再生液流量作為本次再生工藝條件優(yōu)化的因素[1]，以再生過程通過樹脂交換出的 Cu2+總量作為評判各次實驗優(yōu)劣的依據(jù)。該廠原來采用的再生劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 7.5%，再生劑流量為 1500L/h。以此為基礎(chǔ)，并根據(jù)現(xiàn)場條件，選定再生劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.5%、8.5%、9.5%，再生劑流量為1500、1700、2000L/h進(jìn)行正交實驗。
（2）再生過程總出銅量的計算。通過檢測再過程各時間段 A、B 樹脂柱口
廢再生液中的 Cu2+濃度和 HCl 濃度，可以得到各次實驗再生時間（T）與廢配中 HCl 質(zhì)量分?jǐn)?shù)（CHCl）和廢酸中 Cu2+質(zhì)量濃度（Ccu）之間的關(guān)系曲線，如圖 2所示（X軸為再生時間 T，該圖中的數(shù)值包括自來水反洗時間） 。
由于采用逆流連續(xù)再生工藝，則各次實驗的總出銅量為 A 樹脂柱出口廢再生液中的含銅總量，可通過下式計算：
Wcu = ΣQ•CCu•△T/1000
式中：Wcu —— 再生過程的總出銅質(zhì)量，Kg；
Q —— 再生劑流量，L/h；
CCu —— 各計算時間段 A樹脂柱出口廢酸中 Cu2+ 的平均質(zhì)量濃度，g/L；
△T —— 各時間段的區(qū)間，min。
（3）正交實驗結(jié)果見表 1。
從表 1 可知，因素再生劑流量 Q 是影響總出銅量的主要因素，在再生劑的流量為 1500-2000L/h 的范圍內(nèi)，再生劑的流量越大，再生效果越好。由于當(dāng)時裝置配備的再生劑流量計（轉(zhuǎn)子流量計）的最大測出流量為2000L/h，所以無法增大再生劑流量，因此，將本次正交實驗的優(yōu)位組合 Q3 C2 確定為優(yōu)化工藝條件，即：再生劑流量為 2000L/h，再生劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 8.5%。
表 1 正交實驗結(jié)果及分析
實驗號 再生劑流量Q/（L•h-1 ） 再生劑質(zhì)量分?jǐn)?shù) C/% 總出銅質(zhì)量 Wcu /Kg
1 1500 7.5 21.0
2 1500 8.5 20.7
3 1500 9.5 20.0
4 1700 7.5 23.2
5 1700 8.5 24.2
6 1700 9.5 25.2
7 2000 7.5 25.1
8 2000 8.5 28.1
9 2000 9.5 25.9
K1 61.7 69.3
K2 72.6 73.0
K3 79.1 71.1
R1 20.6 23.1
R2 24.2 24.3
R3 26.4 23.7
極差 5.8 1.2
結(jié)果 Q3>Q2>Q1 C2>C3>C1
對以上優(yōu)化工藝條件進(jìn)行多次驗證實驗，總出銅質(zhì)量均在 26.1-29.0Kg。與
工廠原有再生工藝條件相比，總出銅量增加了 30%，再生效率明顯提高。
2.2 再生液二次回用實驗
從再生過程的CCu -T和 CHCl -T曲線圖（圖 2）可以看出，當(dāng)再生進(jìn)行到一定的時間，A柱出口廢再生液的 CCu 下降、CHCl 上升，這部分廢再生液具有回用的價值，其量約占廢再生液總量的50%。
先用二次回用的廢水再生液逆流連續(xù)再生 A、B樹脂柱30-40min，再用新鮮再生液進(jìn)行再生。新鮮再生液（30%HCl）用量為 200L，再生液濃度及再生液流量仍采用優(yōu)化工藝條件。 實驗得到的 CCu–T 和 CHCl–T曲線圖如圖 3 所示 （圖中 CCu的數(shù)值已扣除了回用再生液中的含銅量） 。
通過同樣的計算方法，可以得到每次實驗的出銅質(zhì)量在 18.5-21.3Kg。再生液二次利用逆流連續(xù)再生工藝具有以下優(yōu)點：
（1）與全部采用新鮮再生液的再生工藝相比，單位出銅量消耗新鮮再生劑的量減少了 30%，再生成本可下降約30%。
（2）經(jīng)二次使用后，廢再生液 CCu上升到20g/L，有利于廢酸中銅的回收。
由此可見，再生液二次利用逆流連續(xù)再生是一種效率高、成本低、利于資源回收利用的再生工藝。該工藝在該廠已使用2a，效益明顯。
3 結(jié)束語
（1）通過優(yōu)化實驗，得到陽離子交換系統(tǒng)的優(yōu)化工藝操作條件：再生劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 8.5%，再生劑流量為2000L/h。在該條件下操作，再生過程的總出銅質(zhì)量為 26.1-29.0Kg。與工廠原再生工藝條件相比，總出銅量增加了 30%，再生效率明顯提高。
（2）利用廢再生液逆流連續(xù)再生是一種效率高、成本低、利于資源回收利用的樹脂再生工藝。與全部采用新鮮再生劑的再生工藝相比，單位出銅量消耗新鮮再生劑的量減少了 30%，再生成本可下降約 30%；廢再生液二次使用后，其CCu 上升到 20g/L。有利于銅的回收，并可大幅度降低回收成本。
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