基于電化學浮選工藝處理含銅離子廢水

華開強，曹思敏，徐乾德，王宇斌，田曉珍

（西安建筑科技大學資源工程學院，陜西西安710055）

含重金屬離子的工業廢水主要來源于電鍍、采礦、選礦、金屬冶煉和特種玻璃等化工產業[1]。世界衛生組織曾頒布公告指出重金屬不僅有毒，而且有致癌作用，并能使正在發育的兒童造成畸形[2，3]。超標排放的重金屬會污染水體和土壤，經過動、植物的吸收和富集可以通過飲食再轉移到人體內引起慢性中毒[4，5]。重金屬中Hg、Pb、Ni、Cr、Cd、Ag 為國標規定的第一類污染物[6]，而Cu、Zn、Mn 為第二類污染物[7]，其影響比第一類污染物質小。因此，重金屬高效回收處理技術的研發日益受到重視[8]。在眾多的重金屬回收處理技術中，電化學預處理工藝是一種新興的、對環境友好的、不引入二次污染的水處理技術[9，10]，利用該工藝進行含重金屬離子的工業廢水處理不僅能夠高效處理并回收低質量分數的重金屬廢水，且其藥劑來源非常廣泛，不僅可以降低捕收劑的生產成本，還可以減少工業廢水的處理費用，因而具有良好的經濟效益[11]。研究采用含銅離子的溶液模擬礦山含Cu2+的廢水，將電化學預處理、傳統浮選工藝及重金屬廢水處理相結合，揭示不同電化學預處理條件對浮選藥劑物化性質的影響， 并基于正交試驗優化電化學浮選的藥劑制度。既為我國重金屬離子廢水的處理及回收提供理論借鑒，又為電化學浮選技術在環境工程領域的應用提供理論依據，從而使重金屬離子廢液中的重金屬離子資源得到高效利用，同時為其他種類廢水的處理提供借鑒。

1 試驗材料、設備及方法

1.1 試驗材料及設備

試驗使用的材料和設備分別見表1 和表2。

表1 試驗材料表

表2 試驗設備表

1.2 電化學預處理藥劑試驗

將配置成質量分數為1%的丁基黃藥在電解槽內進行電化學處理，電化學預處理在不同極板間距、陽極材料、電解時間和和電流密度等條件下進行，待電化學預處理完成后，對溶液的物理化學性質進行檢測。

1.3 模擬廢水浮選試驗

用五水硫酸銅分別配置不同質量分數的模擬含銅離子廢水，并加入浮選藥劑并調漿一定時間，然后向浮選機內通入空氣并刮泡，將所得泡沫產品過濾、烘干、稱重，最后結合礦漿中殘留重金屬離子質量分數計算中金屬離子的回收率并對計算結果進行極差分析。

2 試驗結果分析

2.1 電化學預處理試驗

將配置好的丁基黃藥溶液在電解槽內進行電化學預處理，并設置不同的預處理條件電流密度、極板間距、電解時間和電極材質等條件下進行，待電化學預處理完成后，對其進行電導率、pH 值檢測，并對得到的實驗結果進行分析。由于電導率可表征丁基黃藥的電離程度，電離程度越大，其越容易與銅離子生成絡合物，即在浮選中作用效果越好。相對于pH 值溶液電導率能更直觀地表征丁基黃藥在浮選中的作用效果，故研究以電導率為主要表征手段。

2.1.1 不同電化學預處理條件對丁基黃藥溶液電導率的影響

不同電化學預處理條件對丁基黃藥溶液電導率的影響如圖1 所示。

圖1 不同電化學預處理條件對丁基黃藥溶液電導率的影響

由圖1（a）可知，隨著極板間距的增大，電導率先增大后減小，當極板間距為6 時，電導率達到最大值。由圖1（b）可知，當分別以銅、鉛、石墨、不銹鋼作為陽極材料進行電化學預處理時，以石墨為陽極材料時，電導率最大。由圖1（c）可知，延長電解時間，電導率先增大后保持不變，當電解時間為15min 時，電導率達到最大值。電解時間為10min 時，電導率最大，為最佳電化學處理條件。由圖1（d）可知，電導率隨著電流密度的增大先增大再減小又增大的趨勢，當電流密度為0.15A 時，電導率達到最小值，之后隨著電流密度的增大，電導率隨之增大。

2.1.2 不同電化學預處理條件對丁基黃藥溶液pH 值的影響

不同電化學預處理條件對丁基黃藥溶液pH值的影響如圖2 所示。

圖2 不同電化學預處理條件對丁基黃藥溶液pH 值的影響

由圖2（a）可知，隨著極板間距的增大，pH值變化不明顯。由圖2（b）可知，陽極材料為銅時，pH 值最?。魂枠O材料為不銹鋼時，pH 值最大。由圖2（c）可知，隨著電解時間增大，pH 值先增大后減小，當電解時間為5min 時，pH 值最小，當電解時間為15min 時，pH 值最大；由圖2（d）可知，隨著電流密度的增大，pH 值先增大后減小，當電流密度為0.15A 時，pH 值達到最大值。對比圖2 中（a）～（d）可知，在電化學預處理過程中，陽極材料和電解時間對丁基黃藥溶液pH 值的影響較大，電流密度對丁基黃藥溶液pH 值的影響較小，而極板間距對丁基黃藥溶液pH 值的影響不明顯。通過分析圖1 和圖2 可知，極板間距為6.5cm，陽極材料為石墨，電解時間為10min，電流密度為0.25A 時，丁基黃藥的作用效果最好。

2.2 浮選試驗結果

選用丁基黃藥用量、2 號油用量、誤差項、廢水中Cu2+質量分數四個因素，采用4 因素3 水平的正交試驗，并在適當范圍內選定各因素的水平。正交因素及對應水平見表3，正交試驗浮選的結果如表4 所示，極差分析結果如表5 所示。

表3 正交試驗因素水平表

表4 正交試驗安排及結果

由表4 可知，試驗3 的條件下，銅離子回收率最低，達到13.64%，試驗5 的條件下，銅離子回收率最高，達到63.64%。由此可見，當廢水中Cu2+質量分數為40mg/L，丁基黃藥（質量分數為1%）用量為16mL，二號油用量為40mg/L 時，銅的回收率最高為63.64%。

表5 不同浮選條件對Cu2+回收率的影響

由表5 可知，對于廢水中Cu2+回收率來說，因素A 和因素D，即黃藥用量和廢水中Cu2+質量分數的極差較大，可見其對廢水中Cu2+回收率影響較大；因素B，即二號油用量的極差較小，說明二號油用量對廢水中Cu2+回收率影響較小。

3 結論

3.1 電化學預處理可通過丁基黃藥的物化性質而提高其作用效果。當極板間距為6.5cm，陽極材料為石墨，電解時間為10min，電流密度為0.25A時，丁基黃藥的作用效果最好。

3.2 電化學浮選試驗中丁基黃藥用量和廢水中Cu2+質量分數對廢水中銅的回收率影響較大，二號油用量對廢水中Cu2+回收率影響較小。當廢水中Cu2+質量分數為40mg/L，丁基黃藥（質量分數為1%）用量為16mL，二號油用量為40mg/L 時，銅的回收率最高為63.64%。