关于膜电解法处理含镍废水的研究

摘要:镍金属作为合金化元素,在冶金电镀等工业领域有着十分重要的价值,在应用广泛的同时,工厂产生的含镍废水也随之增多。笔者选用膜电解法,实现对含镍废水中镍离子的沉积回收。试验具有一定的经济和环保意义。
关键词:膜电解法;含镍废水;镍回收
中图分类号:X703 文献标识码:A 文章编号:2095-672X(2017)04-0109-02
DOI:10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2017.04.051
Abstract: Nickel metal as alloying element, in metallurgical electroplating and other industrial fields has a very important value, in a wide range of applications, the factory produced nickel-containing wastewater also increased. I use membrane electrolysis method to achieve the nickel-containing wastewater in the nickel ion deposition recovery. The test has some economic and environmental significance.
Key words: membrane electrolysis; nickel-containing wastewater; nickel recovery
鎳金属是一种合金化元素,其化学性质稳定,且具有极强的可塑性,因此被广泛应用于冶金、电镀、轻工等领域。由于镍元素本身具有的易积累、易流失等特性,工厂在生产镍产品的过程中,排除的废水中含有大量的镍元素。而镍离子具有强烈的致癌作用,废水排放会渗入土壤,产生富集作用并进入到农作物中,最终会危害人的生命健康。再加上镍本身价格高昂,故对镍元素的回收再生对经济、环保等方面有十分重要的意义。
随着人们对含镍废水再利用的重视度不断增加,目前可用于镍回收的技术及方法已经有很多,其中包括离子交换法、溶剂萃取法、化学沉淀法和膜电解法等等,对于膜电解法还分为单阴膜电解法、单阳膜电解法及双膜三室电解法。笔者选用的是单阳膜电解法进行试验。
1 试验用水
本次试验选用的含镍废水是某金刚石厂生产后的残留废水,并且经过了除锰处理,废水属酸性,pH值约在3~4,镍离子的平均质量浓度在1500mg/L,硫酸根离子的平均质量浓度约在2000~2300mg/L,氯离子的平均质量浓度约在110~130mg/L。
2 试验原理与设计
膜电解法利用了离子交换膜的选择透过性,以直流电场力产生的电位差作为推动力,使离子在电解液中作定向移动。试验中电解池被离子交换膜分隔成阴极室和阳极室,通过观察在电极上产生的氧化反应及还原反应判断镍的析出量,从而达到分离镍离子的作用[1]。
试验中选用的离子交换膜3361C型聚乙烯异相磺酸型阳离子交换膜,电解电流量设定0.1A,阳极室选用0.5mol/L浓度的NaOH溶液作为阳极液,石墨作为阳极;阴极室装入经过除锰处理后的酸性含镍废水,不锈钢板作为阴极。试验装置如图1所示。
如图所示,电解过程中阳极室电解产生了Na+以及OH -,而OH -由于失去电子,放出了O2和H+。Na+和H+不断通过阳离子交换膜到达阴极室;同时,根据电荷守恒原则,阴极室中的Ni2+得到电子生成Ni,附着在不锈钢板上。反应式分别为:
使用此装置进行含镍废水处理的优点在于,阴、阳两极产生的气体只有H2和O2,试验不会造成任何污染。另外使用阳离子交换膜不易产生氧化,相较阴离子交换膜来说使用年限更长。
3 结果与讨论
3.1 阴 / 阳膜对镍去除效果的影响
笔者在上述试验中采用的是单阳膜电解法,如果换用单阴膜电解法的话,只需将离子交换膜更换为异相型3362A型阴离子交换膜即可,其它设计不变[2]。由于试验用含镍废水呈酸性,阴极液中的Cl-会选择性透过交换膜,Ni2+及H+在阴极室中发生还原反应生成Ni和H2,与单阳膜电解法中阴极室反应相同;阳极液中H2O失电子生成O2和H+,H+会和NaOH中的OH -结合生成H2O,阳极液的碱性被逐渐中和。
