電鍍含鎳廢水處理工藝優化研究

張衛

電鍍含鎳廢水處理工藝優化研究

張衛*

（濰坊科技學院 農學與化工技術學院，山東 壽光 262700）

采用H2O2/UV+Na2S沉淀法處理含鎳廢水，考察了H2O2加入量、破絡反應時間、體系pH和Na2S加入量等因素對廢水中鎳離子濃度的影響，利用Design Expert8.0中Box-Behnken法進行響應面分析優化。最佳工藝條件為：H2O2加入量21.5 mL/L，破絡反應時間26.2 min，pH=9.7，Na2S加入量為67 mg/L。在該條件下，處理后的廢水鎳離子濃度達到0.0897 mg/L，滿足排放標準。

含鎳廢水；響應面；優化

金屬鎳以其優良的耐腐蝕、可焊接等特性，廣泛應用于汽車、機械等領域［1］，但在鎳的使用過程中會產生含鎳廢水。鎳作為一種重金屬，具有致癌性，且不能被環境中生物所降解，環境污染的同時對人類健康也產生影響［2-5］，因此含鎳廢水在排放前必須達到國家標準。含鎳廢水常用的處理方法分為化學沉淀、吸附、生化處理、混凝和電解等，其中化學沉淀法具有過程簡單，易于操作的特點，但其處理效率不高；混凝對設備的要求較高，結構復雜，運行成本高；電解法不易處理低濃度含鎳廢水；吸附法中的吸附劑容易吸附至飽和，吸附劑更換和再生成本高［6-8］。

本論文主要針對山東某電鍍廠的廢水進行研究，其電鍍工藝過程中加入了大量絡合劑，在廢水中形成了穩定的含鎳絡合物，含鎳量36 mg/L左右，廢水pH為3左右，為實現電鍍含鎳廢水的達標排放，采用H2O2氧化沉淀法處理電鍍含鎳廢水，探討H2O2加入量、破絡時間、pH、Na2S加入量等因素對廢水中鎳離子濃度的影響。

1　實驗

1.1　儀器與藥品

實驗中采用的藥品及儀器見表1所示。

表1藥品及儀器

Tab.1　Experimental drugs and instruments

1.2　反應原理

在廢水中加入H2O2，紫外光（UV）照射，生成強氧化性的羥基自由基，破除絡合，使鎳離子游離到廢水中，后通過加入Na2S，反應生成溶度積較小的硫化鎳沉淀，脫除其中的鎳離子等重金屬離子。

1.3　實驗方法

量取200 mL的廢水，置于500 mL的燒杯中，加入適量的H2O2，開啟紫外光照射，攪拌一定時間破除絡合，后加入NaOH調節溶液的pH，然后加入適量Na2S，磁力攪拌反應，過程中采用滴加NaOH的方式調節pH，抑制Na2S的水解，反應完成后抽濾，濾液利用等離子發射光譜儀測定其中的鎳含量。

2　結果與討論

2.1　單因素實驗

2.1.1H2O2加入量對鎳離子濃度的影響

分別取200 mL的廢水，加入到4個500 mL的燒杯中，H2O2溶液（20 %）加入量為10、15、20、25 mL/L，開啟紫外光照射，攪拌破絡20 min，滴加NaOH調節廢水的pH為9，Na2S固體加入量50 mg/L，攪拌反應20 min后，抽濾，測定濾液中的鎳含量，如圖1所示。由圖1可以看出，廢水中鎳離子的濃度隨著H2O2加入量的增大而減少，加入量超過15 mL/L后，鎳離子的濃度變化趨于平緩。

