Purolite? C100E与SSTC60用于重金属吸附及后续硫酸盐去除的性能比较：等温线、动力学与技术经济评估

《Desalination and Water Treatment》：Performance Comparison of Purolite? C100E and SSTC60 for Heavy Metal Adsorption Followed by Sulfate Removal: Isotherm, Kinetics, and Techno-Economic Assessment

　　

本研究对常规阳离子交换树脂和先进的浅壳技术树脂（Purolite SSTC60）结合强碱性阴离子交换树脂（Purolite A400OH）进行了比较评估，用于从水溶液中顺序去除Cu(II)、Zn(II)、Fe(II)、Ag(I)和硫酸盐。研究人员系统研究了接触时间、初始浓度、吸附等温线和动力学、再生、机制和技术经济性能的影响。两种阳离子交换树脂均表现出快速去除金属的能力，在150 mg/L时Cu(II)接近100%。在1000 mg/L时，SSTC60对Fe(II)的去除率（77.8%）显著高于C100E（31.1%），并且在多组分废水中表现出更好的性能，特别是对于Fe(II)。固定床穿透分析表明，SSTC60具有延迟的穿透和较慢的床耗尽；在C100E中，Fe(II)在大约120 min时达到完全穿透，而在SSTC60中，所有离子在大约150 min时达到C/C₀ ≈ 1。Langmuir模型最能描述大多数吸附系统，并且SSTC60对Cu(II)、Zn(II)、Fe(II)和Ag(I)的最大容量分别为59.87、51.71、48.74和45.54 mg/g，超过了C100E。扫描电子显微镜-能量色散X射线光谱（SEM-EDX）支持了浅壳结构在促进离子传输和活性位点利用方面的作用。在40 min内硫酸盐去除率超过95%，在60 min后接近100%。A400OH使用1.2 mol/L NaOH实现了99.9%的再生效率，而SSTC60所需的再生剂比C100E少约30%。技术经济分析表明，SSTC60的能耗（0.045–0.09 kWh/m³）和水的平准化成本（LCOW，0.021–0.24 USD/m³）更低。总体而言，SSTC60–A400OH系统在废水处理方面表现出卓越的吸附性、延迟的穿透、高效的再生和增强的经济可行性。

重金属污染是全球性环境问题。重金属具有生物累积性且不可生物降解，会对生态系统和人类健康造成严重威胁。电镀、采矿等工业活动排放的废水中常含有Cu(II)、Zn(II)、Fe(II)和Ag(I)等有毒金属离子，且常伴随高浓度无机阴离子如硫酸盐。尽管离子交换树脂因高选择性和低污泥产量被广泛用于废水处理，但常规凝胶型树脂在多组分竞争条件和高质量浓度负载下传质受限且吸附容量易饱和。以往研究多聚焦于单一金属系统，缺乏对常规凝胶型树脂与浅壳技术树脂在阴阳离子交换集成工艺中的综合对比，特别是在吸附性能、再生行为及技术经济评估方面。

针对上述问题，研究人员开展了常规凝胶型阳离子交换树脂与浅壳技术阳离子交换树脂在顺序阴阳离子交换工艺中去除重金属和硫酸盐的性能比较研究。研究表明，Purolite SSTC60凭借其浅壳结构缩短了离子扩散路径，在吸附容量、穿透延迟和再生效率上均优于C100E。该研究为工业废水处理中高性能离子交换材料的选择提供了机制、运行和经济层面的综合依据，具有重要的工程应用价值，论文发表在《Desalination and Water Treatment》期刊上。

研究人员主要采用固定床柱吸附实验装置，装填60 g离子交换树脂并在重力驱动下以3 cm³/min恒定流速通入150 mL金属离子溶液，实验温度控制在25 ± 1°C，初始pH调至7.0–7.5。利用火焰原子吸收光谱法（AAS）测定处理前后金属离子浓度。通过改变pH、树脂投加量、接触时间和初始浓度进行吸附平衡与动力学分析。结合扫描电子显微镜-能量色散X射线光谱（SEM-EDX）表征树脂形貌和元素组成，并运用技术经济模型分析比能耗（SEC）和水的平准化成本（LCOW）等指标。

