自制絮凝劑聚硅酸鐵處理含鎳廢水的研究

沈澄英， 駱麗君

（江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院 化學(xué)紡織工程系，江蘇 江陰214433）

0 前言

鋼渣是煉鋼生產(chǎn)中僅次于高爐渣的第二大固體廢物，它大約占粗鋼產(chǎn)量的12%～15%［1］。隨著我國鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，鋼渣的產(chǎn)量逐年攀升。2014年，中國的粗鋼產(chǎn)量已增至11.6億噸，鋼渣的產(chǎn)出量至少為1億噸。大量的鋼渣直接填埋或傾倒在鋼廠周圍，會對環(huán)境造成極大的危害。如何提高鋼渣的利用率是我國當(dāng)前亟待解決的問題之一。鋼渣作為一種新型材料應(yīng)用于環(huán)境污染治理中［1］，不僅能以廢治廢，還能避免鋼渣廢棄時所造成的污染，有著深遠(yuǎn)的科學(xué)意義和實際工程價值。

絮凝是水處理技術(shù)中最重要的操作過程之一，通過該過程可使膠體脫穩(wěn)，小顆粒聚集成大顆粒，以除去水中的懸浮固體、天然有機物等。聚硅酸金屬鹽是一類新型的無機高分子絮凝劑［2］，它是在聚硅酸及傳統(tǒng)的鋁鹽、鐵鹽等絮凝劑的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的復(fù)合絮凝劑。聚硅酸鐵是一種重要的無機高分子絮凝劑，它具有沉降速率快、沉渣量少、適用范圍廣、安全無毒等優(yōu)點［3］。

電鍍生產(chǎn)中會產(chǎn)生大量的廢水。電鍍廢水主要包括鍍件漂洗液、廢槽液和電鍍車間的清洗液等。鍍鎳是金屬電鍍的重要方式之一。筆者以鋼渣、鐵屑為原料制得聚硅酸鐵，并將其用于含鎳廢水的處理。

1 實驗

1.1 儀器及試劑

1.1.1 儀器WFZ-26A 型紫外可見分光光度計，PHSJ-3F型精密酸度計，TA6-1型混凝試驗攪拌儀，等等。

1.1.2 試劑氨水，硝酸，碘，丁二酮肟，乙二胺四乙酸，鎳，檸檬酸銨，等等。

1.2 實驗方法

1.2.1 鎳的測定

采用丁二酮肟分光光度法（參照GB 11910—89）測定鎳的質(zhì)量濃度。在6個100 mL 容量瓶中分別加入0、4、8、12、16、20mL 鎳標(biāo)準(zhǔn)工作溶液（20 mg／L），并加入8mL 檸檬酸銨和4mL 碘溶液，再加水至80mL，搖勻；加入8 mL 丁二酮肟溶液，搖勻；加入8 mL 乙二胺四乙酸溶液，加水至標(biāo)線，搖勻；用10mm 比色皿，以水為參比液，在444nm 波長下測定顯色液的吸光度，去除空白值，得到工作曲線y=2．528 2x+0．025 2（R2=0．999 8）。

1.2.2 自制聚硅酸鐵

鋼渣（由江陰興澄鋼鐵集團公司提供）主要含有SiO2、Al2O3、Fe2O3和CaO 等氧化物；鐵屑取自學(xué)院實習(xí)工廠。將鋼渣和鐵屑溶解于足量的稀鹽酸和稀硝酸中，濾液在裝有錨式攪拌器的反應(yīng)器中反應(yīng)3～4h，反應(yīng)溫度為80℃。反應(yīng)完成后得到的紅褐色黏稠液體即為絮凝劑，陳化24h后備用。自制絮凝劑的主要成分是聚硅酸鐵，它可以存放90d左右。高分子量的聚硅酸鐵有極強的吸附架橋能力，有利于增強絮凝劑的絮凝性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 最佳pH值的確定

取5個燒杯，于每個燒杯中加入100 mL 含鎳廢水，用硫酸和氫氧化銨分別將其pH值調(diào)至1～2、2～3、4～5、6～7、8～9。在不同pH值下進行處理，測定上清液中鎳的質(zhì)量濃度，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知：自制絮凝劑處理含鎳廢水的最佳pH值為8左右。

圖1 pH值對絮凝效果的影響

2.2 最佳投加量的確定

將自制絮凝劑配成5g／L，取6份1 000mL 廢水，將其pH值均調(diào)至8；然后向各廢水中分別投加2、3、4、5、6、7mL的自制絮凝劑，以300r／min的轉(zhuǎn)速攪拌5min。攪拌完畢后，靜置30min，取10mL上清液，測定鎳的質(zhì)量濃度，結(jié)果如圖2所示。投加量為2mL 時，水體呈淡黃色，幾乎沒有絮狀物；投加量為4 mL 時，水體呈黃色，有少量絮狀物；投加量為6mL和8mL 時，水體呈深黃色，有大量絮狀物。由圖2 可知：自制絮凝劑的最佳投加量為6mL，即30mg／L。繼續(xù)增加絮凝劑的量，效果反而變差。絮凝劑的量增加到一定程度，就會通過壓縮雙電層架橋及電性中和作用使溶液膠體狀態(tài)遭到破壞，影響絮凝效果。

