離子交換處理法在染整廢水回收處理之應用

離子交換處理法在染整廢水回收處理之應用

袁仲宇^*、林添寶^*、葉孟芬^*、高年信^**

摘 要

染整業由於產品需求，需於製程中投入各種染料、助劑、界面活性劑及鹽類等各種原 料，廢水中所含的溶解性鹽類成分相當複雜，必須於原有設備外，再增添其他高級處理程 序，方能達到廢水回收再利用之目的。本文利用現場小型模廠試驗，廢水經過濾及臭氧處 理後，以離子交換法去除水中溶解性鹽類，篩選出一適合染整廢水回收處理之離子交換樹 脂。在樹脂的選擇上，共選擇 3 種陽離子與 5 種陰離子樹脂進行可能配對組合篩選實驗。

首先由燒杯實驗進行第一階段篩選，選出數組較適合之陰陽離子樹脂組合；再以管柱實驗 進行第二段篩選，選出最適合之陰陽離子樹脂組合。結果以強酸型陽離子交換樹脂 SA-1 搭配強鹼性陰離子交換樹脂 SB-2，比例 SA-1：SB-2＝2：3 為最經濟可行之方式。接著進 行小型模廠實驗，在填充量 2：3 之比例下，處理後水質 ADMI≦5、COD≦100mg/L、硬度、

鐵、錳等均低於偵測極限，導電度≦500μs/cm，處理成本 4.8 元/升-廢水。經過多次實驗 室及現場小缸染色實驗，均能符合染色驗收標準。換言之，以回收水進行染色不僅減少廢 水排放量，並可節省大量支出成本。本實驗已成功篩選出一適合染整廢水回收處理之樹脂，

可以最經濟的方式進行染整廢水回收處理。

關鍵字：離子交換法、廢水回收、染整廢水

一、前言

世界銀行預測，公元兩千年以後，世 界上將會因缺水而產生紛爭，只是缺水紛 爭可能提前在台灣到來。水資源的缺乏已 成為台灣發展經濟最需要解決的問題之 一。隨著用水成本不斷提高，如何節水並 將廢水回收再利用，已成為染整工業成長 及發展的關鍵。

染整業因產品需求，往往需於製程中 要投入各種染料、助劑及鹽類等原物料，

故其排放廢水中所含的鹽類離子種類相當 複雜⁽¹⁾。而這些鹽類大多屬於溶解性鹽 類，一般的二級廢水處理設備無法有效將 其去除。因此本實驗藉由帶 H-form 的陽離 子交換樹脂交換廢水中的陽離子以釋出 H⁺，如式(1)所示，以 OH-form 的陰離子交 換樹脂交換廢水中的陰離子以釋出 OH^-， 如式(2)所示，釋放出的 H⁺ 與 OH^-將結合 為水，如式(3)所示。如此即可達到去除廢

第二十四屆廢水處理技術研討會論文集 中華民國八十八年十一月廿六廿七日 國立交通大學環境工程研究所

*中國紡織工業研究中心副研究員

**中國紡織工業研究中心研究員

水中溶解性鹽類，降低電導度的目的。

(1)、陽離子交換樹脂

nR-SO₃^-:H⁺ + Mⁿ⁺ → (R-SO₃^-)_nM + n H⁺ (2)、陰離子交換樹脂

nR-NR₃⁺:OH^- + A^n-→ (R-NR₃⁺)_nA +n OH^-

(3)、n H⁺ + n OH^- → n H₂O 一般離子交換樹脂種類分為強酸、弱

酸性陽離子樹脂及強鹼、弱鹼性陰離子樹 脂等四種。由於染整廢水組成複雜，無法 直接由廢水成份分析，檢測廢水中所有離 子濃度及種類，作為篩選樹脂依據。必須 藉由實際實驗，方能篩選出適合染整廢水 處理的離子交換樹脂。本文即選擇數種陰 陽離子交換樹脂進行可能配對組合，以篩 選出適合染整廢水處理之離子交換樹脂。

二、實驗方法

本文實驗用廢水來源為 A 染整廠廢水 處理場之二級處理放流水，經小型模場之 快濾桶、臭氧反應器、砂濾器後之處理水，

作為本實驗之進流水。

本中心所採取的樹脂篩選步驟及方式 如下：

1、燒杯篩選試驗

由樹脂型錄中選擇 3 種陽離子樹脂與 5 種陰離子樹脂，進行可能配對試驗(如表 一) 。由於所使用的樹脂並非均屬 H 型或 OH 型，因此在實驗進行前先以 HCl 或 NaOH 預處理，置換原有離子交換樹脂的 官能基成為 H⁺或 OH^-。