Effect of Solution pH on Ion Removal Efficiency：通过研究不同pH条件下的吸附性能，发现随pH从1升至6-7，两种树脂的去除率均逐步提高，因为在强酸性条件下过量Na⁺会与金属阳离子竞争磺酸基交换位点。SSTC60在更宽的pH范围内实现了大于95%的去除率，这得益于其浅壳结构缩短了颗粒内扩散路径。

Effect of Cation Resin Dosage on Ion Removal Efficiency：通过将树脂投加量从30 g增至100 g进行实验，得出60 g为最佳投加量。此时SSTC60对Cu(II)、Zn(II)、Fe(II)和Ag(I)的去除率显著高于C100E，特别是Fe(II)的去除率提升了约76.9%。超过60 g后去除率无显著增加，表明交换位点已过量。

Effect of Anionic Resin Dosage on Sulfate Ion Removal Efficiency：通过测试30至100 g的A400OH阴离子树脂投加量，发现50 g为最佳值。A400OH对硫酸根的去除率始终高于第一阶段的阳离子去除率，因为溶液中硫酸根是主导阴离子，竞争较小。SSTC60预处理产生的水质更均匀，使得后续硫酸根去除效率更高。

Effect of Contact Time on Cation Exchange Resin：通过监测5至60 min内的去除率变化，发现大部分吸附发生在前30 min，60 min时达到平衡。SSTC60表现出更快的动力学，在60 min时对Cu(II)、Zn(II)、Fe(II)和Ag(I)的去除率分别达到100%、98.2%、98.2%和97.3%，优于C100E。

Effect of Contact Time on Anion Exchange Resin：通过考察A400OH对硫酸根的去除随时间的变化，发现前40 min内去除率显著上升并超过85-90%，60 min时接近平衡。经SSTC60预处理后的溶液在所有接触时间下硫酸根去除率均更高，40 min时超过95%，60 min时接近100%。

Effect of Initial Concentration on Cation Exchange Resin Removal Efficiency：通过配置150至1000 mg/L的金属离子溶液进行测试，发现两种树脂的吸附容量均随初始浓度增加而上升。SSTC60在全部浓度范围内均保持较高的吸附容量，而C100E对Fe(II)的吸附容量在600 mg/L后下降。SSTC60的核壳结构使其在高离子负载下仍能高效利用交换位点。

Effect of Initial Concentration on Anion Exchange Resin Removal Efficiency：通过使用150至1000 mg/L的硫酸盐溶液评估A400OH的性能，发现其吸附容量随浓度增加而增加。SSTC60预处理后的A400OH吸附容量始终高于C100E预处理，表明高效的阳离子去除减少了进入阴离子柱的残余离子负荷。

Cross-Sectional Analysis of Ion-Exchange Resin Beads：通过对比吸附Cu(II)前后的扫描电子显微镜（SEM）图像，发现吸附后树脂表面出现小沉积物和局部形态变化，但未发生明显的结构损伤或颗粒破裂，表明吸附过程主要通过离子交换进行且树脂保持了机械完整性。

SEM–EDX Analysis：通过对新鲜和吸附Cu(II)后的SSTC60树脂进行SEM-EDX分析，发现吸附后的能谱中出现了约8.66 keV处的Cu特征峰，证实了Cu在树脂表面的成功摄取。树脂珠的球形形貌基本未变。

Breakthrough Behavior of C100E and SSTC60 under Continuous Fixed-Bed Operation：通过在1000 mg/L初始浓度下获取穿透曲线，发现SSTC60的穿透延迟且床耗尽更慢。C100E中Fe(II)在120 min时C/C₀ ≈ 1，而SSTC60中所有离子在150 min时才达到C/C₀ ≈ 1。这归因于浅壳结构降低了有效扩散距离。

Adsorption Isotherm Analysis：通过Langmuir、Freundlich和Dubinin-Radushkevich模型拟合数据，发现SSTC60对所有测试金属均与Langmuir模型高度吻合。SSTC60对Cu(II)、Zn(II)、Fe(II)和Ag(I)的最大吸附容量分别为59.87、51.71、48.74和45.54 mg/g，均超过C100E。

