离子交换法处理某线路板厂含铜废水工艺的优化
[摘要] 对某线路板厂含铜废水处理装置的离子交换柱再生工艺条件进行了优化。结果表明，当再生液流量为2000L/h，再生剂质量分数为 8.5%时，每次交换出的总铜量达 26.1-29.0 采用再生液二次利用工艺时，每次交换出的总铜量为了18.5-21.3kg，废再生液 Cu2+质量浓度上升到 20g/L，可节约再生剂用量，并有利于铜的回收。
[关键词] 离子交换；再生；废水处理；含铜废水。
线路板生产过程中的沉铜、 电镀、 蚀刻、 干膜磨板等工序排出大量清洗废水。该放心水主要含铜离子及少量重金属离子，含量远大于国家排放标准（Cu2+ ≤0.5mg/L） ，因此必须予以处理。
某港资线路板厂在扩建的同时建成废水处理装置 1 套， 采用离子交换法处理含铜废水。其原理是利用阳离子交换树脂对 Cu2+ 等金属离子的选择性吸附特性，达到去除废水Cu2+ 等金属离子，使之达标排放的目的。
由于该厂废水处理装置的交换柱过流面积、树脂层高度、树脂性能已不能改变；而废水水质、温度等也难以调整，对交换过程进行优化已没有实际的意义。而再生过程的好坏将对废水处理成本及处理效率起决定性的影响，所以，笔者研究将以再生工艺条件优化作为主题。
1 实验部分
1.1 再生工艺流程
再生流程采用逆流连续再生工艺，见图1 所示。
其中，树脂柱的直径为 800mm，树脂的填充高度为 800mm。
1.2 再生操作步骤
当交换过程中 B 柱出水 Cu2+ 含量超标时，须对树脂柱进行再生。其操作步骤为：
（1） 用自来水对树脂柱进行反洗。 先单独反洗 B柱， 待其出水变清后再 B-A串联反洗。待 A柱出水变清后停止反洗。
（2）选用盐酸为再生剂，按规定的浓度配置好再生液。开启再生剂泵，并调节好流量，对树脂柱进行逆流连续再生。
（3）再生液进料完毕后，以相同的流量用自来水洗涤树脂柱1h。再生完毕。 在再生过程中，每隔 5-10min 树脂柱出口取样分析废酸的 Cu2+ HCl 含量。
1.3 仪器与药剂
仪器：DR-890比色计，PH 计，滴定管等。
药剂：1-（2-吡啶偶氮）2-萘酚（PAN） ，NaOH，EDTA，NH3•H2O，甲基橙等。
2 实验结果及讨论
2.1 再生工艺条件的变化
（1）因素-水平的确定。采用正交实验法对再生工艺条件进行优化。工厂原来的应用情况表明，盐酸是良好的再生剂，逆流连续再生方式具有效率高、操作便利的优点，所以这两个因素不予改变；以往再生剂的用量每次为质量分数的30%的 HCl 400L，本次实验也不予改变；而再生温度随气温变化而变化，且波动不大，其对再生效率的影响可忽略；所以，我们确定以再生液浓度、再生液流量作为本次再生工艺条件优化的因素[1]，以再生过程通过树脂交换出的 Cu2+总量作为评判各次实验优劣的依据。该厂原来采用的再生剂质量分数为 7.5%，再生剂流量为 1500L/h。以此为基础，并根据现场条件，选定再生剂质量分数为7.5%、8.5%、9.5%，再生剂流量为1500、1700、2000L/h进行正交实验。
（2）再生过程总出铜量的计算。通过检测再过程各时间段 A、B 树脂柱口
废再生液中的 Cu2+浓度和 HCl 浓度，可以得到各次实验再生时间（T）与废配中 HCl 质量分数（CHCl）和废酸中 Cu2+质量浓度（Ccu）之间的关系曲线，如图 2所示（X轴为再生时间 T，该图中的数值包括自来水反洗时间） 。
由于采用逆流连续再生工艺，则各次实验的总出铜量为 A 树脂柱出口废再生液中的含铜总量，可通过下式计算：
Wcu = ΣQ•CCu•△T/1000
式中：Wcu —— 再生过程的总出铜质量，Kg；
Q —— 再生剂流量，L/h；
CCu —— 各计算时间段 A树脂柱出口废酸中 Cu2+ 的平均质量浓度，g/L；
△T —— 各时间段的区间，min。
（3）正交实验结果见表 1。
从表 1 可知，因素再生剂流量 Q 是影响总出铜量的主要因素，在再生剂的流量为 1500-2000L/h 的范围内，再生剂的流量越大，再生效果越好。由于当时装置配备的再生剂流量计（转子流量计）的最大测出流量为2000L/h，所以无法增大再生剂流量，因此，将本次正交实验的优位组合 Q3 C2 确定为优化工艺条件，即：再生剂流量为 2000L/h，再生剂质量分数为 8.5%。
表 1 正交实验结果及分析
实验号 再生剂流量Q/（L•h-1 ） 再生剂质量分数 C/% 总出铜质量 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
极差 5.8 1.2
结果 Q3>Q2>Q1 C2>C3>C1
对以上优化工艺条件进行多次验证实验，总出铜质量均在 26.1-29.0Kg。与
工厂原有再生工艺条件相比，总出铜量增加了 30%，再生效率明显提高。
2.2 再生液二次回用实验
从再生过程的CCu -T和 CHCl -T曲线图（图 2）可以看出，当再生进行到一定的时间，A柱出口废再生液的 CCu 下降、CHCl 上升，这部分废再生液具有回用的价值，其量约占废再生液总量的50%。
先用二次回用的废水再生液逆流连续再生 A、B树脂柱30-40min，再用新鲜再生液进行再生。新鲜再生液（30%HCl）用量为 200L，再生液浓度及再生液流量仍采用优化工艺条件。 实验得到的 CCu–T 和 CHCl–T曲线图如图 3 所示 （图中 CCu的数值已扣除了回用再生液中的含铜量） 。
通过同样的计算方法，可以得到每次实验的出铜质量在 18.5-21.3Kg。再生液二次利用逆流连续再生工艺具有以下优点：
（1）与全部采用新鲜再生液的再生工艺相比，单位出铜量消耗新鲜再生剂的量减少了 30%，再生成本可下降约30%。
（2）经二次使用后，废再生液 CCu上升到20g/L，有利于废酸中铜的回收。
由此可见，再生液二次利用逆流连续再生是一种效率高、成本低、利于资源回收利用的再生工艺。该工艺在该厂已使用2a，效益明显。
3 结束语
（1）通过优化实验，得到阳离子交换系统的优化工艺操作条件：再生剂质量分数为 8.5%，再生剂流量为2000L/h。在该条件下操作，再生过程的总出铜质量为 26.1-29.0Kg。与工厂原再生工艺条件相比，总出铜量增加了 30%，再生效率明显提高。
（2）利用废再生液逆流连续再生是一种效率高、成本低、利于资源回收利用的树脂再生工艺。与全部采用新鲜再生剂的再生工艺相比，单位出铜量消耗新鲜再生剂的量减少了 30%，再生成本可下降约 30%；废再生液二次使用后，其CCu 上升到 20g/L。有利于铜的回收，并可大幅度降低回收成本。
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