接著將樹脂分別按 1：1、1：1.5、1：

2、1：3 之體積比進行配對。配製後樹脂 總體積 30mL，混合後置於 500 mL 的燒杯 中，每次添加 200 mL 的廢水，攪拌並量

測導電度及 pH 變化。直至導電度在 800 μS/cm 以上時即達飽和，記錄總交換廢水 量，即為該組合樹脂的交換容量。

2、樹脂組合管柱試驗

依燒杯試驗結果篩選數組交換容量 較大及經濟可行的樹脂組合，進行連續式 管柱試驗。本階段的實驗設備，以直徑 5 cm、高 50 cm 的管柱分別填充 200 mL 的 陽離子交換樹脂及 400 mL 的陰離子交換 樹脂。廢水以泵浦定量進流於陽離子交換 樹脂中，經重力流後穿透樹脂進入下方承 接的燒杯中，記錄及量測導電度及 pH 值；

再以泵浦自燒杯中定量進流廢水於陰離子 交換樹脂中，同樣經重力流後穿透樹脂進 入下方承接的燒杯中，記錄及量測出流水 的導電度及 pH 值。

3、現場模場試驗

依管柱試驗結果，找出最符合經濟效 益及可行性的樹脂組合。先以 HCl 及 NaOH 再生後，將陽離子交換樹脂及陰離 子交換樹脂分別裝填於現場模場的二只樹 脂塔內，進行連續流模場試驗，模廠設備 如圖一所示。

分析項目及儀器使用參照表二，包括 pH、電導度、化學需氧量(COD)、色度 (ADMI)、鐵（Fe）、錳（Mn）、硬度、鹼 度等。

根據各階段試驗結果，可計算成本及 操作費用，作為選擇最經濟可行之離子交 換樹脂之參考。

三、實驗結果與討論

1、燒杯實驗

表三為離子交換樹脂以不同比例混合 進行燒杯試驗結果。表中顯示以 [ 陽離子 樹脂：陰離子樹脂=1：2 ] 的比例，可以 得到最佳的處理效果，其次為 2：3 的比 例；最差則是 1：1 的比例組合。

根據上述試驗結果，以 1：2 的比例進 行 各 類 樹 脂 的 配 對 試 驗 。 表 四 顯 示 以 SA-1/SB-2 的組合最具經濟效益。此外，

陽離子交換樹脂則以 SA-1 及 SA-2 兩者表 現較佳；陰離子交換樹脂則以 SB-1、SB-2 及 SB-3 三者表現較佳。上述表現較佳的 樹脂，均屬於強酸型或強鹼型樹脂。由此 結果可知，染整廢水中含有較多量的陰離 子。此可能與染整廠所使用的原物料大多 屬於陰離子或非離子性有關。因此染整廢 水較適合以強酸、強鹼型的樹脂組合進行 去除鹽類、純化水質的重要任務。

2、管柱試驗

由燒杯試驗結果篩選出下列陽離子 樹脂/陰離子樹脂組合，以 1：2 的比例，

取 陽 離 子 樹 脂 200mL 、 陰 離 子 樹 脂 400mL ，進行連續式管柱試驗。

(1).SA-1/ SB-2 (2).SA-1/ SB-4 (3).SA-2/ SB-3 (4).SA-2/ SB-4

由於各組合在操作期間 pH 與導電度 變化趨勢均極類似，故以 SA-1/SB-2 組合 之試驗結果為例，說明 pH 及電導度的變 化情形(如圖二)：

原水 pH 由 7.9 經陽離子交換樹脂後變

為 1.9，再經陰離子交換樹脂後 pH 升高為 11.2。在操作期間內，原水經陽離子交換 樹脂後 pH 均維持在 1.9；但經陰離子交換 樹脂後 pH 由 11.1，至樹脂飽和時逐漸降 低為偏酸性 5.8 左右。

原水電導度為 2.37 ms/cm，經陽離子 交換樹脂後升高為 5.65 ms/cm，再經陰離 子交換樹脂後變為 0.3 ms/cm。當樹脂逐漸 飽和時，原水經陽離子交換樹脂後電導度 由 5.65 ms/cm 逐漸降至 3.50 ms/cm；而陰 離子交換樹脂則由 0.3~0.2 ms/cm 逐漸升 高至 0.8 ms/cm。當超過 0.8 ms/cm 時，即 已超過染整廠用水標準，表示樹脂已經飽 和，必須進行再生。

