陽膜電解法處理含鎳廢水

楊雨佳，黃紅纓，王 琪，范義春，周全法

（江蘇理工學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，江蘇 常州 213001）

陽膜電解法處理含鎳廢水

楊雨佳，黃紅纓，王 琪，范義春，周全法

（江蘇理工學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，江蘇 常州 213001）

采用陽膜電解法處理低濃度含鎳廢水?？疾炝穗娊赓|(zhì)種類及其加入量、電解電流、電流密度、攪拌轉(zhuǎn)速、電解溫度和電解時間等對電解效果的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在電解質(zhì)NaCl加入量為2.5 g/L、電解電流為0.10 A、電流密度為150 A/m2、攪拌轉(zhuǎn)速為800 r/min、電解溫度為35 ℃、電解時間為8 h的最佳條件下，處理Ni2+質(zhì)量濃度為2 g/L的含鎳廢水，鎳析出率達(dá)到95.16%，電流效率為86.87%，單位質(zhì)量能耗為5 254 kW·h/t。

陽離子交換膜；電解法；含鎳廢水；電解效果

電解法處理含鎳廢水存在酸度不易控制、析氫嚴(yán)重并伴生氫氧化物沉淀等問題［1］，影響鎳的回收。為此，工業(yè)上采用陰極隔膜法電解鎳，隔膜材料包括棉隔膜和復(fù)合隔膜［2-4］。該法雖可將陰陽極隔開，但無法根據(jù)需要分別控制陰陽極室的酸度。

離子膜分離技術(shù)已廣泛應(yīng)用于環(huán)保［5-6］、電子、化工、冶金［7］、醫(yī)藥、生物、能源、仿生等領(lǐng)域。采用膜電解法電解鎳，可解決常規(guī)電解時遇到的問題。已有研究表明，采用單陰膜電解鎳效果較好，而用單陽膜處理低濃度含鎳廢水時因陽極液中的Na+進(jìn)入陰極液而影響了電解效果［8］。

本工作在現(xiàn)有工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)一步對陽膜電解法處理低濃度含鎳廢水的工藝條件進(jìn)行了優(yōu)化，以提高含鎳廢水的處理效果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料和儀器

含鎳廢水：取自某電鍍廠翻槽時的鍍鎳廢液，主要成分（ρ，g/L）：硫酸鎳 210，氯化鎳 60，硫酸銨 50，pH 8.5。使用前用蒸餾水稀釋至Ni2+質(zhì)量濃度為2 g/L。

pHS-3C型酸度計(jì)：上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司；85-2B型恒溫磁力攪拌器：金壇市醫(yī)療儀器廠。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及流程

陽膜電解槽的實(shí)驗(yàn)裝置見圖1。電解槽（100 mm×150 mm×120 mm）由聚丙烯材料制成，以鈦網(wǎng)為陽極，市售的泡沫鎳為陰極，離子膜為3361C型聚乙烯異相磺酸型陽離子交換膜，固定極板間距為5 cm。陽極液為濃度0.3 mol/L的NaOH溶液，陰極液為Ni2+質(zhì)量濃度2 g/L的含鎳廢水。用稀硫酸調(diào)節(jié)廢水pH至4.0～4.5。在外加直流電場的作用下，因陽極液為強(qiáng)堿性，陽極以電解OH-為主反應(yīng)，Na+透過陽膜進(jìn)入陰極區(qū)；陰極液中的H+和Ni2+移動至陰極發(fā)生還原反應(yīng)，并伴隨水的電解反應(yīng)發(fā)生。電解質(zhì)離子（電荷）的濃度決定電解液的電導(dǎo)率。一般情況下，電解液的濃度愈大，電阻愈小，電流愈大。當(dāng)槽電壓為5 V時，初始電流較低，僅為50 mA，因此需在陰極液中加入電解質(zhì)，控制適當(dāng)?shù)碾娏?，在恒流下進(jìn)行連續(xù)電解。

圖1 陽膜電解槽的實(shí)驗(yàn)裝置

1.3 分析方法

根據(jù)GB 11910—1989《水質(zhì) 鎳的測定 丁二酮肟分光光度法》測定Ni2+質(zhì)量濃度［9］，計(jì)算鎳析出率；采用酸度計(jì)測定廢水pH；采用恒溫磁力攪拌器控制攪拌轉(zhuǎn)速。

按照式（1）計(jì)算電流效率（η，%）。

式中：ρ0和ρ分別為電解前后陰極液中Ni2+的質(zhì)量濃度，g/L；V為陰極室中含鎳廢水的體積，L；I為電解電流，A；t為電解時間，h；K為電化學(xué)當(dāng)量，g/（A·h），鎳的電化學(xué)當(dāng)量為1.095 g/（A·h）。

