含鎳廢水處理工藝研究

　　1 引言(Introduction)

　　鍍鎳作為金屬表面修飾的主要方式，其過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量的含鎳廢水，其中除了有以硫酸鎳和氯化鎳為主的游離態(tài)鎳，還有因生產(chǎn)工藝需要添加各種絡(luò)合劑，如酒石酸鉀鈉(TA)、檸檬酸(CA)、焦磷酸鈉(SP)等，它們會(huì)與廢水中的Ni2+形成更穩(wěn)定的TA-Ni、CA-Ni、SP-Ni等酸性絡(luò)合鎳，使得含鎳廢水難以有效處理，而鎳是國(guó)際上公認(rèn)的致癌物，在GB8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中被歸為第一類污染物，其超標(biāo)排放會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染.

　　目前，處理含鎳廢水最常用的方法是以氫氧化物和硫化物為主的傳統(tǒng)化學(xué)沉淀法，其主要適用于游離態(tài)鎳處理，但對(duì)低濃度絡(luò)合Ni很難有效脫除，其他方法如電解法、離子交換法、吸附法、高級(jí)氧化還原法，雖能保證出水總鎳達(dá)標(biāo)，但普遍存在處理成本較高，反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，易引起二次污染等，限制了其實(shí)際應(yīng)用.隨著廢水排放標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)格，特別是廣東省環(huán)保廳要求處理后的含Ni電鍍廢水中殘留 Ni2+濃度低于《電鍍污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB21900-2008)》特別排放限值0.1 mg·L-1，因此需要開發(fā)一種更穩(wěn)定有效深度脫除低濃度絡(luò)合Ni的方法.

　　以二硫代氨基甲酸類(DTC)為代表重金屬捕集劑因其強(qiáng)大的螯合能力，可直接與絡(luò)合態(tài)重金屬離子形成強(qiáng)穩(wěn)定性的螯合沉淀物，從而有效脫除廢水中的重金屬污染物，受到廣泛關(guān)注.近些年來(lái)，學(xué)者已經(jīng)開始利用DTC類重金屬捕集劑來(lái)處理含鎳廢水，并取得較好的效果.劉立華等(2011)合成四乙烯五胺多(二硫代甲酸鈉，TEPAMDT)來(lái)處理含游離和絡(luò)合Cu2+及Ni2+廢水，去除率均在99.8%以上.Fu等(2007)利用合成的重金屬捕集劑BDP和DDTC處理Ni2+和CA-Ni廢水，其對(duì)Ni的沉淀效率達(dá)到98%以上，出水Ni2+濃度低于1.0 mg·L-1.然而，絕大多數(shù)學(xué)者研究的都是較高濃度的含鎳廢水(>50 mg·L-1)，尤其對(duì)于低濃度絡(luò)合Ni廢水的研究較少.本研究結(jié)合實(shí)際需要，選用自主合成的多硫代巰基類重金屬捕集劑N，N -雙(二硫代羧基)乙二胺，以CA-Ni、TA-Ni、SP-Ni 3種低濃度模擬絡(luò)合鎳廢水為研究對(duì)象，系統(tǒng)研究了EDTC投加量、初始pH、反應(yīng)時(shí)間、沉淀時(shí)間等因素對(duì)Ni去除效果的影響，同時(shí)探討了螯合沉淀物的浸出特性及EDTC深度脫除絡(luò)合Ni的機(jī)理，為實(shí)際低濃度含鎳廢水的高效深度處理提供理論依據(jù).