在对比试验中发现,由于阴离子交换膜抑制了H+从阳极到阴极的传播,阴极中产生的H2较少,从而会提高镍的回收率。因此,选用阴膜对镍去除效果较好。不过在阳极液酸碱度逐渐被中和后,可能会使得溶液中的Cl-失电子产生有毒气体Cl2。因此选择电解方式时要依照需求考虑。
3.2 电解时间对镍去除效果的影响
为判断电解时间对镍去除效果的影响,设定温度为40℃,电解电流为350mA,其它试验环境不变的前提下,每隔4小时观察一次镍的回收率,得到如图2所示结果。
试验表明,随着电解时间的增加,镍的回收率也在随之增加[3]。但在电解一段时间后,曲线逐渐趋于平缓,这表明在回收率达到一定范围时,趋于饱和,电解效率在降低。
3.3 电流密度对镍去除效果的影响
设定电解时间为5小时,温度设定为40℃,此条件下讨论电流密度对镍去除效果的影响,结果如图3所示。
笔者分别在100~400A/m2中,以50A/m2作为最小间隔,分别对不同电流密度下5小时后的镍回收率进行统计。从图中可以看出,随着电流密度的增大,镍元素的回收率处于先增加后减少的趋势[3]。在电流密度处于100~300A/m2时,电流密度增加对镍回收是有利的,电流密度增加有利于离子运动,加速镍的生成。而当电流密度增加至300A/m2以后时,阴极金属板上附着的镍会出现脱落现象,另外会对含镍废水中的H2O进行分解,使得溶液中产生少量的OH -,与还未结合电子生成镍金属的Ni2+发生反应,生成Ni(OH)2沉淀,影响了镍金属的生成,回收率随之降低。
3.4 温度对镍离子去除效果的影响
在电解试验中,电解温度会影响电化学反应,同时还会影响对沉积物的物理性质。试验设定电流密度为350mA,其它条件不变的前提下,研究温度在20~80℃时,镍离子的回收率。研究结果表明:随着电解温度的升高,镍的回收率及回收效率均呈现出一定程度的增加,不过回收率增加的幅度在随着温度的增高先提升后下降。
由于温度的适当提升会导致离子运动速度加快,且电解液的黏度降低,溶液导电性得到了提升,电流效率提高,镍的再生反应加快,最终提升了镍的回收率。不过过高的电解温度对交换膜有一定程度的损伤,并且在实际操作时,处理成本也会增加。因此不建议使用过高的温度提高镍的回收率[4]。
4 结论
试验表明,采用单阳膜电解法处理含镍废水,达到镍沉积,最终实现对镍的再回收是可行的。笔者还使用了控制变量法对电解过程中不同影响因素进行单一分析,从而得到了以下结论:
(1)使用单阴膜电解法可实现更高的镍回收率,但随着电解时间的增加,阳极池可能会有Cl2产生,对环境会造成一定程度的污染。而本文中采用来单阳膜电解法,有效控制了Cl2产生的问题。
(2)在对不同电解时间下镍的回收率进行观测后,发现约在17小时左右,电解效率会降低,因此15~20小时是适宜的时间范围。
(3)通过对不同电流密度的观察,推翻了镍回收率一定隨着电流密度的增加而增加的说法,并认为350mA是最为适宜的电流密度。
(4)温度过高在实际操作过程中会增加操作的处理成本。因此应尽量选用35~45℃进行电解处理。
(5)当废水中Ni2+浓度过低时,不宜再继续电解。此时应将剩余的电解液与原溶液进行混合,进行离子富集后再次进行电解。
参考文献
[1]唐玉霖,王三反.膜电解法在处理酸性含镍废水中的研究[J].工业用水与废水,2004,(3):38-41.
[2]张学敏,王三反.膜电解法回收电解废渣中金属镍的实验研究[J].兰州交通大学学报,2015,(1):132-135.
[3]周键,王三反,张学敏.离子交换膜电解回收含镍废水中镍的研究[J].工业水处理,2015,(1):22-25.
[4]蔡伟梅. 浅谈电镀企业镍在线回收系统[J]. 广东化工,2014, (11):192-193.
作者简介:查红平(1983-),男,工程师,硕士,研究方向为环境工程治理。
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