按照式（2）計(jì)算單位質(zhì)量能耗（E，kW·h/t）。

式中：U為槽電壓，V。

2 結(jié)果與討論

2.1 電解質(zhì)種類對鎳析出率的影響

溶液的導(dǎo)電性對電解的效果影響很大。在攪拌轉(zhuǎn)速為800 r/min、電解溫度為35 ℃、電解時間為10 h的條件下，考察了兩種電解鎳常用的電解質(zhì)NaCl和Na2SO4對鎳析出率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2和圖3。由圖2和圖3可見：加入電解質(zhì)后電解效果明顯增強(qiáng)，隨電解質(zhì)加入量的增加，電解液導(dǎo)電性逐漸增加，鎳析出率逐漸增加；當(dāng)NaCl加入量為2.5～4.0 g/L時，鎳的析出率較高；當(dāng)Na2SO4加入量為15 g/L時，鎳的析出率最大。由于Na2SO4的摩爾質(zhì)量遠(yuǎn)大于NaCl，因此在相同質(zhì)量條件下，NaCl中的Na+所帶電荷數(shù)高于Na2SO4，NaCl溶液的導(dǎo)電性更強(qiáng)，且陽膜電解避免了Cl2的產(chǎn)生?？紤]經(jīng)濟(jì)因素，以下實(shí)驗(yàn)均選擇以NaCl作為電解質(zhì)。

圖2 NaCl加入量對鎳析出率的影響

圖3 Na2SO4加入量對鎳析出率的影響

文獻(xiàn)［1，8］報道，陽膜比陰膜電解效果差的原因是，陽膜電解時陽極室中的Na+可透過陽膜進(jìn)入陰極室，從而影響了鎳的還原。本實(shí)驗(yàn)在陰極電解液中直接引入了Na+，使電解效果明顯提升，且電解效果的提高程度與電解質(zhì)加入量有關(guān)。由此可見，增強(qiáng)溶液的電導(dǎo)性可提高陽膜電解法的處理效果。

2.2 電解電流對鎳析出率和電流效率的影響

在攪拌轉(zhuǎn)速為800 r/min、電解溫度為35 ℃的條件下，電解電流對鎳析出率和電流效率的影響分別見圖4和圖5。由圖4可見：增大電解電流、延長電解時間可增加鎳析出率；當(dāng)電解時間為8～10 h時，因廢水中Ni2+含量降低，電解電流為0.10 A時的鎳析出率與其他電解電流條件下的鎳析出率接近。由圖5可見：減小電解電流，電流效率提高；當(dāng)電解電流為0.10 A時，電流效率最高；延長電解時間，電流效率逐漸降低；當(dāng)電解時間由8 h延長至10 h時，電流效率降低約15百分點(diǎn)，但鎳析出率較高且接近。綜合考慮，選擇電解電流為0.10 A，電解時間為8 h。在此條件下，鎳析出率為95.16%，電流效率為86.87%。

圖4 電解電流對鎳析出率的影響

圖5 電解電流對電流效率的影響

2.3 電流密度對鎳析出率和電流效率的影響

通過改變陰極面積改變電流密度。在NaCl加入量為2.5 g/L、電解電流為0.10 A、攪拌轉(zhuǎn)速為800 r/min、電解溫度為35 ℃、電解時間為8 h的條件下，電流密度對鎳析出率和電流效率的影響見圖6。由圖6可見：當(dāng)電流密度由75 A/m2增至150 A/ m2時，鎳還原速率加快，鎳析出率和電流效率均上升，這是由于隨電流密度的增加，電壓升高（由4.85 V增至5.12 V），電極反應(yīng)速率與電極電勢有關(guān)，僅通過改變電勢即可使反應(yīng)速率改變多個數(shù)量級［10］；析氫反應(yīng)和鎳還原反應(yīng)存在競爭關(guān)系［11］，繼續(xù)增加電流密度，析氫反應(yīng)加劇，導(dǎo)致攪拌作用不明顯，H+在電極附近出現(xiàn)濃差極化現(xiàn)象，通過電解水產(chǎn)生H2和OH－，OH－與Ni2+生成Ni（OH）2沉淀，抑制了Ni2+在陰極的還原，導(dǎo)致鎳析出率和電流效率均降低。因此，選擇150 A/m2為適宜的電流密度。

