電滲析在不銹鋼酸洗廢水中回收鎳的應(yīng)用

摘要：不銹鋼在冶煉和加工的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生一層氧化膜，需要通過(guò)酸洗工藝進(jìn)行處理，而產(chǎn)生的不銹鋼酸洗廢水中含有大量的重金屬離子，尤其是鎳離子。本文以離子交換膜為例，探討了從不銹鋼酸洗廢水中回收鎳的方法，希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)的工作提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：不銹鋼;鎳離子;PH;電滲析

中圖分類號(hào)：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-672X（2019）09-00-01

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2019.09.026

Application of electrodialysis in recovery of nickel from stainless steel pickling wastewater

Han Xiaowei

（Jiangsu Kewen Environmental Protection Technology Co.，Ltd.，Nantong Jiangsu 226600，China）

Abstract：In the process of smelting and processing of stainless steel， a layer of oxide film is produced， which needs to be treated by acid pickling process. The stainless steel acid pickling wastewater contains a large number of heavy metal ions， especially nickel ions. Taking ion exchange membrane as an example， this paper discussed the method of recovering nickel from stainless steel pickling wastewater， hoping to provide some reference for related work.

Key words：Stainless steel;Nickel ion;PH;Electrodialysis

1 實(shí)驗(yàn)情況

1.1 原料

本實(shí)驗(yàn)的廢水在配制過(guò)程中，嚴(yán)格按照不銹鋼生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)生的不銹鋼酸洗廢水的標(biāo)準(zhǔn)，其中pH=1.2，鎳離子濃度為150mg/L，實(shí)驗(yàn)的試劑包括C4H4Na2O6·2H2O、HNO3、Ni（NO3）2·6H2O。

1.2 裝置

本實(shí)驗(yàn)使用直流電進(jìn)行電滲析，將電滲析槽用陽(yáng)離子膜和陰離子膜分為三部分，一部分作為陽(yáng)極室，注入稀硝酸，一部分作為陰極室，注入酒石酸鈉，中間的部分作為中間室，注入不銹鋼酸洗廢水。其中，陽(yáng)極采用石墨電極，而陰極采用不銹鋼電極。

1.3 原理

因?yàn)殛庪x子膜和陽(yáng)離子膜具有離子交換功能，比如陰離子膜只允許陰離子的通過(guò)，如果出現(xiàn)溶液中含有陽(yáng)離子時(shí)，就會(huì)阻止陽(yáng)離子的通過(guò)，而陽(yáng)離子膜的功能與陰離子膜恰好相反。在直流電的作用下，電滲析槽中間室內(nèi)的不銹鋼酸洗廢水中的Ni2+會(huì)穿過(guò)陽(yáng)離子膜，進(jìn)入陰極室，然后與酒石酸根形成配陰離子，而NO3-等陰離子會(huì)穿過(guò)陰離子膜進(jìn)入陽(yáng)極室，發(fā)生交換之后，中間室中不銹鋼酸洗廢水的重金屬離子濃度會(huì)顯著降低，可以滿足排放標(biāo)準(zhǔn)[1]。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 方法

本實(shí)驗(yàn)在測(cè)定溶液pH時(shí)，使用的是北京格勒普高新技術(shù)有限公司生產(chǎn)的全新pH計(jì)，型號(hào)為PH-9703，電源：AC220V±22V;防護(hù)等級(jí)：IP65;工作條件：環(huán)境溫度0～60℃，相對(duì)溫度≤90%;雙高阻輸入電路：低內(nèi)阻pH電極，儀器穩(wěn)定性好，響應(yīng)快，抗干擾強(qiáng)。本實(shí)驗(yàn)在對(duì)鎳離子的濃度進(jìn)行測(cè)量時(shí)，使用的是上海元析儀器有限公司生產(chǎn)的UV-8000ST觸屏版雙光束紫外可見分光光度計(jì)，它采用10寸高清彩色智能觸摸屏，內(nèi)置32G內(nèi)存，支持WIFI連接網(wǎng)絡(luò)，并且具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析功能，主機(jī)內(nèi)置電腦，可輸入校正曲線，可獨(dú)立完成光度測(cè)量、定量測(cè)量、光譜掃描、動(dòng)力學(xué)、DNA/蛋白質(zhì)測(cè)試、多波長(zhǎng)測(cè)試及數(shù)據(jù)打印等操作。

2.2 影響

2.2.1 電滲析時(shí)間

實(shí)驗(yàn)的溫度為25℃，電流密度為220A/m2，極板距離為12cm，陽(yáng)極室內(nèi)的HNO3濃度為0.15mol/L，陰極室的C4H4Na2O6·2H2O濃度為0.22mol/L。隨著電滲析時(shí)間的推移，中間室中不銹鋼酸洗廢水中Ni2+的濃度逐漸降低，最后達(dá)到一個(gè)最小值，然后不再發(fā)生明顯變化。也就是說(shuō)，Ni2+在直流電的作用下，發(fā)生了定向遷移，經(jīng)過(guò)陽(yáng)離子交換膜進(jìn)入陰極室，并且形成了Ni（Tar）22-，正是因?yàn)樾纬闪诉@樣的金屬配陰離子，才有效阻止了鎳離子重新回到中間室。當(dāng)電滲析開始后的1～2h內(nèi)，鎳離子的濃度急劇下降，但是當(dāng)電滲析開始12h后，鎳離子的濃度基本不會(huì)再發(fā)生變化，經(jīng)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)濃度為0.543mg/L，回收率高達(dá)99.77%。