圖1　H2O2加入量對鎳離子濃度的影響

2.1.2破絡時間對鎳離子濃度的影響

分別取200 mL的廢水，加入到4個500 mL的燒杯中，H2O2溶液（20 %）加入量為20 mL/L，開啟紫外光照射，攪拌破絡15、20、25、30 min，滴加NaOH調節廢水的pH為9，Na2S固體加入量50 mg/L，攪拌反應20 min后，抽濾，測定濾液中的鎳含量，如圖2所示。可以看出，隨著反應時間的遞增，廢水中鎳離子濃度緩慢下降，25 min后鎳離子在0.1 mg/L左右，繼續增大破絡時間鎳離子的濃度基本穩定。

圖2　破絡時間對鎳離子濃度的影響

2.1.3pH對鎳離子濃度的影響

分別取200 mL的廢水，加入到4個500 mL的燒杯中，H2O2溶液（20 %）加入量20 mL/L，開啟紫外光照射，攪拌破絡25 min，滴加NaOH調節廢水的pH為8、9、10、11，Na2S固體加入量50 mg/L，攪拌反應20 min后，抽濾，測定濾液中的鎳含量，如圖3所示。隨著pH的遞增，在8～9之間鎳離子濃度明顯下降，在pH超過9之后鎳離子濃度下降緩慢，超過10后，趨于穩定，說明pH在低于10時，Na2S仍然存在水解，S2-不能高效的與Ni2+結合，導致鎳離子濃度較高，pH大于10后，水解反應得到抑制，Ni2+得以沉淀脫除。

圖3　pH對鎳離子濃度的影響

2.1.4Na2S加入量對鎳離子濃度的影響

分別取200 mL的廢水，加入到4個500 mL的燒杯中，加入H2O2溶液（20 %）20 mL/L，開啟紫外光照射，攪拌破絡20 min，滴加NaOH調節廢水的pH為10，Na2S固體加入量分別為40、50、60、70 mg/L，攪拌反應20 min后，抽濾，測定濾液中的鎳含量，如圖4所示。

圖4　Na2S加入量對鎳離子濃度的影響

可以看出，反應初期，鎳離子濃度隨著Na2S加入量的增大而迅速下降，當Na2S的加入量超過60 mg/L后，鎳離子濃度趨于平緩，說明隨著反應的進行，鎳離子濃度下降，其與Na2S 的接觸幾率下降，反應平緩。

2.2　響應面法實驗

表2響應面法設計方案及結果

Tab.2　Experimental design and results of RSM

在單因素實驗基礎上，通過軟件Design Expert 8.0中Box-Behnken法進行響應面實驗設計，設計四因素三水平的實驗方案，因素變量為H2O2加入量（）、破絡時間（）、pH（）和Na2S加入量（），響應量為鎳離子濃度。響應面法設計方案及結果見表2所示。響應面方程方差分析見表3所示。擬合方程為：

=1.42+0.0125-0.024-0.187-0.003-0.001-0.01-0.00375-0.002-0.00075-0.005+0.0172+0.001282+0.0162+0.0032，方程的方差0.9843，調整后的方差為0.9661，說明此模型與實驗擬合較好，因此可用于對實驗結果進行分析。

表3響應面方程方差分析

Tab.3　Variance analysis of the quadratic regression equation

為得到最優工藝條件，對擬合方程取一階偏導，偏導等于零的點，即為極值點，計算得到=4.3，=26.2，=9.7，=13.4，得到=0.0885。對回歸分析結果進行了實驗驗證，采取三組平行實驗，實驗條件為：200 mL廢水，H2O2溶液（20 %）加入量21.5 mL/L，攪拌破絡26.2 min，廢水的pH為9.7，Na2S固體加入量67 mg/L，攪拌反應20 min后。3次實驗結果濾液中的鎳含量分別為0.0892、0.0897、0.0901 mg/L，其結果均與預測結果基本吻合，表明優化結果與擬合方程合理，能夠較準確反映H2O2加入量、破絡時間、pH和Na2S加入量對沉淀鎳離子濃度的影響情況。

3　結論

采用H2O2/UV+Na2S沉淀法處理電鍍含鎳廢水時，當H2O2加入量21.5 mL/L、破絡反應時間26.2 min、體系pH=9.7和Na2S加入量為67 mg/L時，處理后的廢水鎳離子濃度達到0.0897 mg/L左右，低于GB 21900-2008中含鎳廢水排放標準0.1 mg/L。

[1] 趙盈利, 謝洪勇, 陳衛東. 硫化鈉沉淀法處理含鎳廢水[J]. 中國粉體技術, 2017, 23(4): 94-97.

