重捕劑法聯合強化混凝去除煤化工濃鹽水中重金屬的實驗研究

張 靜

(忻州市環境保護研究所，山西 忻州 034000)

重金屬捕集劑是一類含有P、N、S等配位原子的化合物[1]。近年來，一種新型的沉淀劑-重金屬捕集劑開始在市場涌現，其可與重金屬離子的空軌道形成配位離子以去除重金屬。同時，經大量研究表明，重金屬捕集劑可同時去除水中多種重金屬，且使用重捕劑法去除重金屬操作簡便，成本低，對重金屬的總去除效果好。為此，本文擬以某典型煤化工濃鹽水為研究對象，利用重捕劑法聯合強化混凝進行去除其重金屬小試，以期為煤化工廢水“零排放”和資源化提供新的途徑。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

1)實驗原水。實驗配水加入目標重金屬離子總As、Cu2+、Ni2+，得實驗原水總As為0.3 mg/L、Cu2+為0.5 mg/L、Ni2+為0.4 mg/L；同時，加入NaCl、NaNO3、Na2SO4和粗酚，得實驗原水TOC、Cl-、Na+、SO42-、K+、NO3-質量濃度分別為220.0、4 597.9、8 346.0、3 726.9、101.0、431.5 mg/L。

2)實驗藥品。氫氧化鈉(NaOH)，分析純，天津科密歐化學試劑有限公司；氯化鉀(KCl)，分析純，天津基準化學試劑有限公司；無水硫酸鈉(Na2SO4)，分析純，天津天力化學試劑有限公司。

3)實驗儀器。CN-GS型數顯磁力攪拌加熱鍋，鞏義宏華儀器設備工貿公司；JA2003精密電子天平，上海舜宇恒平科學儀器有限公司；TOC-VCPN型TOC測定儀，日本島津公司。

1.2 實驗方法

首先，取200 mL實驗原水于250 mL燒杯中，調節pH值。為了保證反應效果，調節水溫于20 ℃；加入一定量的重金屬捕集劑，置于磁力攪拌器上以1 000 r/min的轉速反應10 min。加入一定量的絮凝劑聚合氯化鋁(PAC)繼續反應5 min。加入2 mL的助凝劑聚丙烯酰胺(PAM)并調整轉速為500 r/min反應5 min。為較好地計算實驗原水經處理后的重金屬離子處理效果，在反應結束靜置25 min后，取上清液測定其重金屬離子濃度。

1.3 分析方法

總砷(As3+/As5+)、Ni2+、Cu2+、Na+、K+、Ca2+濃度(mg/L)測定采用電感耦合等離子體發射光譜儀(ICP-OES)，酸堿濃度的測定選用酸堿滴定法，pH測定采用pH計，水溫(℃)測定采用水溫溫度計，Cl-、SO42-、NO3-質量濃度(mg/L)測定采用離子色譜法，總有機碳(TOC)、總溶解固體(TDS)質量濃度(mg/L)測定分別采用TOC、TDS測定儀。

2 目標重金屬離子及各藥劑的確定

2.1 目標重金屬離子

根據《危險廢棄物浸出標準浸出毒性鑒別》(GB5085.3-2007)，結合現場某二級反滲透出水獲得典型煤化工濃鹽水水質分析，選傳統化學沉淀法去除率低的As、Cu和Ni為目標重金屬離子。

2.2 重捕劑種類和投量

經研究，采用硫化物沉淀法，可與重金屬發生電中和、吸附架橋，有效去除絡合的重金屬離子，尤其硫化物中TMT重捕劑(化學名為2,4,6-三巰基-1,3,5三嗪三鈉鹽)毒性較小，選用其作為沉淀劑對環境最友好[2]。因此，采用TMT-15、TMT-18B和TMT-18F藥劑來處理煤化工濃鹽水中的重金屬。