　　2 材料與方法(Materials and methods) 2.1 實(shí)驗(yàn)材料

　　氯化鎳(NiCl2·6H2O)，分析純，天津市百世化工有限公司;檸檬酸(CA)，分析純，成都市科龍化工試劑廠分析;氫氧化鈉(NaOH)分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司;酒石酸鉀鈉(TA)分析純，成都市科龍化工試劑廠;焦磷酸鈉(SP)分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司;濃硝酸，分析純，天津市百世化工有限公司;陰離子型聚丙烯酰胺(PAM)，分子量300萬(wàn)，分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司;自制重金屬捕集劑N，N -雙(二硫代羧基)乙二胺(EDTC)

　　2.2 實(shí)驗(yàn)方法 2.2.1 重金屬捕集劑EDTC的制備

　　往配有攪拌和冷凝的三口燒瓶中加入40 mL的混合溶劑(V乙醇/VH2O=1∶2)，后在攪拌過(guò)程中加入乙二胺0.1 mol(6.68 mL)，在冰水浴中緩慢滴加CS2 0.25 mol(15.08 mL)，滴加完成后升溫至室溫，穩(wěn)定反應(yīng)2 h，抽濾，分別用去離子水和無(wú)水乙醇洗滌產(chǎn)物2次，40 ℃真空干燥至恒重，得白色粉末固體，即為重金屬捕集劑EDTC(肖曉等，2016).

　　2.2.2 低濃度絡(luò)合鎳的捕集實(shí)驗(yàn)

　　在室溫條件下，在燒杯中加入100 mL 5 mg·L-1模擬絡(luò)合鎳廢水(由六水氯化鎳與TA、CA、SP按物質(zhì)量比1∶1配制，后稀釋至5 mg·L-1)，調(diào)節(jié)初始pH，投加一定量重金屬捕集劑EDTC，置于六聯(lián)攪拌器中快速(250 r·min-1)攪拌2 min，投加絮凝劑PAM 1.0 mg·L-1，并緩慢攪拌(50 r·min-1)5 min，靜置10 min后取液面以下2 cm處清液，用原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定上清液中殘留的Ni濃度，計(jì)算去除率.具體流程如圖 1所示.

　　圖 1 重金屬捕集劑EDTC處理含鎳廢水實(shí)驗(yàn)流程圖

　　2.2.3 螯合沉淀物浸出實(shí)驗(yàn)

　　將EDTC與絡(luò)合Ni按最佳條件反應(yīng)生成的螯合產(chǎn)物經(jīng)去離子水和乙醇各洗滌兩次、過(guò)濾，于40 ℃真空干燥后備用，參照Chang等(2002)的方法對(duì)沉淀物進(jìn)行半自動(dòng)溶出實(shí)驗(yàn)(SDLT)，測(cè)定螯合沉淀物的穩(wěn)定性.

　　SDLT實(shí)驗(yàn)步驟如下：將螯合沉淀物加入4個(gè)具塞錐形瓶?jī)?nèi)，按100∶1(mL·g-1)的固液比分別加入pH為3.0和5.0的醋酸溶液、pH為7.0的水溶液及pH為9.0的NaOH溶液.進(jìn)行靜置溶出實(shí)驗(yàn).每隔一段時(shí)間測(cè)定溶出的Ni2+濃度.

　　2.3 分析方法

　　pH指標(biāo)：采用雷磁pHS-25 酸度計(jì)測(cè)定;

　　Ni2+濃度：采用火焰原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定(日立Z2000型，檢出限0.02 mg·L-1，日本日立儀器有限公司);

　　重金屬捕集劑EDTC反應(yīng)前后表征：

　　(1) 采用KBr壓片法，Nicolet380傅里葉變換紅外光譜儀(Nicolet380，美國(guó)THERMO Fisher Scientific)在波數(shù)4000-400 cm-1范圍內(nèi)測(cè)定透光率，儀器分辨率為0.4 cm-1.

　　(2) 采用有機(jī)元素分析儀(2400Ⅱ，美國(guó)PerkinElmer)測(cè)定捕集劑和螯合產(chǎn)物碳?xì)涞�硫含�?

　　3 結(jié)果與討論(Results and discussion) 3.1 EDTC投加量對(duì)Ni去除效果的影響

　　取濃度為5 mg·L-1各絡(luò)合Ni廢水100 mL，調(diào)節(jié)初始pH為6.0，投加不同劑量的重金屬捕集劑EDTC，反應(yīng)2 min，PAM為1.0 mg·L-1，慢攪5 min，靜置10 min，考察EDTC投加量對(duì)Ni去除效果的影響，結(jié)果如圖 2所示.