根據管柱試驗結果，統計各組合廢水 交換容量及處理成本，列如表五，表中顯 示以 SA-1/SB-2 的組合最經濟可行。但考 慮現場模廠離子交換樹脂塔設備的構造及 操作特性，以 2/3 的填充比例較能提供樹 脂足夠的膨漲空間，故再進行 SA-1/SB-2 比例 1：2 與 2：3 的管柱試驗。試驗結果 如表六所示。由交換容量及處理成本顯 示，1：2 的比例組合較 2：3 組合佳，但 成本差距有限，考慮現場操作特性，最後 決定填充 2/3 的比例進行模廠試驗。

3、現場模廠試驗

將 SA-1/SB-2 以 2：3 的比例分別填充 於樹脂塔內，進行模場試驗。

操作期間，針對各單元採樣點進行水 質分析結果如圖三及圖四所示。在 pH 及 電導度的變化趨勢方面，均與管柱試驗有 相同結果。在硬度、鹼度、Fe、Mn 等影 響染色用水水質的項目上，均有令人滿意

的去除效果，出流水均低於偵測極限。在 實驗中亦發現 COD 與色度經過離子交換 處 理 後 ， 均 有 60% 以 上 的 去 除 效 果 。 S.H.Lin & M.L.Chen 在以物化方法處理 紡織廢水的研究上⁽²⁾ ，也有類似發現。由 於染整廢水中含有許多複雜的陰離子性官 能基，這些物質是難分解 COD 的主要來 源，這可由圖三的 COD 在經過陰離子交 換樹脂後可由 200mg/L 降至 90mg/L 得到 證明，這些造成 COD 的陰離子被交換後，

吸附在離子交換樹脂上，直到樹脂飽和 時，這些離子又被其它物質交換出來，而 造成樹脂飽和階段 COD 的突增。同樣的 情形，也發生在色度的變化上，由於色度 在經過離子交換前，已經先以臭氧去除大 部份色度，故其變化情形不若 COD 明顯，

但也可推測某些造成色度之物質，也具有 陰離子性官能基。

此模廠單元在操作階段，平均處理了 3.7m³的廢水，處理成本約 4.8 元/升-廢 水，與管柱試驗處理處理成本 8.5 元/升- 廢水相較，降低許多，此乃由於模廠試驗 之樹脂塔為壓力式，可提高交換效率之 故。經處理後水水質優於染色用水，經過 多次實驗室及現場小缸染色實驗，均能符 合染色驗收標準。換言之，以回收水進行 染色不僅減少廢水排放量，並可節省大量 支出成本。

四、結論

本研究係以現場模廠之離子交換單元 實際處理染整廢水，經由實驗室燒杯試 驗、管柱試驗至現場模廠試驗，可得到以 下結論：

1、染整廢水由於工廠特性，水質水量變 化大，必須藉由現場試驗，以選擇最

適合的樹脂種類。

2、由於染整廢水中 COD 影響樹脂交換容 量甚大，故染整廠可由製程控制、原 料改變或廢水處理設施改善著手，降 低廢水 COD 濃度，以延長樹脂交換 操作時間，增加交換容量，結省設備 經費。

3、經由樹脂交換所得處理水，pH 約 9.5 導電度 0.03ms/cm，而染整用水標準 pH 約 7.8 導電度 0.8 ms/cm，故可適 量混合處理水與軟水，以結省操作成 本。

參考文獻

1. 工業污染防治技術服務團，染整業水污 染防治技術，經濟部工業局，民國 83 年 6 月

2. APHA, Standard Method for the Examination of Water and Wastewater, 17^th edition, American Public Health Association, Washington, D. C. (1989).

3. Sheng H. Lin and Ming L.Chen, Treatment of Textile Wastewater by Chemical Methods for Reuse, Wat. Res.

Vol. 31, No. 4, pp. 868-876, 1997

表一 離子交換樹脂種類

項次 樹脂種類 品 名 特性 1 陽離子交換

樹脂

SA-1 強酸型

2 SA-2 強酸型

3 WA-1 弱酸型

4

陰離子交換 樹脂

SB-1 強鹼型

5 SB-2 強鹼型

6 SB-3 強鹼型

7 SB-4 強鹼型

8 WB-1 弱鹼型

表二 分析方法及儀器

項目 分析儀器

PH PH meter Temp 電子溫度計(EC-210) 電導度 手提式電導度計

化學需氧量 分光光度計(Merk SQ 118)封閉式迴流法 色度 分光光度計(Merk SQ 118)環保署公告檢驗法

鐵 分光光度計(Merk SQ 118) 錳 分光光度計(Merk SQ 118) 硬度 滴定法 Merck total hardness test 鹼度 滴定法 Merck alkalinity test

