電鍍含鎳廢水處理工藝優(yōu)化研究

張衛(wèi)

電鍍含鎳廢水處理工藝優(yōu)化研究

張衛(wèi)*

（濰坊科技學(xué)院 農(nóng)學(xué)與化工技術(shù)學(xué)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(luò)反應(yīng)時(shí)間、體系pH和Na2S加入量等因素對(duì)廢水中鎳離子濃度的影響，利用Design Expert8.0中Box-Behnken法進(jìn)行響應(yīng)面分析優(yōu)化。最佳工藝條件為：H2O2加入量21.5 mL/L，破絡(luò)反應(yīng)時(shí)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(dá)到0.0897 mg/L，滿足排放標(biāo)準(zhǔn)。

含鎳廢水；響應(yīng)面；優(yōu)化

金屬鎳以其優(yōu)良的耐腐蝕、可焊接等特性，廣泛應(yīng)用于汽車、機(jī)械等領(lǐng)域［1］，但在鎳的使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生含鎳廢水。鎳作為一種重金屬，具有致癌性，且不能被環(huán)境中生物所降解，環(huán)境污染的同時(shí)對(duì)人類健康也產(chǎn)生影響［2-5］，因此含鎳廢水在排放前必須達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。含鎳廢水常用的處理方法分為化學(xué)沉淀、吸附、生化處理、混凝和電解等，其中化學(xué)沉淀法具有過(guò)程簡(jiǎn)單，易于操作的特點(diǎn)，但其處理效率不高；混凝對(duì)設(shè)備的要求較高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)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(duì)山東某電鍍廠的廢水進(jìn)行研究，其電鍍工藝過(guò)程中加入了大量絡(luò)合劑，在廢水中形成了穩(wěn)定的含鎳絡(luò)合物，含鎳量36 mg/L左右，廢水pH為3左右，為實(shí)現(xiàn)電鍍含鎳廢水的達(dá)標(biāo)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(luò)時(shí)間、pH、Na2S加入量等因素對(duì)廢水中鎳離子濃度的影響。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1　儀器與藥品

實(shí)驗(yàn)中采用的藥品及儀器見(jiàn)表1所示。

表1藥品及儀器

Tab.1　Experimental drugs and instruments

1.2　反應(yīng)原理

在廢水中加入H2O2，紫外光（UV）照射，生成強(qiáng)氧化性的羥基自由基，破除絡(luò)合，使鎳離子游離到廢水中，后通過(guò)加入Na2S，反應(yīng)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(shí)驗(yàn)方法

量取200 mL的廢水，置于500 mL的燒杯中，加入適量的H2O2，開(kāi)啟紫外光照射，攪拌一定時(shí)間破除絡(luò)合，后加入NaOH調(diào)節(jié)溶液的pH，然后加入適量Na2S，磁力攪拌反應(yīng)，過(guò)程中采用滴加NaOH的方式調(diào)節(jié)pH，抑制Na2S的水解，反應(yīng)完成后抽濾，濾液利用等離子發(fā)射光譜儀測(cè)定其中的鎳含量。

2　結(jié)果與討論

2.1　單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1H2O2加入量對(duì)鎳離子濃度的影響

分別取200 mL的廢水，加入到4個(gè)500 mL的燒杯中，H2O2溶液（20 %）加入量為10、15、20、25 mL/L，開(kāi)啟紫外光照射，攪拌破絡(luò)20 min，滴加NaOH調(diào)節(jié)廢水的pH為9，Na2S固體加入量50 mg/L，攪拌反應(yīng)20 min后，抽濾，測(cè)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(guò)15 mL/L后，鎳離子的濃度變化趨于平緩。

圖1　H2O2加入量對(duì)鎳離子濃度的影響

2.1.2破絡(luò)時(shí)間對(duì)鎳離子濃度的影響

分別取200 mL的廢水，加入到4個(gè)500 mL的燒杯中，H2O2溶液（20 %）加入量為20 mL/L，開(kāi)啟紫外光照射，攪拌破絡(luò)15、20、25、30 min，滴加NaOH調(diào)節(jié)廢水的pH為9，Na2S固體加入量50 mg/L，攪拌反應(yīng)20 min后，抽濾，測(cè)定濾液中的鎳含量，如圖2所示?？梢钥闯?，隨著反應(yīng)時(shí)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(xù)增大破絡(luò)時(shí)間鎳離子的濃度基本穩(wěn)定。