　　圖 2 EDTC投加量對(duì)絡(luò)合Ni2+去除的影響(T=25 ℃，pH=6.0，PAM=1.0 mg·L-1，t=5 min)

　　隨著EDTC投加量的增加，Ni的去除效率迅速增加，當(dāng)投加量與Ni2+達(dá)到一定比例時(shí)，去除率趨于穩(wěn)定，繼續(xù)增大EDTC投加量，去除率反而有所下降.主要原因是DTC基團(tuán)電離時(shí)帶有負(fù)電荷，當(dāng)EDTC投加量過(guò)量時(shí)，EDTC與Ni2+螯合形成的細(xì)絮體微粒上帶有過(guò)剩的負(fù)電荷，導(dǎo)致絮體間的靜電斥力加大，影響絮凝效果，去除率有所降低(劉立華等，2012).對(duì)于CA-Ni、TA-Ni、SP-Ni，EDTC的最佳投加量分別為60 mg·L-1、55 mg·L-1和70 mg·L-1，對(duì)應(yīng)的Ni去除率分別為99.31%、99.23%和99.51%，殘留濃度均遠(yuǎn)小于0.05 mg·L-1，達(dá)到《電鍍污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB21900—2008)》中關(guān)于Ni污染物特別排放限值要求( <0.1 mg·L-1).可以看出，EDTC對(duì)3種低濃度絡(luò)合鎳均能有效脫除，表明EDTC對(duì)Ni2+的螯合能力強(qiáng)于TA、CA、SP.

　　3.2 初始pH對(duì)Ni的去除影響

　　取5 mg·L-1的各絡(luò)合Ni廢水100 mL，用稀HNO3或NaOH水溶液調(diào)節(jié)廢水初始pH，PAM用量為1 mg·L-1，同時(shí)以傳統(tǒng)的堿中和沉淀法做對(duì)比，考察初始pH對(duì)絡(luò)合Ni去除效果的影響，結(jié)果如圖 3所示.

　　圖 3 廢水初始pH對(duì)絡(luò)合Ni2+去除的影響(a.MEDTC=0，b.MEDTC為最佳加藥量)

　　由圖 3a可知，EDTC投加前，調(diào)節(jié)體系pH為1~11，沒有Ni(OH)2產(chǎn)生，Ni的去除率接近于0，這說(shuō)明CA-Ni、TA-Ni、SP-Ni在酸堿條件都很穩(wěn)定，傳統(tǒng)的堿中和沉淀法不能處理絡(luò)合鎳廢水.由圖 3b可以看出，投加EDTC后，當(dāng)pH <4時(shí)，Ni的去除率隨著pH的增大而增加;當(dāng)pH范圍為4～8時(shí)，Ni的去除率穩(wěn)定在98%以上，殘留濃度低于0.1 mg·L-1;而當(dāng)pH>8時(shí)，Ni的去除率迅速下降，反應(yīng)先后反應(yīng)體系pH變化不大.廢水pH對(duì)絡(luò)合Ni去除影響較大的原因如下：EDTC與Ni2+反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是DTC(二硫代氨基甲酸基)基團(tuán)與Ni2+的螯合作用，DTC基團(tuán)在反應(yīng)體系中存在式(1)電離平衡(郝學(xué)奎等，2008)，隨著pH值的上升，H+濃度不斷減小，電離平衡向右移動(dòng)，解離出更多的DTC基團(tuán)與Ni2+進(jìn)行螯合，去除率逐漸上升;當(dāng)體系在堿性條件下(pH>8)，絡(luò)合離子如檸檬酸、焦磷酸等酸效應(yīng)較弱，其與Ni2+形成的螯合物穩(wěn)定性較強(qiáng)，抑制了EDTC對(duì)絡(luò)合Ni的捕集，Ni的去除率迅速下降，特別是當(dāng)pH=11時(shí)，Ni的去除率下降至65%左右;當(dāng)在強(qiáng)酸條件下，大量的H+一方面會(huì)抑制—CSSH的電離，即式(1)中的平衡向左移動(dòng)，同時(shí)EDTC還可能分解為CS2和質(zhì)子化胺(Saegnsa et al.，1978)，如式(2)所示，使得反應(yīng)體系中DTC基團(tuán)減少;另一方面體系中H+濃度過(guò)高，可能會(huì)與Ni2+競(jìng)爭(zhēng)DTC基團(tuán)上的螯合活性位點(diǎn)，導(dǎo)致Ni的去除率迅速降低.

