還原性鐵粉置換法處理化學鍍低濃度含鎳漂洗水

劉智穎，汪曉軍*，趙爽

（華南理工大學環(huán)境與能源學院，廣東 廣州 510006）

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還原性鐵粉置換法處理化學鍍低濃度含鎳漂洗水

劉智穎，汪曉軍*，趙爽

（華南理工大學環(huán)境與能源學院，廣東 廣州 510006）

采用還原性鐵粉置換法處理總鎳為7.16 mg/L的化學鍍低濃度含鎳漂洗水。研究了初始pH、溫度、還原性鐵粉投加量對廢水中鎳去除效果的影響，得到最佳工藝條件為：還原性鐵粉投加量1.5 g/L，初始pH 9.0，常溫（20 °C）。在該條件下處理廢水30 min，出水總鎳可穩(wěn)定達到GB 21900-2008中總鎳＜0.1 mg/L的排放標準。這說明采用還原性鐵粉置換法處理化學鍍低濃度含鎳廢水可行。反應溫度越高，鎳的去除速率越快，在實際生產中可根據(jù)需要選擇不同的反應溫度。

化學鍍鎳；廢水；還原性鐵粉；置換反應

First-author's address: College of Environment and Energy， South China University of Technology， Guangzhou 510006，China

化學鍍鎳過程中會產生大量含鎳廢水，尤其是在鍍件及電解槽的漂洗階段，占車間廢水排放量的80%以上［1］?；瘜W鍍鎳漂洗水產量大，但其中的鎳含量遠遠低于化學鍍鎳老化液。鎳是國際上公認的致癌物質，在我國被歸為第一類污染物［2］，因此含鎳廢水需要單獨收集并處理。目前含鎳廢水的處理方法主要有化學沉淀法、鐵氧體法、吸附法、離子交換法、液膜萃取法、反滲透法等［3-6］。在實際處理過程中常采用化學法處理之后加離子交換、膜處理等工藝作進一步深度處理，這些技術大部分存在處理工藝復雜、處理效率低、成本高、易造成二次污染等缺點［7］。因此，工藝簡單、處理效率高、處理成本低是含鎳化學鍍廢水處理的一個重要研究方向。

置換法操作簡單，常用于從溶液中回收有價金屬。但是由于鐵和鎳之間的還原電位差較?。?5 °C下φθ（Fe2+/Fe）= -0.408 9 V，φθ（Ni2+/Ni）= -0.236 3 V，均相對于標準氫電極］［8］，因此目前基本沒有鐵粉置換法處理含鎳廢水的相關文獻，更沒有采用鐵粉置換鎳的方法來實現(xiàn)溶液中總鎳達到 GB 21900-2008《電鍍污染物排放標準》中表3要求（低于0.1 mg/L）的報道。但由于鐵的標準還原電位比鎳負，在含有Ni2+的弱酸性或堿性溶液中加入鐵粉，有可能發(fā)生鐵粉置換出金屬鎳的反應從而將鎳還原出來。本文探討了采用還原性鐵粉處理低濃度含鎳漂洗水的方法及其可行性。

1　實驗

1. 1 廢水來源和水質

試驗用水取自廣東某電鍍廠化學鍍鎳生產過程中的漂洗水，其水質指標為：總鎳7.16 mg/L，COD 22.3 mg/L，pH 5.98。

1. 2 還原性鐵粉置換法處理廢水

取200 mL廢水，用10%（體積分數(shù)）硫酸和10%的NaOH溶液調節(jié)pH后，將廢水放入水浴鍋中恒溫，再加入一定量的預先經0.1 mol/L稀鹽酸活化過的還原性鐵粉，同時用電動攪拌器攪拌。每隔一段時間取樣，經0.45 μm的濾膜（津隆牌一次性有機系針筒式過濾器）過濾后分析廢水中殘留的總鎳。

1. 3 分析方法

采用上海雷磁的PHS-3C型pH計測定廢水pH?？傛嚢碐B 11912-1989《水質 鎳的測定 火焰原子吸收分光光度法》進行測定。

2　結果與討論

2. 1 中和沉淀法的處理效果

中和沉淀法由于較簡便而被廣泛應用于處理重金屬廢水［9］。取200 mL廢水，調節(jié)pH分別為8.0、8.5、9.0、9.5、10.0、10.5、11.0和11.5，在常溫（20 °C）下攪拌反應10 min，然后加2滴2‰ PAM（聚丙烯酰胺），靜置沉淀10 min，經過0.45 μm的濾膜過濾后測定溶液中的總鎳，結果如圖1所示。

圖1　pH對中和沉淀法鎳去除效果的影響Figure 1 Effect of pH on removal efficiency of nickel by neutralization precipitation

圖2　鐵粉投加量對鎳去除效果的影響Figure 2 Effect of dosage of iron powder on removal efficiency of nickel