圖2 投加量對絮凝效果的影響

2.3 最佳絮凝時間的確定

取6份1 000mL廢水，并將其pH值調(diào)至8左右；向每份廢水中加入30 mg／L 的自制絮凝劑，轉(zhuǎn)速為300r／min，絮凝時間分別設(shè)定為1、2、3、4、5、6 min；靜置30min，測定剩余鎳的質(zhì)量濃度，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：絮凝時間對絮凝效果存在一定影響，絮凝時間達(dá)到4min時效果已經(jīng)很顯著。這是由于陳化后的自制聚硅酸鐵已連接成了更大的凝膠結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在絮凝中可有效發(fā)揮吸附架橋作用，處于鏈端的金屬離子起阻聚作用且提供較高的表面電荷。該結(jié)構(gòu)可有效壓縮雜質(zhì)雙電層，減少表面電荷，因而和聚硅酸的結(jié)合充分發(fā)揮了吸附和電中和機制的最佳協(xié)同作用，從而縮短絮凝時間。

圖3 絮凝時間對絮凝效果的影響

2.4 自制絮凝劑與PAM、FeSO4 的比較

將三種絮凝劑配成如下的質(zhì)量濃度：PAM 10 g／L，自制絮凝劑5g／L，F(xiàn)eSO410g／L。向三份1 000mL含7mg／L的含鎳廢水中加入不同的絮凝劑，調(diào)節(jié)pH值，轉(zhuǎn)速為300r／min，設(shè)定不同的絮凝時間，靜置30min后測定剩余鎳的質(zhì)量濃度，結(jié)果見表1。PAM 絮凝后的水體中產(chǎn)生大量的白色絮狀物；硫酸亞鐵絮凝后有大量微小絮狀物；聚硅酸鐵絮凝后有大量絮狀物。比較三種絮凝劑的沉降速率，聚硅酸鐵的明顯大于PAM 和硫酸亞鐵的。由表1可知：自制絮凝劑對含鎳廢水的絮凝效果優(yōu)于PAM 和硫酸亞鐵。這是由于使用自制絮凝劑進行水處理產(chǎn)生的絮體大而密實，在下落卷掃過程中不斷結(jié)合長大，最終幾乎全部連為一體，大而密實的絮體有利于絮凝之后的過濾。

表1 三種絮凝劑的處理條件及結(jié)果

3 工藝實例

3.1 工藝流程

絮凝法處理含鎳廢水的工藝流程，如圖4所示。

3.2 含鎳廢水的性質(zhì)

該廢水取自江陰某工業(yè)園區(qū)，鎳的質(zhì)量濃度為7mg／L，呈乳白色，pH值為3左右。

3.3 含鎳廢水處理結(jié)果

按照上述實驗得到的最佳工藝條件來控制圖4所示的工藝生產(chǎn)。分別對該生產(chǎn)工藝中的原水、二沉池出水和排放口出水進行取樣，分析其中鎳的質(zhì)量濃度，結(jié)果如表2所示。排放口出水中鎳的質(zhì)量濃度低于0.5 mg／L，鎳的去除率在93%以上。GB21900—2008中規(guī)定電鍍廢水的出水排放標(biāo)準(zhǔn)為1.0mg／L，含鎳廢水經(jīng)處理均可達(dá)標(biāo)排放。

圖4 混凝法處理含鎳廢水的工藝流程

表2 絮凝法處理含鎳廢水的結(jié)果

4 結(jié)論

（1）采用鋼渣、鐵屑自制絮凝劑聚硅酸鐵，并將其用于含鎳廢水的處理。控制pH值為7～8，反應(yīng)時間為4min，自制混凝劑的投加量為30mg／L。

（2）將實驗得到的工藝條件應(yīng)用于實際廢水處理中。絮凝法處理含鎳廢水的效果很好，鎳的去除率可以達(dá)到93%以上，排放口出水中鎳的質(zhì)量濃度低于0.5mg／L，符合電鍍廢水出水排放標(biāo)準(zhǔn)。

［1］王帥，謝麗，盛杰，等.鋼渣在環(huán)境治理中的應(yīng)用及其研究進展［J］.工業(yè)水處理，2008，28（12）：14-17.

［2］文彥杰，韓春英，張麗丹，等.聚硅酸鐵鎂水處理劑的制備及應(yīng)用研究［J］.北京化工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2012，39（4）：90-94.

［3］張景香，陸金仁，單寶田，等.聚硅酸鐵鎂絮凝劑制備及其脫色作用的研究［J］.工業(yè)水處理，2009，29（8）：56-58.