Analysis of Adsorption Kinetics：通过伪一级、伪二级和颗粒内扩散模型分析，发现伪二级模型对两种树脂的所有金属离子拟合最佳，表明吸附受离子交换相互作用的控制。Weber-Morris模型显示拟合线未通过原点，证实颗粒内扩散参与但非唯一速率限制步骤。

Mechanistic Insights into Ion–Resin Interactions：通过结合SEM观察与吸附行为，证实SSTC60的浅壳结构将功能交换位点集中在树脂珠外壳附近，缩短了金属离子到达活性位点的扩散距离，降低了颗粒内传质阻力，从而提高了去除率和再生效率。

Regeneration of the Cation Exchange Resin：通过使用0.2至1.0 mol/L的NaOH进行再生实验，发现SSTC60仅需350 mL再生剂即可达到75.24%的回收率，而C100E需500 mL达到68.9%，SSTC60的再生剂消耗减少约30%，这得益于其缩短的扩散路径使Na⁺更易置换结合态金属离子。

Regeneration of the Anion Exchange Resin：通过使用0.5、0.75和1.2 mol/L的NaOH对A400OH进行再生，发现1.2 mol/L NaOH实现了99.9%的硫酸根脱附效率。高浓度的OH^-克服了二价硫酸根与季铵官能团之间的强静电相互作用，实现了近化学计量的再生。

Evaluation of Multi-Component Heavy Metal Removal Under Simulated Industrial Wastewater Conditions：通过配置模拟电镀废水的多组分溶液进行实验，发现在竞争条件下SSTC60的优势更显著。C100E对Fe(II)的去除率在多组分下骤降至约20%，而SSTC60仍保持约75.3%的去除率，表明常规凝胶型树脂更易受竞争和扩散限制，而浅壳结构在竞争条件下也能高效吸附。

Comparison of the Proposed Ion-Exchange System with Established Heavy-Metal Treatment Technologies：通过与纳滤、反渗透、电混凝和吸附等技术对比，指出离子交换具有高选择性、低压运行、污泥少且可同时去除阴阳离子的优势。本研究旨在同一技术类别内评估先进树脂相对于常规树脂的性能提升。

Energy and Economic Estimation：通过计算资本支出、运行维护成本（O&M）、SEC和LCOW，得出SSTC60尽管初始采购成本较高，但由于再生频率低且能耗低，其LCOW为0.021-0.24 USD/m³，低于C100E的0.036-0.48 USD/m³，具有更好的长期经济性。

Comparison with Recent Literature and Practical Performance Benchmark：通过与2022至2026年间文献的基准对比，指出本研究将固定床运行、动力学建模、再生优化和技术经济评估结合在单一框架内，提供了比大多数间歇平衡实验更全面的实际评估视角。

总结讨论部分：本研究对常规凝胶型阳离子交换树脂和先进浅壳阳离子交换树脂在顺序固定床离子交换工艺中去除Cu(II)、Zn(II)、Fe(II)和Ag(I)，随后用Purolite A400OH去除硫酸盐的性能进行了比较评估。在相同操作条件下，SSTC60凭借其浅壳结构、缩短的扩散路径、降低的颗粒内传质阻力和增强的官能团可及性，表现出更优性能。在最佳条件下，SSTC60对Cu(II)、Zn(II)、Fe(II)和Ag(I)的去除率分别达到100%、98.2%、98.2%和97.3%。在1000 mg/L时，SSTC60对Fe(II)的去除率达到77.8%，而C100E仅为31.1%。Langmuir模型显示SSTC60的最大吸附容量均超过C100E。多组分实验和动态固定床实验进一步证实了SSTC60在竞争条件下的抗性和更慢的床耗尽速度。SEM-EDX表征支持了浅壳结构在促进离子传输方面的作用。第二阶段硫酸盐去除实验表明，使用A400OH并在SSTC60预处理后，40 min内硫酸盐去除率超95%，60 min接近100%，且A400OH用1.2 mol/L NaOH的再生效率达99.9%。经济上，SSTC60的能耗和LCOW均更低。本研究通过综合评估树脂架构与吸附性能、选择性和经济性的联系，为工业废水处理中高性能离子交换材料的选择提供了全面依据。