鐵置換法處理含銅廢水的實(shí)驗(yàn)研究*

黃 捷，王強(qiáng)勝，李建芬

（1.昆明理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，云南昆明650500；2.武漢輕工大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北武漢430023）

銅是一種有較高應(yīng)用價(jià)值的金屬元素，主要應(yīng)用于電線、導(dǎo)體、電極材料等[1]。糖精制品廠產(chǎn)生的廢水中Cu2+含量極高，同時(shí)其有機(jī)物濃度大、酸度高、色度大。該酸性含銅廢水排入環(huán)境后，會(huì)改變水體的pH 值，破壞水體自凈能力，阻止或抑制微生物的生長，導(dǎo)致水體出現(xiàn)變臭等現(xiàn)象[2]。大量含銅廢水如果不經(jīng)處理被直接排入水體后，水中的銅不能被分解，相反還會(huì)在生物體內(nèi)富集，Cu2+與人體中蛋白質(zhì)結(jié)合會(huì)抑制生物酶的活性，從而毒害人體健康[3，4]。故含銅廢水在排放前，如能回收利用其中的銅，不僅可解決銅的污染問題，而且可以節(jié)約資源，并且具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。目前，比較成熟的含銅廢水處理方法主要有化學(xué)法、物化法和生物法。而國內(nèi)外對(duì)化學(xué)法處理含銅廢水的研究較多，主要有化學(xué)沉淀法、置換法、電解法等[5，6]。置換法因其操作簡單、能耗低、成本低等特點(diǎn)，受到了廣泛的應(yīng)用[7，8]。本文采用鐵粉置換法處理含銅廢水，并研究鐵粉用量、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度、溶液pH 值對(duì)銅置換率的影響，以探討最佳的置換條件。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

721 型分光光度計(jì)；PHS-3C 數(shù)字酸度計(jì)；燒杯，比色管等。

EDTA 二鈉鹽；CuSO4·5H2O；NaAc；鐵粉等，所用試劑均為分析純。

1.2 方法

1.2.1 廢水中Cu2+、Fe3+、H+的檢測 含銅廢水（湖北襄陽某糖精廠）Cu2+含量采用EDTA 分光光度法測定[9]，利用HAc-NaAc 緩沖溶液調(diào)節(jié)pH 值，EDTA二鈉鹽做顯色劑，測得原廢水中Cu2+的含量為10.66g·L-1。采用鄰菲羅啉分光光度法測定廢水中Fe3+含量[10]，利用NH3·H2O 和HCl 等調(diào)節(jié)pH 值，鄰菲羅啉為顯色劑，測得廢水中Fe3+的含量10.07mg·L-1；H+濃度采用酸堿滴定法，測得原廢水中H+的濃度為5.845mol·L-1。

1.1.2 鐵粉置換廢水中的銅 由于鐵粉用量、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度、pH 值都會(huì)影響廢水中銅的置換率，故本文探討了這4 個(gè)因素對(duì)銅置換率的影響。實(shí)驗(yàn)流程是：取新鮮廢水，靜置，吸取50mL 上清液于燒杯中，磁力攪拌并加入鐵粉，控制一定的反應(yīng)條件。反應(yīng)結(jié)束后，過濾，測定濾液中銅的含量。同時(shí)將銅粉烘干并稱量，計(jì)算置換率。

2 結(jié)果與討論

2.1 鐵粉用量對(duì)銅置換率的影響

計(jì)算鐵粉的理論用量為0.4663g，由于副反應(yīng)會(huì)消耗鐵粉，實(shí)際用量要更大。實(shí)驗(yàn)中鐵粉用量范圍為100～800mg/50mL，反應(yīng)時(shí)間30min，反應(yīng)溫度為常溫，不調(diào)pH 值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 鐵粉的用量對(duì)銅置換率的影響Fig.1 Effect of iron dosage on recovery of copper

由圖1 可知，隨著鐵粉用量的增加，銅的置換率先增大后基本不變。鐵粉用量超過700mg/50mL時(shí)，銅置換率基本維持在98.3%左右。從節(jié)約成本方面考慮，實(shí)驗(yàn)中最佳的鐵粉用量為700mg/50mL。

2.2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)銅置換率的影響

實(shí)驗(yàn)中鐵粉用量700mg，反應(yīng)溫度為常溫，不調(diào)pH 值，反應(yīng)時(shí)間5～50min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)銅置換率的影響Fig.2 Effect of reaction time on recovery of copper