2.2.2 酒石酸鈉濃度

最開始時(shí)，中間室中鎳離子的濃度高于陽(yáng)極室和陰極室，那么濃度差也會(huì)加快鎳離子的遷移速度，當(dāng)鎳離子進(jìn)入陰極室后，也會(huì)與酒石酸根離子形成配陰離子，所以陰極室內(nèi)的鎳離子濃度較低，可以很好地維持陽(yáng)離子交換膜兩端的Ni2+濃度差，也就是說(shuō)，Ni2+不僅受到了直流電的作用，還受到濃度差的影響。但是如果陰極室中酒石酸根溶液的濃度較低，那么產(chǎn)生的酒石酸根離子就會(huì)很少，這樣就不能與Ni2+完全反應(yīng)，這種情況下，Ni2+的遷移速度會(huì)逐漸變緩所以在實(shí)驗(yàn)之初，要保證酒石酸鈉溶液的濃度足夠高，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)陰極室中C4H4Na2O6·2H2O的濃度為0.22mol/L時(shí)，Ni2+的遷移速度最快，如果繼續(xù)增加C4H4Na2O6·2H2O的濃度，遷移速度沒有明顯變化[2]。

2.2.3 溶液pH

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，pH在6.8～9.2之間，C4H4Na2O6·2H2O可以電離出足夠多的酒石酸根離子，并且與鎳離子形成配離子，而且中間室和陰極室的化學(xué)反應(yīng)不會(huì)對(duì)彼此產(chǎn)生干擾，所以pH不會(huì)影響鎳離子的回收率。但是如果滲析時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，pH會(huì)逐漸降低，不利于酒石酸根的產(chǎn)生，如果實(shí)驗(yàn)開始時(shí)溶液的pH較高，鎳離子會(huì)形成氫氧化物，在一定程度上降低了鎳離子的回收率。有鑒于此，在處理不銹鋼酸洗廢水時(shí)，要保證陰極室內(nèi)溶液的pH在6.8～9.2之間，而且這一范圍比較寬泛，很容易進(jìn)行控制。

2.2.4 極板距離

這里需要注意的是，極板之間的距離會(huì)對(duì)鎳離子的回收率產(chǎn)生一定的影響。一般而言，極板之間的距離越大鎳離子進(jìn)入陰極室的路徑就越長(zhǎng)，如果電流的密度和電滲析的時(shí)間相同，那么鎳離子的回收率就會(huì)越低，而且極板之間的距離不斷增大，也會(huì)升高電滲析槽的電壓，增大能耗，所以需要盡量減少極板之間的距離。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)極板之間的距離每增加2cm，鎳離子的回收率就會(huì)下降5%.具體的情況如表1所示。

2.2.5 電流密度

在相同的電滲析時(shí)間下，隨著電流密度的增大，鎳離子的遷移速度變得越來(lái)越快，中間室中鎳離子的濃度下降情況十分明顯。但是如果電流密度過(guò)大，就會(huì)導(dǎo)致陰極室內(nèi)的溶液出現(xiàn)離子貧化現(xiàn)象，進(jìn)而引起氫離子放電，致使金屬沉積層不夠均勻，所以要合理控制電流的密度，一般而言，電流密度在220～280A/m2之間時(shí)，鎳離子的回收效果良好。

2.2.6 循環(huán)次數(shù)

對(duì)于本實(shí)驗(yàn)采用的電滲析槽，它分為三室，陽(yáng)極為石墨板，而陰極為不銹鋼板。當(dāng)電滲析進(jìn)行15h后，對(duì)中間室中的不銹鋼酸洗廢水進(jìn)行檢測(cè)，使用UV-8000ST觸屏版雙光束紫外可見分光光度計(jì)，發(fā)現(xiàn)鎳離子的質(zhì)量濃度為0.502mg/L，完全符合污水排放標(biāo)準(zhǔn)，而且陽(yáng)極室內(nèi)溶液的pH顯著下降，酸根離子在陽(yáng)極室內(nèi)大量聚集，同時(shí)鎳離子在陰極室內(nèi)大量聚集，陰極室的pH有所上升。

在第一次電滲析結(jié)束后，將中間室內(nèi)的不銹鋼酸洗廢水進(jìn)行排放處理，然后注入新的不銹鋼酸洗廢水，進(jìn)行第二次電滲析，需要注意的是，陽(yáng)極室和陰極室的溶液保持不變。在此基礎(chǔ)上循環(huán)了八次之后，對(duì)中間室的溶液進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)仍然滿足排放標(biāo)準(zhǔn)，在對(duì)陰極室的溶液進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)有33.2%的鎳離子沉積在陰極上，而余下的66.8%鎳離子存在于溶液中，可以很好地進(jìn)行回收。

3 結(jié)論

綜上所述，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果我們可以發(fā)現(xiàn)，離子交換膜可以很好地降低廢水中鎳離子的濃度，而且避免鎳離子發(fā)生水解反應(yīng)，使得大量的鎳離子在陰極室溶液中聚集，從而進(jìn)行統(tǒng)一回收。

參考文獻(xiàn)

[1]楊依然.用生物淋濾技術(shù)資源化處理不銹鋼酸洗廢渣[D].北京：北京理工大學(xué)，2016.

[2]尹建云.不銹鋼酸洗廢水中金屬離子的資源化利用研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2017.

收稿日期：2019-07-02

作者簡(jiǎn)介：韓小?。?987-），男，漢族，大專學(xué)歷，助理工程師，研究方向?yàn)楣I(yè)廢水處理回用。