Zhao Y L, Xie H Y, Chen W D. Experimental study on treatment of nickel wastewater with sodium sulfide [J]. China Powder Science and Technology, 2017, 23(4): 94-97 (in Chinese).

[2] 李小花, 郭崇武, 吳梅娟. 基于沉淀法的化學鍍鎳廢水處理工藝[J].電鍍與涂飾, 2018, 37(24): 1151-1154.

Li X H, Guo C W, Wu M J. Process for treatment of the wastewater discharged from electroless nickel plating production based on chelating precipitation[J]. Electroplating & Finishing, 2018, 37(24): 1151-1154 (in Chinese).

[3] 聶發輝, 劉榮榮, 張慧敏, 等. 工業廢水中鎳的去除與回收技術及相關研究進展[J]. 水處理技術, 2015, 41(11): 7-14.

Nie F H, Liu R R, Zhang H M, et al. Research advances of nickel removal and recycling from industrial wastewater[J]. Technology of Water Treatment, 2015, 41(11): 7-14 (in Chinese).

[4] Bulasarav K, Thakuria H, Uppaluri R, et al. Combinatorial performance characteristics of agitated nickel hypophosphite electroless plating baths [J]. Journal of Materials Processing Technology, 2011, 211(9): 1488-1499.

[5] 張厚, 施力勻, 楊春. 電鍍廢水處理技術研究進展[J]. 電鍍與精飾, 2018, 40(2): 36-41.

Zhang H, Shi L Y, Yang C. Research progress of electroplating wastewater treatment technology[J]. Plating & Finishing, 2018, 40(2): 36-41 (in Chinese).

[6] Gorokhovsky A, Vikulova M, Escalante-Garcia J, et al. Utilization of nickel-electroplating wastewaters in manufacturing of photocatalysts for water purification[J]. Process Safety and Environmental Protection, 2020, 134(C): 208-216.

[7] 張崇華. 電鍍廢水治理技術綜述[M]. 北京中國環境科學出版社, 1992: 1-98.

[8] 于志達. 電鍍廢水零排放技術的應用[J]. 中國新技術新產品, 2019, (13):106-107.

Yu Z D. Application of zero discharge technology of electroplating wastewater[J]. New Technology New Products of China, 2019, (13): 106-107 (in Chinese).

Study on Treatment Process and Optimization of Nickel-Containing Electroplating Wastewater

ZHANG Wei*

（School of Agronomy and Chemical Technology， Weifang College of Science and Technology， Shouguang 262700， China）

The nickel-containing wastewater was treated by H2O2/UV + Na2S precipitation method in this paper. The effects of H2O2addition amount， detoxification reaction time， pH and Na2S addition amount on the concentration of nickel ion in wastewater were investigated. And the response surface analysis was optimized by Box-Behnken method in Design Expert 8.0. The optimum technological conditions were as follows： H2O2dosage 21.5 mL/L， reaction time 26.2 min， pH 9.7 and Na2S dosage 67 mg/L. Under these conditions， the concentration of nickel ion in the treated wastewater was about 0.0897 mg/L， which met the discharge standard.

nickel-containing wastewater； response surface； optimization

X703

A

10.3969/j.issn.1001-3849.2021.10.008

2020-11-09

2021-01-18

張衛（1984—），女，碩士，講師，從事環境保護、水處理方面的研究。email：wkzhangwei10@163.com

山東省高等學校科研創新平臺課題項目（2018YY035）