《Desalination》：Mass transfer study for the removal of copper ions from industrial wastewater using fluidized bed ion exchange reactor impingement with jet flow
编辑推荐：
离子交换树脂在轴向往复冲击湍流流体化床反应器中高效去除铜离子，研究参数包括初始浓度、喷嘴直径、流速及树脂用量，实验获得96%去除率，传质系数0.2 cm/s（16分钟），建立Sh=7×10^-5 Re^1.31 Sc^0.33关联式。
S.E. Tafeh | H.A. Farag | G.H. Sedahmed | D.A. Elgayar
埃及亚历山大大学工程学院化学工程系
摘要
本研究采用循环批次反应器研究了从工业废水中去除铜离子的方法，该反应器由填充有阳离子交换树脂的流化床组成，并受到轴向湍流喷射流的作用。系统地探讨了关键操作参数对传质性能的影响，包括初始铜离子浓度、喷射流速度、喷嘴直径、树脂重量（单位：g/l）以及喷嘴喷射表面与反应器底部之间的距离。实验结果表明，随着喷射流速度、喷嘴直径和树脂用量的增加，传质速率提高；而初始铜离子浓度的增加则会导致传质速率下降。此外，当喷嘴喷射表面与反应器底部之间的距离减小时，传质速率有所提升，在3–4厘米的最佳距离处达到最大值，之后随着距离进一步减小，传质速率又逐渐下降。实验表明，使用流化床喷射反应器可使传质速率比自然对流提高55倍，仅需16分钟即可实现96%的铜离子去除效率，传质系数为0.2 cm/s。通过无量纲分析对实验数据进行处理，并建立适用于设计和放大应用的数学模型。在466.97 < Re < 4691.67、1290.89 < Sc < 1416.53的条件下，实验数据符合以下无量纲关系式：
Sh = 7 \cdot 10^{-5} Re^{1.31} Sc^{0.33} 引言
在现代制造设施中，建立工业废水处理系统已成为不可或缺的部分，尤其是涉及金属加工的工厂。工业废水中排放的重金属离子（如Cu2?、Hg2?、Cr??和Cd2?）对人类健康、水生生物和土壤生态系统构成严重威胁，因为这些离子不可生物降解且容易在环境中积累[1]。因此，有效去除和处理这些污染物对于减少其对人类和环境的危害至关重要。此外，适当的处理措施还能防止重金属不受控制地释放到自然水体中，从而避免对海洋生物、土壤质量和其他环境因素造成破坏。
铜是众多工业领域中应用最广泛的金属之一。废水中铜污染的很大一部分来源于家庭管道系统，在美国，这类系统贡献了约40–50%的总铜离子负荷[2]。此外，铜及其合金在电镀、无电镀、涂料和颜料生产、印刷电路板制造、金属表面处理、合金表征、纺织品染色、木材防腐以及铜基材料的电抛光等领域发挥着重要作用，这些行业对现代发展至关重要，难以被替代。因此，开发可靠高效的工业废水处理技术变得十分紧迫。这些技术不仅旨在去除铜离子，还能实现水资源的再利用。目前已探索了多种处理方法，包括离子交换、吸附、电化学方法、沉淀、反渗透和沉淀法[3][4][5][6][7][8][9]。然而，尽管这些技术已经存在，但在实现更高铜去除效率方面仍面临挑战，需要开发更加创新和综合的系统。
离子交换是一种广泛应用于工业过程中的关键分离技术。尽管它在理论原理上与吸附和色谱法有一定相似之处，但其工作原理有所不同。其主要工业应用包括水处理（特别是软化和脱矿过程），以及从废水中回收有价值的金属和化合物。离子交换的概念最早由Thompson和Way在19世纪中叶系统研究，他们研究了土壤与肥料之间的离子交换过程。历史观察可以追溯到更早的时期；例如，亚里士多德就注意到海水通过沙子过滤后会变得不那么咸。在离子交换过程中，相同电荷的离子在固体基质（如晶体或聚合物凝胶结构）和水溶液之间进行交换。根据交换离子的类型，材料被分为阳离子交换剂或阴离子交换剂。离子交换速率主要受固体和液体相之间的浓度梯度以及保持电中性要求的影响[10]。现代基于聚合物的离子交换树脂在从工业废水中去除和回收重金属方面表现出极高的效率[11][12][13][14][15]。
多项研究已经探讨了使用离子交换树脂去除重金属离子的方法，证明这种技术可以有效克服传统处理方法的许多局限性。为此目的采用了不同的反应器配置，包括旋转固定床反应器[1][16]、旋转流化床反应器[17]以及结合脉动技术的离子交换系统[18]。
尽管喷射流技术已广泛应用于喷射蚀刻、电镀、干燥和电化学加工等工业领域以提高传质效率，但在工业废水处理中的应用却鲜有报道[19]。仅有少数研究探讨了喷射反应器在这些领域的应用，例如使用非浸没式喷射反应器和浸没式喷射反应器研究了铜在锌金属上的沉淀过程[19][20]，这些研究证实了喷射反应器在去除铜离子方面的高效性。这种高效性能归因于反应器能够在液相中产生强烈的湍流，从而显著改善传质和传热过程。
据我们所知，目前尚无研究使用流化床或固定床离子交换喷射反应器去除重金属离子的相关工作。因此，本研究是该领域的首次创新性贡献。此外，喷射反应器还具有额外的操作优势，因为它没有内部运动部件，简化了操作并降低了维护要求。
本研究的目的是通过使用流化床离子交换喷射反应器从合成硫酸铜溶液中去除铜离子，从而提高工业废水中重金属离子的传质速率。通过优化反应器设计（如喷嘴直径、喷嘴与反应器底部的最佳距离、树脂用量和溶液流速）来实现传质效率的提升，以开发出高效、经济且节能的反应器设计。
设备
本研究使用的实验装置如图1所示。该装置为一个圆柱形有机玻璃反应器，内径为15厘米，高度为25厘米。喷嘴轴向安装在反应器中心，通过特氟龙套筒固定，这些套筒再与直径约为1.5厘米的塑料管相连，溶液通过该管道流入反应器。本研究考察了三种不同直径的喷嘴。
结果与讨论
传质系数根据批次反应器设计计算得出：
Q \cdot \ln Co / t = KA
树脂的表面积通过以下公式计算：
A = \frac{m_{\text{树脂}}{d_{\text{树脂}} \cdot \rho_{\text{树脂}}
结论