　　因?qū)嶋H電鍍含鎳廢水多為酸性廢水(pH為6.0左右)，傳統(tǒng)的化學(xué)沉淀法一般需要在反應(yīng)前后消耗大量的酸堿調(diào)節(jié)pH，甚至需要提前經(jīng)過(guò)破絡(luò)，而EDTC可以直接用于酸性含鎳廢水的處理，克服了傳統(tǒng)化學(xué)沉淀法的不足.

　　3.3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)Ni的去除影響

　　反應(yīng)時(shí)間對(duì)于廢水處理工藝設(shè)計(jì)尤為重要，直接關(guān)系到反應(yīng)池的池容，進(jìn)而影響所需反應(yīng)設(shè)備的選型等(胡運(yùn)俊等，2013).取5 mg·L-1的各絡(luò)合Ni廢水100 mL，調(diào)節(jié)初始pH=6.0，EDTC投加量為各最佳投加量，PAM用量為1.0 mg·L-1，調(diào)整慢攪時(shí)間0~12 min，考察反應(yīng)時(shí)間對(duì)Ni去除效果的影響，結(jié)果如圖 4所示.

　　圖 4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)絡(luò)合Ni2+去除的影響(T=25 ℃，pH=6.0，PAM=1.0 mg·L-1)

　　可以看出，在前2 min，EDTC對(duì)絡(luò)合Ni的去除率隨著反應(yīng)時(shí)間的增加而迅速增大，在2 min后，反應(yīng)達(dá)到穩(wěn)定，Ni的去除率穩(wěn)定在99%以上，出水濃度 <0.05 mg·L-1，遠(yuǎn)低于國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)，這表明EDTC與Ni2+能迅速發(fā)生反應(yīng)，而當(dāng)反應(yīng)時(shí)間超過(guò)8 min后，Ni的去除率卻有所下降，但仍在98%以上.分析原因：反應(yīng)完成后，過(guò)量延長(zhǎng)攪拌時(shí)間會(huì)導(dǎo)致沉淀絮體顆粒破碎，沉降不完全，影響出水水質(zhì).總體來(lái)說(shuō)，反應(yīng)時(shí)間對(duì)含鎳廢水處理有一定影響，但不如EDTC投加量和初始pH大.考慮的經(jīng)濟(jì)成本，故選擇最佳反應(yīng)時(shí)間2 min.

　　3.4 螯合沉淀物的沉降性

　　取5 mg·L-1的各絡(luò)合Ni廢水100 mL，調(diào)節(jié)pH值為6.0，投加對(duì)應(yīng)最佳EDTC用量，分別沉淀1~20 min，考察螯合沉淀物的沉降性能，如圖 5所示.

　　圖 5 沉淀時(shí)間對(duì)絡(luò)合Ni2+去除的影響(T=25 ℃，pH=6.0)

　　螯合沉淀物的沉降性能較好，EDTC對(duì)Ni2+的去除效率隨著沉降時(shí)間的延長(zhǎng)而增加.當(dāng)沉淀時(shí)間為8 min 時(shí)，Ni的去除率可達(dá)到98%以上，殘留Ni2+濃度低于0.1 mg·L-1，之后去除率逐漸趨于穩(wěn)定.與傳統(tǒng)的化學(xué)沉淀法相比，其沉降性能大大提高，同時(shí)減少了絮凝劑的使用.如硫化物沉淀法處理低濃度重金屬?gòu)U水時(shí)，生成的沉淀顆粒較小，沉淀周期較長(zhǎng)，同時(shí)需要添加一定量的混凝劑和絮凝劑(Kelly-Vargas et al.，2012).因此，選用EDTC處理低濃度重金屬?gòu)U水，具有沉降周期短，固液易分離、所需設(shè)備體積小、效率高等優(yōu)點(diǎn).