圖2 表明，銅置換率隨著時(shí)間的延長先增大，后基本保持不變。在5～15min 內(nèi)，銅的置換率從38.5%增加到98.4%，在15min 后，銅置換率基本穩(wěn)定在98.4%左右，這可能是置換出的銅粉附著在鐵粉上，從而阻礙了銅離子與剩余鐵粉的接觸，導(dǎo)致銅的置換率不會(huì)有明顯的增加。因此，最佳的反應(yīng)時(shí)間為15min。

2.3 反應(yīng)溫度對(duì)銅置換率的影響

實(shí)驗(yàn)中反應(yīng)時(shí)間15min，鐵粉用量700mg，不調(diào)pH 值，控制不同的反應(yīng)溫度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 反應(yīng)溫度對(duì)銅置換率的影響Fig.3 Effect of reaction temperature on recovery of copper

由圖3 可知，反應(yīng)溫度對(duì)銅的置換率影響不大。隨著反應(yīng)溫度的升高，銅置換率基本維持在97.3%左右。這說明反應(yīng)溫度對(duì)銅置換率基本無影響，從節(jié)省成本和能源方面考慮，最佳的反應(yīng)溫度為常溫。

1.4 溶液pH 值對(duì)銅置換率的影響

Cu2+在pH 值大于4.2 時(shí)開始出現(xiàn)沉淀，因此，實(shí)驗(yàn)選取pH 值范圍為1～5，實(shí)驗(yàn)中用HCl 和NH3·H2O 調(diào)節(jié)溶液的pH 值，其它反應(yīng)條件相同，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 pH 值對(duì)銅的置換率的影響Fig.4 Effect of pH value on recovery of copper

由圖4 可知，溶液的pH 值對(duì)銅置換率有很大的影響。溶液pH 值大于2 時(shí)，銅置換率隨著pH 值的增加而增大；pH 值在2～4 時(shí)，銅置換率基本保持在98.1%左右；pH 值大于4 時(shí)，銅的置換率隨pH值的增加反而下降。這是由于pH 值大于4 時(shí)，Cu2+會(huì)產(chǎn)生Cu（OH）2沉淀，使得銅置換率降低。因此，最佳的pH 值范圍為2～4。

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)采用鐵置換法處理含銅廢水，利用HAc-NaAc 緩沖溶液調(diào)節(jié)pH 值，在pH 值為6 的條件下，以EDTA 作顯色劑，用分光光度法測定溶液中的銅離子濃度，線性擬合良好。實(shí)驗(yàn)討論了鐵粉用量、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度和溶液pH 值對(duì)銅置換率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鐵粉用量在700mg/50mL，反應(yīng)時(shí)間15min，反應(yīng)溫度選取常溫，pH 值為2～4 時(shí)，銅置換率可最大，達(dá)到98%以上。此方法操作簡便，成本低，銅回收效果好。

［1］段睿，王立和，楊翠英，等.常溫中和鐵氧體法處理高濃度含銅廢水的研究［J］.工業(yè)水處理，2013,33（5）:53-56.

［2］徐新陽，尚·阿嘎布（贊比亞）.礦山酸性含銅廢水的處理研究［J］.金屬礦山,2006,（11）:76-78.

［3］王東梅，龔正君，陳鈺，等.ZnCI2改性花生殼對(duì)含銅廢水的吸附研究［J］.廣東農(nóng)業(yè)科學(xué),2013,（19）:175-178.

［4］張惠靈，楊瑾，吳健，等.電沉積法回收離子交換再生液中Cu2+的研究［J］.電鍍與精飾,2014,36（3）:43-46.

［5］李博,劉述平.含銅廢水的處理技術(shù)及研究進(jìn)展［J］.礦產(chǎn)綜合利用,2008,（5）:33-37.

［6］劉風(fēng)華，宋存義，宋永會(huì)，等.活性炭對(duì)含銅制藥廢水的吸附特性［J］.環(huán)境科學(xué)研究，2011,24（3）:308-312.

［7］馬蘭，段莉萍，郝麗萍，等.置換法處理含銅廢液的研究［J］.兵器材料科學(xué)與工程,2014,37（6）:43-45.

［8］許玉東，張雅瓊，黃啟成.線路板污泥酸浸液中銅的置換回收［J］.環(huán)境工程學(xué)報(bào),2012,6（11）：4083-4088.

［9］李霞，葉紅齊，張麗艷，等.EDTA 分光光度法測定銅金粉中的高含量銅［J］.粉末冶金材料科學(xué)與工程,2008,13（6）:373-376.

［10］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，GB/T 23834.6-2009 硫酸亞錫化學(xué)分析方法（第6 部），鐵含量的測定-鄰菲啰啉分光光度法［S］.