圖6 電流密度對鎳析出率和電流效率的影響

2.4 攪拌轉(zhuǎn)速對鎳析出率和電流效率的影響

攪拌不僅可以降低濃差極化，而且可以避免Ni（OH）2的生成。當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速較低時，攪拌不充分，導(dǎo)致陰極附近的pH的增幅較快，易生成Ni（OH）2，嚴(yán)重影響了電解鎳的效果［12］。研究結(jié)果表明，擴(kuò)散層越厚，OH－的去除及H+的進(jìn)入越受到抑制，為電極附近OH－的聚集創(chuàng)造了有利條件［13-14］，導(dǎo)致Ni（OH）2的生成。提高攪拌轉(zhuǎn)速，可降低擴(kuò)散層厚度，有利于鎳的析出，同時使電流效率得到提高。在NaCl加入量為2.5 g/L、電解電流為0.10 A、電流密度為150 A/m2、電解溫度為35℃、電解時間為8 h的條件下，攪拌轉(zhuǎn)速對鎳析出率和電流效率的影響見圖7。由圖7可見：在無攪拌的條件下，鎳析出率只有11.00%；隨攪拌轉(zhuǎn)速的提高，鎳析出率增加；當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速增至800 r/min時，鎳析出率和電流效率達(dá)到最大；繼續(xù)提高攪拌轉(zhuǎn)速，因?qū)U水的波動較大，在陰極附近的Ni2+難以沉積，導(dǎo)致鎳析出率和電流效率下降。因此，選擇800 r/min為適宜的攪拌轉(zhuǎn)速。

2.5 電解溫度對電流效率和單位質(zhì)量能耗的影響

在NaCl加入量為2.5 g/L、電解電流為0.10 A、電流密度為150 A/m2、攪拌轉(zhuǎn)速為800 r/min、電解時間為8 h的條件下，電解溫度對電流效率和單位質(zhì)量能耗的影響見圖8。由圖8可見：當(dāng)電解溫度為35 ℃時，電流效率最高，能耗最低；繼續(xù)升高電解溫度，電流效率下降，能耗相應(yīng)升高，這是由于析氫反應(yīng)隨電解溫度的升高而加劇，與鎳還原反應(yīng)競爭，同時在陰極附近出現(xiàn)大量Ni（OH）2沉淀，影響了鎳的還原，導(dǎo)致電流效率下降。因此，選擇35℃為適宜的電解溫度。

圖7 攪拌轉(zhuǎn)速對鎳析出率和電流效率的影響

圖8 電解溫度對電流效率和單位質(zhì)量能耗的影響

2.6 小結(jié)

在電解質(zhì)NaCl加入量為2.5 g/L、電解電流為0.10 A、電流密度為150 A/m2、攪拌轉(zhuǎn)速為800 r/ min、電解溫度為35 ℃、電解時間為8 h的最佳條件下，處理Ni2+質(zhì)量濃度為2 g/L的含鎳廢水，鎳析出率達(dá)到95.16%，電流效率為86.87%，單位質(zhì)量能耗為5 254 kW·h/t。

3 結(jié)論

a）采用陽膜電解法處理含鎳廢水。

b）在電解質(zhì)NaCl加入量為2.5 g/L、電解電流為0.10 A、電流密度為150 A/m2、攪拌轉(zhuǎn)速為800 r/ min、電解溫度為35 ℃、電解時間為8 h的最佳條件下，處理Ni2+質(zhì)量濃度為2 g/L的含鎳廢水，鎳析出率達(dá)到95.16%，電流效率為86.87%，單位質(zhì)量能耗為5 254 kW·h/t。

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（編輯 王 馨）

Treatment of Nickel-Containing Wastewater by Electrolysis Process with Cationic Exchange Membrane

Yang Yujia，Huang Hongying，Wang Qi，F(xiàn)an Yichun，Zhou Quanfa
（College of Chemistry and Environmental Engineering，Jangsu University of Technology，Changzhou Jiangsu 213001，China）

The wastewater containing nickel with low-concentration was treated by electrolysis process with cationic exchange membrane. The factors affecting the electrolysis effect were studied. The experimental results show that under the optimum conditions of NaCl dosage 2.5 g/L，electrolytic current 0.10 A，current density 150 A/m2，stirring speed 800 r/min，electrolysis temperature 35 ℃，electrolysis time 8 h and Ni2+mass concentration 2 g/L，the generation rate of nickel reaches 95.16%，the current eff ciency is 86.87% and the unit energy consumption is 5 254 kW·h/t.

cationic exchange membrane； electrolysis process；nickel-containing wastewater；electrolysis effect

X703.1

A

1006-1878（2015）06-0575-04

2015 - 05 - 26；

2015 - 08 - 06。

楊雨佳 （1990—），女，江蘇省蘇州市人，碩士生，電話 15806127361，電郵 mytrove119@qq.com。聯(lián)系人：王琪，電話 13861025500，電郵 qwhgx@163.com。

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目 （2014BAC03B06）；江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新資金項(xiàng)目 （BY2014038-08）；常州市應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目 （KYZP13040） 。