根據(jù)氫氧化鎳的溶度積計算可知，鎳離子的質量濃度要降到0.1 mg/L，應調節(jié)pH至9.54［10］。但從圖1可知，pH為9.5時，鎳含量仍有1.62 mg/L。隨pH升高，溶液中鎳離子的質量濃度下降，pH高于11.0時，總鎳的去除率隨pH升高變化不大，pH調高至11.5時，鎳含量為0.26 mg/L，仍不能達到0.1 mg/L的排放標準。這是因為化學鍍鎳廢水中往往含有一定量的緩沖劑和配位劑，緩沖劑對pH變化有一定的調節(jié)作用，配位劑會與鎳生成穩(wěn)定的配合物。因此僅通過中和沉淀法往往難以達到總鎳低于0.1 mg/L的排放標準。

2. 2 鐵粉還原法的處理效果

2. 2. 1 還原性鐵粉投加量對處理效果的影響

廢水初始pH為5.98、溫度為90 °C時，還原性鐵粉投加量對廢水總鎳去除效果的影響如圖2所示。

從圖2可知，不添加鐵粉時，鎳的去除效果非常差。當鐵粉投加量低于0.3 g時，隨鐵粉投加量的增大，鎳的去除率不斷增大，隨后繼續(xù)增大鐵粉投加量，總鎳的變化不大。這是由于鐵粉的投加量越多，在溶液中與鎳接觸的概率越大，反應速率也更快。反應進行到60 min后，總鎳的去除率趨于平緩。當鐵粉投加量為0.3 g時，反應120 min后溶液的總鎳降至0.08 mg/L，已經達到GB 21900-2008中表3的要求?？紤]到鐵粉投加量越多，成本越高，故選取鐵粉投加量0.3 g，即1.5 g/L。

2. 2. 2 反應初始pH的影響

鐵粉投加量為1.5 g/L，其余條件同2.2.1節(jié)，分別調節(jié)廢水的初始pH至5.0、5.5、6.0和6.5后，研究弱酸性環(huán)境下初始pH對廢水處理效果的影響，結果如圖3所示。

圖3　弱酸性條件下初始pH對鎳的去除效果影響Figure 3 Effect of initial pH on removal efficiency of nickel under weakly acidic condition

從圖3可以看出，在弱酸性條件下，總鎳隨pH增大而降低，當初始pH為6.0時，反應120 min后總鎳為0.08 mg/L，能夠達到0.1 mg/L的排放標準。酸性條件有利于鐵粉處理重金屬［11］，但溶液的酸性較強時，加入的鐵粉可能與H+反應（Fe + 2H+= Fe2++ H2），并且從氫和鎳的電極電勢看，在鐵粉置換反應中，氫比鎳優(yōu)先析出［12］。因此，必須要調高溶液的pH以降低溶液中氫離子含量來增大鐵粉與鎳反應的概率，但pH ≥6.56時，鎳離子會生成氫氧化鎳沉淀［13］，若將溶液調節(jié)到堿性，則鎳離子可能會生成氫氧化鎳沉淀而被去除，不過結合中和沉淀的處理結果可知，僅通過中和沉淀無法達到總鎳低于0.1 mg/L的排放標準。因此，對比研究了在堿性條件下加鐵粉和不加鐵粉時對含鎳廢水的處理效果，以探索在堿性條件下是否還能發(fā)生鐵粉置換鎳的反應，結果見圖4。

圖4　堿性條件下初始pH對鎳去除效果的影響Figure 4 Effect of initial pH on removal efficiency of nickel under alkaline condition

從圖4可以看出，不加鐵粉時，隨pH升高，溶液中總鎳的質量濃度不斷降低，在pH為9.0的條件下下反應30 min后，總鎳的去除速率趨于平緩，反應60 min后總鎳降至0.11 mg/L，但仍不能穩(wěn)定達到0.1 mg/L的排放標準。這與前文中和沉淀法的結果大相徑庭，這是因為升溫能破壞金屬配合物的結構，有利于生成氫氧化鎳沉淀［14］。加鐵粉處理后總鎳的去除率明顯大于不加鐵粉時，總鎳可穩(wěn)定達到0.1 mg/L的排放標準。因此推測在堿性條件下也有可能發(fā)生了鐵粉置換鎳的反應。在pH為8.0時，加入0.3 g鐵粉反應20 min后，鎳含量降至0.06 mg/L；pH為9.0時，加入0.3 g鐵粉反應5 min，鎳含量就已降至0.07 mg/L。因此選擇廢水的初始pH為9.0。

2. 2. 3 反應溫度的影響

其余條件同2.2.2節(jié)，用10% NaOH溶液調節(jié)廢水pH至9.0后，分別在20、30、50和70 °C下處理含鎳廢水，結果如圖5所示。

圖5　處理溫度對鎳去除效果的影響Figure 5 Effect of treatment temperature on removal efficiency of nickel