　　3.5 EDTC與Ni2+的螯合機(jī)理

　　按上述最佳反應(yīng)條件(PAM除外)得到EDTC與3種絡(luò)合Ni廢水的螯合沉淀物，沉淀物經(jīng)過(guò)濾、洗滌、真空干燥后進(jìn)行紅外光譜分析，沉淀物和EDTC的紅外光譜圖如圖 6所示.

　　圖 6 EDTC與3種螯合沉淀物的紅外光譜圖(4000~400 cm-1)(a. EDTC，b.EDTC和SP-Ni的反應(yīng)沉淀物，c.EDTC和CA-Ni反應(yīng)沉淀物，d.EDTC和TA-Ni反應(yīng)沉淀物)

　　由圖 6a可知：3231 cm-1處的強(qiáng)吸收峰為N—H的伸縮振動(dòng)峰;2952 cm-1為C—H伸縮振動(dòng)峰，且低于3000 cm-1，該峰為C—H 的飽和吸收峰;2576 cm-1為—SH的弱的特征吸收峰峰;1508 cm-1為N—CS2的伸縮振動(dòng)峰，此峰介于C—N 單建(1300 cm-1)和CN雙鍵(1600 cm-1)之間，具有部分雙鍵性質(zhì);在1480~1510 cm- 1處的ν(C—N)伸縮振動(dòng)及在940～990 cm- 1處的ν(C—S)伸縮振動(dòng)表明二硫代甲酸鹽是雙齒配體，即S—CS(Oktavec et al.，1980);1007 cm-1為C—S的紅外特征吸收峰，低于CS雙鍵的特征吸收(1501~1200 cm-1)，而且是一個(gè)較強(qiáng)的吸收峰.

　　對(duì)比沉淀物和EDTC的紅外光譜圖可知，EDTC與Ni發(fā)生反應(yīng)后，2576 cm-1處的—SH的特征吸收峰消失，1508 cm-1處的N-CS2的伸縮振動(dòng)峰和1007 cm-1處的C—S紅外特征吸收峰出峰強(qiáng)度有所減弱，這幾個(gè)吸收峰為螯合反應(yīng)的關(guān)鍵基團(tuán)，分析原因是EDTC分子上的S與Ni發(fā)生作用，降低了S的電負(fù)性，引起了峰的變化(Liu et al.，2013).由此推斷EDTC捕集Ni的主要官能團(tuán)是—SH，其余基團(tuán)未參與反應(yīng).進(jìn)一步，對(duì)3種螯合沉淀物進(jìn)行元素分析，結(jié)果如表 1所示.由表 1可知，3種螯合沉淀物的各元素百分含量與EDTC-Ni(EDTC與Ni摩爾比為1∶1)的理論含量基本一致，由此推斷EDTC與絡(luò)合Ni廢水的產(chǎn)物化學(xué)式為EDTC-Ni.