實驗分別投加3種不同的TMT類重捕劑2、4、6、8、10 mL，按照實驗操作方法處理煤化工濃鹽水中的重金屬，結果如表1所示。

由表1可知，綜合比較下3種重捕劑對實驗原水中重金屬離子的綜合去除率效果TMT-18B>TMT-18F>TMT-15。

表1 三種不同重捕劑對重金屬離子的去除效果

此外，通過大量的市場調研與咨詢，結合3種不同的TMT類重捕劑市場價格，優先選用成本較低、含量較高的TMT-18系列重捕劑。同時，在使用TMT-15和TMT-18F時溶液呈橙紅色，這種現象不利于處理后水的達標，可能需進一步進行澄清度的處理，而投加TMT-18B時上清液仍澄清，處理效果明顯好于其他兩種TMT類重捕劑。

因此，綜合考慮處理效果和處理成本，選擇處理效果較好、成本較低的重捕劑TMT-18B。同時，經實驗，當TMT-18B投量為10 mL時，綜合去除率達到最高，為69.37%。

2.3 絮凝劑種類和投量

經大量研究表明，對水中重金屬離子的去除時，在投加重捕劑的基礎上投加絮凝劑，有利于生成粗粒絮凝體，加速沉降。

為了進一步提高水中砷的去除率，實驗在最佳重捕劑TMT-18B投量為10 mL的條件下，利用絮凝劑電中和、脫穩、吸附架橋或黏附卷掃等原理作用，分別投加4種絮凝劑：PAC、FeCl3、聚合硫酸鐵(PFS)和FeSO4，探討重捕劑法聯合強化混凝對重金屬離子的去除效果。投加量范圍為1 mL～10 mL，梯度變化為1 mL，結果如表2所示。

由表2可知，含鐵絮凝劑比原有絮凝劑PAC處理效果更好，且綜合比較下，3種含鐵絮凝劑中表現最好的是PFS，主要是因為其相對更提高了對原水中總As的去除率，綜合去除率也最高。

表2 重捕劑法聯合不同絮凝劑對重金屬離子的去除效果

同時，對含有特征有機污染物粗酚的煤化工濃鹽水而言，在去除水中色度及COD方面，PFS也優于無機絮凝劑FeCl3和FeSO4。此外，一般情況下，外投含鐵絮凝劑的一個弊端是會增加出水中鐵的濃度，且含鐵絮凝劑加入后，鐵離子發生水解，會使出水呈弱酸性。通過測定反應后上清液的鐵濃度和pH可知，在相同絮凝劑投量下，上清液中鐵濃度關系為FeCl3>PFS>FeSO4，選擇絮凝劑PFS，出水鐵濃度相對較低；絮凝劑FeSO4和PFS對水質pH影響低于FeCl3。

綜上所述，實驗確定最佳絮凝劑種類為PFS，其最佳投量為4 mL。

2.4 助凝劑投量

PAM 是一種線型高分子有機物，有“百業助劑”之稱。相關研究顯示，PAM可促使細小而松散的絮體變得粗大而密實，加快沉降速度。為此，實驗在最佳重捕劑TMT-18B(10 mL)和最佳絮凝劑PFS(4 mL)下，探討在不同助凝劑用量下對重金屬離子的去除效果。投加量范圍為0 mL～7 mL，梯度變化為1 mL，結果如第163頁圖1所示。

由圖1可知，在重捕劑法聯合強化混凝去除重金屬的實驗中，利用PAM絮凝、吸附、增稠、耐剪性、降阻及分散等性能，以及氫鍵、范德華力和靜電力作用等，可改善絮體結構，從而進一步提高了對總As和Cu2+的去除率。同時，因PAM投量增加時包裹膠體，從而產生“膠體保護”，因此實驗所得的助凝劑PAM的最佳投加量為4 mL。

圖1 助凝劑投量對重金屬的去除效果

3 結論

綜上所述，主要研究了重捕劑+強化混凝去除煤化工濃鹽水中的重金屬，結果顯示，投加10 mL重捕劑TMT-18B、4 mL絮凝劑PFS、4 mL助凝劑PAM時，對所配得的總As為0.3 mg/L、Cu2+為0.5 mg/L、Ni2+為0.4 mg/L的實驗原水中重金屬的綜合去除率達到最高為91.87%。因此，重捕劑法聯合強化混凝去除煤化工濃鹽水中重金屬法值得進一步研討和推廣。