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摘要：分析了人造金刚石废水的水质，讨论了用离子交换法富集回收人造金刚石生产废水中Ni2-、Mn2+的实验室工艺流程及操作参数，同时确定了实验室条件下的最佳运行参数．
关键词：离子交换法；重金属离子；再生剂
近年来，由于全球信息产业、建筑装潢、石油钻探等方面的迅速发展，对人造金刚石以及金刚石制品的需求量猛增，以年37％的速度增长．目前中国已有人造金刚石生产企业600多家，年生产能力12亿克拉以上．占世界总产量的60％以上，堪称人造金刚石的第一产量大国．
一中型生产人造金刚石企业，年生产能力7200万克拉金刚石，每日约排放废水90～100t．
从表的数据可以看出，该废水的特点是：酸性强，重金属离子的含量高．厂方对废水的处理要求是保留废水原有的酸度，使重金属离子的含量降低到排放标准．根据废水的特点和厂方对废水的处理要求，选用了离子交换法富集浓缩该废水，其工艺流程短、效益高、能耗低，且具有良好的经济效益．
1、实验室工艺流程
图是Na型强酸性阳离子树脂除重金属离子的工艺流程．废水经初步沉淀除去大颗粒机械杂质以及悬浮物后．进入微孔过滤器，进一步除去石墨等渣质，然后直接由交换柱下方进入，由下往上逆向与树脂层接触，此过程中发生了离子交换，除去了废水中的重金属离子．处理后的水自交换柱的上方处理后水阀排出．待阳离子柱饱和后退出运行进行再生，先将交换柱下方的排废水阀打开，排出柱内全部废水，并返回到沉淀槽中，接着打开交换柱上方的再生液阀和下方的洗脱液阀，关闭交换柱下方的排废水阀和交换柱上下方的处理后水阀，对交换柱进行再生，通过交换柱下方的洗脱液排出阀，将洗脱液排出并收集．采用该工艺的优点是：1)使处理后废水保留原来的酸度，重金属离子的含量降低到排放要求；2)洗脱液中重金属离子的含量高，为进一步电解回收重金属离子提供了有利保障；3)适应废水处理量大，水质不断变化的要求；4)操作简单，占地面积小．
1，1交换过程
经微孔过滤器过滤后的废水平均水质为：PH=1，[Ni2+]=847.3mg／L;[Mn2+]=483.1mg／L，废水进入再生后的离子交换柱，开始交换时柱中的树脂呈白色或浅黄色，吸附重金属离子后呈浅绿色，随着交换的持续进行，柱内出现一条自下而上逐渐延展增深的绿色交换带，当交换带迫近底部时，重金属离子开始泄露，即[Ni2+]接近1mg／L，[Mn2+]接近2mg／L，停止交换．
1.2实验装置及操作参数
沉淀槽里的废水，经聚乙烯微孔过滤柱过滤后进入离子交换住，在直径D=40mm，长L=2m的有机玻璃柱内，装入2kgNa型强酸性苯乙烯阳离子交换树脂作交换柱，实际交换高度为H=1.6m，交换速度v=13m／h．
交换容量是树脂最重要的性能，它定量地表示树脂交换能力的大小，实际交换容量由现场测得。
可知，树脂层内交换过程的初期和中期，出水中离子的浓度接近于零，即[Ni2+]<1mg／L，[Mn2+]<2mg／L，PH=1.2，且水质稳定，交换到51L后，树脂层被穿透，出水中离子的浓度已超过国家污水综合排放标准，树脂层被彻底穿透，必须停止交换对树脂进行再生，这时的工作交换容量为E=50×(847.3／58.7+483.1／55)=1.16mg当量／ml．
1．3再生过程
采用NaC1再生剂，对交换饱和了的离子交换柱进行再生，实验中按逆流再生固定床方式进行操作．再生液先接触到饱和程度低的底层树脂，然后再生饱和程度较高的中层树脂，最后接触饱和程度最高的上层树脂．这样，再生液被充分利用，再生剂用量少，洗脱液中金属离子的含量较高．再生流速v=5m／h，再生比耗B=1.2．实验结果表明，随着再生剂浓度的提高，洗脱液的浓度也在不断地提高，当再生剂的浓度为9％时，洗脱液中重金属离子的含量可达[Ni2+]=14.1g／L，[Mn2+]=8g／L，处理水量为50L，洗脱液的量为3L．
该工艺与常规的离子交换有以下几点不同：
1)目的不同
首先排放标准不同，常规离子交换要求出水各项指标均达到国家废水排放标准，在该工艺里，PH在1左右就被排放，用以中和该公司产生的碱性废水，经过厂污水站的统一处理后，最终出水呈中性；其次对洗脱液的处置不同，常规离子交换所得的洗脱液一般都被废弃，而本工艺加入离子交换的首要目的是要获取高浓度的洗脱液，因为洗脱液中的镍、锰都是有价金属，进一步回收需要洗脱液的浓度越高越好，由图可知洗脱液的浓度随再生剂浓度的增大而升高，当再生剂浓度为9％时，可将废水浓缩16.6倍，同时使废水达到排放要求．
2)操作方式与流向不同
采用原水下进上出，控制进水流速，使柱内树脂在进水的推力下，大部分能动起来，并充分与树脂接触，防止了滞留、短流的发生，提高对原水中的金属离子的去除率和树脂的利用率．再生时，再生液上进下出，使饱和度低的树脂先被再生，原理同常规的逆流再生相似．在操作时需要注意的是，在交换结束后，先将交换柱内的残留原水从底部排空，然后再进行再生．再生结束后，将交换柱内的再生液排空后再进行交换．在这个过程中，有两次交换柱都需要排空，交换柱内有空气，是否会引起树脂层夹气呢?通过实验验证不会，因为面对排空的交换柱进水时，交换柱上方是打开的，与外界大气压相同，进水是在加压后从下方进入，进水的压力本身要大，根据压强作用定律，气体应向压强小的一方移动，这样交换柱内的空气随进水的逐渐升高而排出，另外当交换柱直径为600～800mm时，造成交换柱的夹气可能性会更小．
3)不需要反冲洗
因为常规离子交换采用反冲洗是为了松动树脂，清洗树脂层表面的污物，以利再生和交换．由于该工艺废水进入离子交换柱之前已经微孔过滤器过滤，过滤效果很好，出水浊度小于2NIU，没有污染物污染树脂．此外，从以上的工艺流程发现，逆流交换本身及原水的高酸度，使得树脂层也不可能积垢，所以该工艺里省去了反冲洗工序。
2、实验结果与讨论
由于处理水质的特殊性决定了离子交换树脂法的特殊性．厂家的处理要求是去除废水中的重金属离子而保持其原来酸度．通过实验，用离子交换树脂处理后的出水，酸性基本保持了原来的程度，废水中的重金属离子被富集在了洗脱液里．另外根据需要在交换和再生工艺上也做了一些与常规处理法不同的尝试：下进上出的交换方式，有利于充分交换，提高树脂的工作交换容量；交换后的柱排空，使再生液自始至终被充分利用，提高洗脱液中金属离子的含量；自上而下的逆流再生过程，降低了再生剂的用量．这些尝试的目的都是为了提高树脂的工作能力，提高洗脱液中金属离子的含量，使操作更加简单．