3　結論

（1） 采用還原性鐵粉能夠去除化學鍍鎳漂洗廢水中的鎳，可使出水總鎳穩(wěn)定低于 0.1 mg/L，達到 GB 21900-2008中表3的要求。

（2） 還原性鐵粉在弱酸性條件和堿性條件下對鎳都有去除效果。反應溫度越高，鎳的去除速率越快。

（3） 當廢水的初始pH為9.0，還原性鐵粉投加量為1.5 g/L時，在常溫（20 °C）下對總鎳為7.16 mg/L的廢水處理30 min，即可使出水總鎳低于0.1 mg/L。

［1］ 戴文燦， 周發(fā)庭. 電鍍含鎳廢水治理技術研究現(xiàn)狀及展望［J］. 工業(yè)水處理， 2015， 35 （7）: 14-18.

［2］ 陳振國， 汪曉軍. 兩級沉淀法處理電鍍含鎳廢水［J］. 電鍍與涂飾， 2014， 33 （21）: 935-938.

［3］ 戎馨亞， 陶冠紅， 何建平， 等. 化學鍍鎳廢液的處理及回收利用［J］. 電鍍與涂飾， 2004， 23 （6）: 31-35.

［4］ 常軍霞， 王三反， 陳霞. 鐵氧體共沉淀法處理含Ni2+廢水的研究［J］. 工業(yè)水處理， 2011， 31 （3）: 46-48.

［5］ 張惠欣， 金秀紅， 葛麗環(huán)， 等. 新型材料鎳離子記憶交換樹脂的研制與應用［J］. 工業(yè)水處理， 2012， 32 （3）: 52-55.

［6］ 周鍵， 王三反， 張學敏. 離子交換膜電解回收含鎳廢水中鎳的研究［J］. 工業(yè)水處理， 2015， 35 （1）: 22-25.

［7］ 李樂卓， 王三反， 常軍霞， 等. 中和共沉淀-鐵氧體法處理含鎳、鉻廢水的實驗研究［J］. 環(huán)境污染與防治， 2015， 37 （1）: 31-34， 40.

［8］ 大連理工大學無機化學教研室. 無機化學［M］. 4版. 北京: 高等教育出版社， 2001: 659-660.

［9］ 王亮. 電鍍銅鎳廢水化學處理工藝的優(yōu)化研究［D］. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學， 2014: 4.

［10］ 林德賢， 羅強， 黎峰， 等. 鍍鎳廢水處理的研究［J］. 廣東化工， 2013， 40 （6）: 112， 82.

［11］ 全燮， 楊鳳林. 鐵屑（粉）在處理工業(yè)廢水中的應用［J］. 工業(yè)水處理， 1989， 9 （6）: 7-10， 6.

［12］ 孫召明. 從低品位礦堆浸液中分離回收銅鎳［D］. 長沙: 中南大學， 2004: 22-23.

［13］ 楊春， 劉定富， 龍霞. 電鍍污泥酸浸出液中銅和鎳分離的研究［J］. 無機鹽工業(yè)， 2010 （8）: 44-46， 59.

［14］ 江霜英， 高廷耀， 胡惠康. 化學鍍鎳廢液的預處理［J］. 同濟大學學報（自然科學版）， 2004， 32 （2）: 226-228.

［ 編輯：周新莉 ］

Treatment of low-nickel-content rinse water from electroless plating process by displacement reaction with reductive iron powder

LIU Zhi-ying，WANG Xiao-jun*， ZHAO Shuang

The rinse water with a low total nickel content of 7.16 mg/L discharged from electroless plating process was treated by displacement reaction using reductive iron powder. The optimal process conditions obtained by studying the effects of initial pH， temperature and dosage of reductive iron powder on the removal efficiency of nickel in wastewater are as follows: dosage of reductive iron powder 1.5 g/L， initial pH 9.0 and room temperature （20 °C）. The total nickel content in effluent is stably less than 0.1 mg/L after treating under the optimal conditions for 30 min， meeting the emission standard of GB 21900-2008. It is feasible to treat electroless nickel plating wastewater containing low content of nickel by the displacement method with reductive iron powder. The removal efficiency of nickel is increased with the increasing of reaction temperature， therefore the reaction temperature can be selected according to the requirement of actual production.

electroless nickel plating； wastewater； reductive iron powder； displacement reaction

X781.1

A

1004 - 227X （2016） 08 - 0427 - 04

2016-01-21

2016-03-21

廣東省科技廳廣東省社會發(fā)展攻關計劃項目（2013B021000007）；廣東省應用型科技研發(fā)專項（重大）（2015B020235013）。

劉智穎（1990-），男，湖南永州人，在讀碩士研究生，研究方向為水污染控制。

汪曉軍，教授，（E-mail） cexjwang@scut.edu.cn。