表三 不同樹脂比例的燒杯試驗

樹脂種類 (陽/陰)

用量(mL) (陽/陰)

廢水交換容量 (mL)

處理成本 (元/ L 廢水)

SA-1/SB-2

15/15 500 9.15 12/18 600 8.20

10/20

6.44

7.5/22.5 600 6.78 SA-2/SB-3

15/15 200 29.25 12/18 600 10.00 10/20 900 9.06

註：處理成本定義為：

處理成本=(陽離子樹脂填充量(mL)*陽離子樹脂單價(元/

mL)+ 陰 離 子 樹 脂 填 充 量 (mL)* 陰 離 子 樹 脂 單 價 ( 元 / mL))/廢水交換容量(L)

表四 陽：陰離子比例 1：2 時樹脂組合燒 杯試驗結果

樹脂種類

用量(mL) (陽/陰)

廢水交換 容量 (mL)

處理成本*

(元/ L 廢水) 陽 陰

SA-1

SB-2

10/20

800 6.44

SB-3 700 7.64

WB-1 600 8.18

SB-1 400 11.38

SB-4 800 8.06

SA-2

SB-2

10/20

700 8.43

SB-3 900 6.78

WB-1 700 8.09

SB-1 400 13.25

SB-4 1000 7.20

WA-1

SB-2

10/20

400 16.50

SB-3 200 34.00

WB-1 200 31.80

SB-1 300 20.00

SB-4 600 13.17

表五 各類樹脂組合的管柱試驗結果

樹脂種類 用量(mL) (陽/陰)

廢水交換 容量

(L)

處理成本*

(元/ L 廢水)

陽 陰 IRC 120 IRA 910

200/400 11.7

8.8

200/400 8.8 13.9 4400 OH 8.3 17.3 IRC 76 IRA 910

200/400 0.0 - 4400 OH 0.0 -

表六 IRC 120H/IRA 910 管柱試驗效益分析 用量(mL)

(陽離子/陰離子)

廢水交換容量 (L)

處理成本*

(元/ L 廢水) 200/400 12.7

8.11

240/360 11.5 8.56

採樣點 分析項目

進流水

經 陽 離 子 交 換樹脂

經 陰 離 子 交 換樹脂 PH 7.4 1.8±0.13 9.7±0.15 Cond.(Ms/cm) 1.74 5.16±0.64 0.03±0.01 Hardness(mg as CaCO3/L) 41.5 N.D N.D Alk.(mg as CaCO3/L) 221 N.D N.D Fe(mg/L) 0.156 0.200±0.139 0.008±0.010

Mn(mg/L) 0.25 0.04 0.002 COD(mg/L) 227±11 197±8 87±30

ADMI(mg/L) 10±9 4±2 3±1 註：1.表中數值格式：平均值±標準偏差

2.N.D：數據低於儀器檢測範圍

圖一 現場模廠設備配置圖

廢水 出流水

陽離子交換樹脂 陰離子交換樹脂

SA-1 SB-2

NaOH HCl

反洗水至 廢水場

0 2 4 6 8 10 12

進流水 陽離子交換數脂 陰離子交換樹脂

COD, 硬度, 鹼度

0 50 100 150 200 250 300

其它水質項目

PH C o n d.(Ms/cm) A D M I(mg/L) Fe(mg/L) Mn(mg/L) C O D ( m g / L) Hardness(mg as CaCO3/L) Alk.(mg as CaCO3/L)

圖三 模廠操作期間各單元水 質變化情形

0 100 200 300 400 500 600 700 800

0 2 4 6 8 10 12

時 間 ( h r )

COD & Conductivity

0 5 10 15 20 25

其 他 水 質 項 目

COD(mg/L) Cond.(us/cm) Hardness(mg as CaCO3/L) Fe(mg/L) Alk.(mg as CaCO3/L) Mn(mg/L) ADMI(mg/L) pH

圖四 經模廠離子交換處理後水 質變化情形

0 1 2 3 4 5 6

0 20 40 60 80 100 120 140 160

時間(min) 電 導 度 ( m / c m )

0 2 4 6 8 10 12 陽離子-電導度(ms/cm) 陰離子-電導度(ms/cm)

陽離子-pH 陰離子-pH

註 : 1 . 取 陽 離 子 2 0 0 m L , 陰 離 子 4 0 0 m L 進 行 試 驗 2 . 可 交 換 總 廢 水 量 1 1 . 7 L

3 . 原 水 p H 7 . 9 , 電 導 2 . 3 7 m s / c m

pH

圖二 離子交換樹脂(SA-1/SB-2)管柱試驗