微电解法预处理高浓度含镍电镀废水的研究

Posted 2023-01-12 时间

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实验探讨了微电解法处理高浓度电镀废水的效果，考察了pH值、铁炭比、铁炭总投加量和反应时间对镍去除率的影响。实验得出的最佳反应条件为：pH为3、铁投加量60g/L、炭投加量60g/L，反应120min时，镍的去除率可达64.09%，较好的降低了废水中Ni2+的含量，为后续处理奠定了基础。
目前，电镀废水仍然是水体环境的主要污染源之一。电镀废水的污染主要为酸碱污染、部分有机物的污染和重金属污染，其中重金属污染又是电镀废水治理的重中之重。镍是最常见的致敏性金属，镍进入人体后可以造成器官的慢性病变。如果误服较大量的镍盐，会产生急性胃肠道刺激现象，发生呕吐、腹泻，严重时会引起酶系统中毒，甚至危及生命。一些镍的化合物，如羟基镍[Ni(CO)4]和镍尘被认为是致癌物质。世界卫生组织所属的国际癌症研究机构(IARC)公布的39种(类)对人致癌物质中，镍被列为其中之一。电镀废水的处理方法很多，按其作用原理，可分为物理方法、化学方法、物理化学方法、生物方法四类。微电解法是利用金属腐蚀原理，形成原电池对废水进行处理的良好工艺，又称内电解法、铁屑过滤法等。该工艺是在20世纪70年代应用到废水治理中的，该法具有适用范围广、处理效果好、使用寿命长、成本低廉及操作维护方便等优点，并使用废铁屑为原料，也不需消耗电力资源，具有“以废治废"的意义。近年来，微电解法在处理印染废水电镀废水、染料生产废水、石油化工废水和煤气洗涤废水等工业废水方面有过应用研究[7-8]。
1.实验部分
1.1基本原理
微电解技术是采用工业铸铁屑为原料，利用微电池腐蚀原理所引起的电化学、化学反应和物理反应(包括氧化、还原、置换、絮凝、吸附、共沉、过滤等诸多原理)综合作用，去除水中重金属的一门技术。其中，氧化-还原主反应层是微电解技术的核心[9-10]。
1.2水样水质的测定与水质特点
本研究处理的高浓度含镍电镀废水，来自青岛某电子有限公司，随着生产规模的扩大，日产含镍电镀废水量达到了约800L/天，主要成分为NiSO4、NaHPO2、CH3COONa和Na2(CH)2(COO)2等，废水处理的投资很大，但效果欠佳，公司一直寻找有效解决废水问题的出路，水质数据见表1所示。

由表1可以看出，该电镀废水Ni2+及CODCr含量均较高，这对废水的处理带来了不小的难度。要满足《电镀污染物排放标准》(GB21900-2008)中对镍最高允许排放浓度为0.5mg/L的要求，需用2种或多种方法联用处理。
1.3实验步骤
量取200mL含Ni2+废水于烧杯中，用30%的H2SO4溶液调节pH，分别加入活性炭(粒状)和铁粉，经六联搅拌器搅拌反应一段时间后，用30%的NaOH溶液将调节pH至11，静置，待液面分层后，过滤，取滤液测定Ni2+含量，计算Ni2+的去除率。
根据不同实验条件，改变体系初始pH、铁炭比、铁炭总投加量和反应时间，探讨微电解法对电镀废水中Ni2+的去除效果。
2.实验结果及讨论
2.1反应体系初始pH对Ni2+去除率的影响
固定铁炭各55g/L，反应时间90min的条件下，改变废水初始pH，考察pH对实际废水中Ni2+去除率的影响，结果见图1。

从图1可以看出，Ni2+的去除率与pH密切相关。在pH=3时，处理效果较好，去除率为55.65%。这是由于较低的pH值会破坏反应后的絮凝体，同时pH过低时，H+优先与铁反应，使得参与微电解反应的铁的量减少，增加酸的消耗量，增加处理成本能，产生的Fe3+也会使处理效果变差。而当pH过高时，对单质铁失电子促成氧化还原反应不利，使得去除效果下降。综合考虑，采用pH=3作为体系初始pH。
2.2铁炭比对Ni2+去除率的影响
调节废水初始pH为3.00，反应时间90min的条件下，固定铁炭总量110g/L，改变铁炭比，考察不同铁炭比对Ni2+除率的影响，结果见图2。

从图2可以看出，在铁炭比在1∶1时，处理效果最好，Ni的去除率为60.83%。当铁炭比较小时，以微电解反应和炭的吸附作用为主；当铁炭比较大时，以微电解反应和铁的置换作用为主，从图2的变化趋势可以看出，微电解反应比单纯的吸附和置换作用，对Ni2+的去除作用更强。
2.3铁炭总量对Ni2+去除率的影响
调节废水初始pH为3.00，反应时间90min的条件下，固定铁炭比为1∶1，改变铁炭总量，考察不同铁炭总量比对Ni2+去除率的影响，结果见图3。

从图3可以看出，随着铁炭总量的增加，Ni2+的去除率逐渐增加，当铁炭投入总量增加到120g/L后，Ni2+的去除率变化较小，并趋于平缓，因此选定铁炭投入总量120g/L作为最佳铁炭投入总量。这是因为增加炭屑，可使体系中的原电池数量增多，提高对Ni2+等的去除效果和处理速率，但是铁炭增加到一定量后，反应速率有所降低，同时废水中的Ni2+浓度的降低，使得Ni2+更多的是以络合态的形式存在，影响了Ni2+去除效果。在下一步的实验中，降低废水中有机物的含量是提高Ni2+去除效果的有效方法。
2.4反应时间对Ni2+去除率的影响
调节废水初始pH为3.00，反应时间90min的条件下，固定铁炭比为1∶1，铁炭总量120g/L，考察不同反应时间对Ni2+去除率的影响，结果见图4。

从图4可以看出随着反应时间的延长，Ni2+的去除率逐渐增大，当反应时间增加到120min后，Ni2+的去除率增加较小并趋于平缓，这是Ni2+的去除率为64.09%。同时反应时间过长，会消耗更多的铁，使出水的含铁量及色度增加，还增加的后续处理的难度，综合考虑，取反应时间120min。
3.实验结论
微电解法处理电镀废水目前正受到人们的广泛关注。本实验根据青岛某电子厂的含镍电镀废水特征，运用微电解法进行预处理，分别研究了初始pH值、铁炭比、铁炭投加量和反应时间四种因素对电镀废水中Ni2+去除率的影响。实验结论为：
(1)采用微电解法处理高浓度含镍电镀废水是有效的，在初始pH=3，铁屑比1∶1，投加总量为120g/L，t=120min的条件下，Ni2+的去除率为64.09%，可以作为预处理工艺来处理高浓度含镍废水。
(2)在后续该电镀废水处理时，有机物特别是废水中易与Ni2+形成络合物的各种电镀添加剂的去除，是提高废水中Ni2+去除率的有效方法。
(3)污水处理的技术已经趋于成熟，但污泥的回收与利用，尤其是电镀废水处理后污泥中重金属的回收利用还没有一种较为可行的技术方法。