圖2　破絡(luò)時(shí)間對(duì)鎳離子濃度的影響

2.1.3pH對(duì)鎳離子濃度的影響

分別取200 mL的廢水，加入到4個(gè)500 mL的燒杯中，H2O2溶液（20 %）加入量20 mL/L，開(kāi)啟紫外光照射，攪拌破絡(luò)25 min，滴加NaOH調(diào)節(jié)廢水的pH為8、9、10、11，Na2S固體加入量50 mg/L，攪拌反應(yīng)20 min后，抽濾，測(cè)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(guò)9之后鎳離子濃度下降緩慢，超過(guò)10后，趨于穩(wěn)定，說(shuō)明pH在低于10時(shí)，Na2S仍然存在水解，S2-不能高效的與Ni2+結(jié)合，導(dǎo)致鎳離子濃度較高，pH大于10后，水解反應(yīng)得到抑制，Ni2+得以沉淀脫除。

圖3　pH對(duì)鎳離子濃度的影響

2.1.4Na2S加入量對(duì)鎳離子濃度的影響

分別取200 mL的廢水，加入到4個(gè)500 mL的燒杯中，加入H2O2溶液（20 %）20 mL/L，開(kāi)啟紫外光照射，攪拌破絡(luò)20 min，滴加NaOH調(diào)節(jié)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(yīng)20 min后，抽濾，測(cè)定濾液中的鎳含量，如圖4所示。

圖4　Na2S加入量對(duì)鎳離子濃度的影響

可以看出，反應(yīng)初期，鎳離子濃度隨著Na2S加入量的增大而迅速下降，當(dāng)Na2S的加入量超過(guò)60 mg/L后，鎳離子濃度趨于平緩，說(shuō)明隨著反應(yīng)的進(jìn)行，鎳離子濃度下降，其與Na2S 的接觸幾率下降，反應(yīng)平緩。

2.2　響應(yīng)面法實(shí)驗(yàn)

表2響應(yīng)面法設(shè)計(jì)方案及結(jié)果

Tab.2　Experimental design and results of RSM

在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過(guò)軟件Design Expert 8.0中Box-Behnken法進(jìn)行響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)四因素三水平的實(shí)驗(yàn)方案，因素變量為H2O2加入量（）、破絡(luò)時(shí)間（）、pH（）和Na2S加入量（），響應(yīng)量為鎳離子濃度。響應(yīng)面法設(shè)計(jì)方案及結(jié)果見(jiàn)表2所示。響應(yīng)面方程方差分析見(jiàn)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(diào)整后的方差為0.9661，說(shuō)明此模型與實(shí)驗(yàn)擬合較好，因此可用于對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

表3響應(yīng)面方程方差分析

Tab.3　Variance analysis of the quadratic regression equation

為得到最優(yōu)工藝條件，對(duì)擬合方程取一階偏導(dǎo)，偏導(dǎo)等于零的點(diǎn)，即為極值點(diǎn)，計(jì)算得到=4.3，=26.2，=9.7，=13.4，得到=0.0885。對(duì)回歸分析結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，采取三組平行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件為：200 mL廢水，H2O2溶液（20 %）加入量21.5 mL/L，攪拌破絡(luò)26.2 min，廢水的pH為9.7，Na2S固體加入量67 mg/L，攪拌反應(yīng)20 min后。3次實(shí)驗(yàn)結(jié)果濾液中的鎳含量分別為0.0892、0.0897、0.0901 mg/L，其結(jié)果均與預(yù)測(cè)結(jié)果基本吻合，表明優(yōu)化結(jié)果與擬合方程合理，能夠較準(zhǔn)確反映H2O2加入量、破絡(luò)時(shí)間、pH和Na2S加入量對(duì)沉淀鎳離子濃度的影響情況。

3　結(jié)論

采用H2O2/UV+Na2S沉淀法處理電鍍含鎳廢水時(shí)，當(dāng)H2O2加入量21.5 mL/L、破絡(luò)反應(yīng)時(shí)間26.2 min、體系pH=9.7和Na2S加入量為67 mg/L時(shí)，處理后的廢水鎳離子濃度達(dá)到0.0897 mg/L左右，低于GB 21900-2008中含鎳廢水排放標(biāo)準(zhǔn)0.1 mg/L。

[1] 趙盈利, 謝洪勇, 陳衛(wèi)東. 硫化鈉沉淀法處理含鎳廢水[J]. 中國(guó)粉體技術(shù), 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(xué)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(fā)輝, 劉榮榮, 張慧敏, 等. 工業(yè)廢水中鎳的去除與回收技術(shù)及相關(guān)研究進(jìn)展[J]. 水處理技術(shù), 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(shù)研究進(jìn)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(shù)綜述[M]. 北京中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社, 1992: 1-98.

[8] 于志達(dá). 電鍍廢水零排放技術(shù)的應(yīng)用[J]. 中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)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(wèi)（1984—），女，碩士，講師，從事環(huán)境保護(hù)、水處理方面的研究。email：wkzhangwei10@163.com

山東省高等學(xué)?？蒲袆?chuàng)新平臺(tái)課題項(xiàng)目（2018YY035）