　　表 1 3種螯合沉淀物(b、c、d)和EDTC-Ni理論元素含量對(duì)比

　　由上述推論可知，EDTC與Ni的作用機(jī)理為脫絡(luò)-螯合，即反應(yīng)時(shí)，由于EDTC對(duì)Ni2+的螯合能力更強(qiáng)，使Ni2+先與CA等絡(luò)合劑分離，后EDTC與Ni2+生成更穩(wěn)定的螯合沉淀物EDTC-Ni，進(jìn)而可以深度脫除低濃度絡(luò)合Ni，其本質(zhì)是由于EDTC分子為左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，含有二硫代羧基基團(tuán)—CSSH，二硫代羧基基團(tuán)上的S原子半徑較大，電負(fù)性強(qiáng)，具有3對(duì)孤立的電子對(duì)，其中2對(duì)可以占用鎳離子的空d軌道，形成配位鍵.根據(jù)配位場(chǎng)理論，在d軌道全空的情況下，容易形成正四面體型的結(jié)構(gòu)，這樣各電子對(duì)之間的相互排斥力小，而S原子外層 4對(duì)電子也形成互斥力小的正四面體構(gòu)型，形成穩(wěn)定的交聯(lián)網(wǎng)狀螯合物(Zhen et al.，2012)，其反應(yīng)方程式如式(3)所示.此外，EDTC分子中N-C鍵有很強(qiáng)的電負(fù)性，通過(guò)電子傳遞作用，使得二硫代羧基上的S原子電負(fù)性增強(qiáng)，促進(jìn)S原子更易失去電子而極化變形形成電場(chǎng)，從而與廢水中Ni2+趨向形成強(qiáng)穩(wěn)定的疏水性螯合沉淀物(嚴(yán)蘋方等，2015;李清峰等，2014).由于螯合產(chǎn)物中不含有CA等絡(luò)合劑，使得三螯合沉淀物的紅外圖譜基本一致，如圖 6b、c、d所示，三者的出峰強(qiáng)度的差異體現(xiàn)了EDTC與3種絡(luò)合Ni反應(yīng)的差異：3種絡(luò)合劑結(jié)構(gòu)不同，對(duì)Ni2+的螯合能力大小不同，當(dāng)EDTC對(duì)絡(luò)合Ni脫絡(luò)時(shí)，所需能量不同，引起鍵能發(fā)生變化，導(dǎo)致了3種螯合沉淀物紅外圖譜的差異.其中，M代表 3種絡(luò)合劑(CA、TA、SP).

　　3.6 螯合沉淀物的溶出特性

　　圖 7為螯合產(chǎn)物EDTC-Ni在不同pH值下溶出Ni2+的累積分?jǐn)?shù).由SDLT實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：在pH=3.0時(shí)，30 d的溶出Ni2+累積分?jǐn)?shù)達(dá)到0.575%;而在pH=5.0和7.0時(shí)，Ni2+溶出積分?jǐn)?shù)僅有0.005%和0.008%;pH=9.0時(shí)的30 d累積分?jǐn)?shù)為0.105%.這說(shuō)明螯合沉淀物EDTC-Ni在酸性和弱堿性環(huán)境下能穩(wěn)定存在，可以長(zhǎng)期穩(wěn)定安全放置.

　　圖 7 SDLT中EDTC-Ni沉淀溶出Ni的累積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化曲線

　　4 結(jié)論(Conclusions)

　　1) 自主合成的重金屬捕集劑EDTC能快速高效脫除低濃度絡(luò)合態(tài)Ni，處理初始濃度5 mg·L-1的CA-Ni、TA-Ni、SP-Ni，EDTC的最佳投加量分別為60 mg·L-1、55 mg·L-1和70 mg·L-1，對(duì)應(yīng)去除率分別為99.31%、99.23%和99.51%，殘留Ni2+濃度達(dá)到《電鍍污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB21900-2008)》中關(guān)于Ni污染物特別排放限值要求( <0.1 mg·L-1).具體參見污水寶商城資料或http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　2 )EDTC具有較寬的pH的適用范圍，在pH值為4～8時(shí)，EDTC對(duì)絡(luò)合Ni2+的去除率均在98%以上，可以直接用于酸洗含鎳廢水處理，而反應(yīng)時(shí)間對(duì)含鎳廢水處理有一定影響，但不如EDTC投加量和初始pH大.

　　3)EDTC與絡(luò)合Ni反應(yīng)時(shí)，與絡(luò)合劑(CA、TA、SP)競(jìng)爭(zhēng)Ni2+，并與Ni2+生成更穩(wěn)定螯合沉淀物EDTC-Ni.沉降性實(shí)驗(yàn)和SDLT實(shí)驗(yàn)表明螯合沉淀物EDTC-Ni沉降性能好，穩(wěn)定性強(qiáng)，自然堆積條件下不易返溶而引起二次污染.