納米電氣石粉沉析軟化填料對含銅鎳離子電鍍廢水的凈化研究

【摘 要】本文所講述是一種自制的超細納米級電氣石粉制成的納米電氣石粉沉析軟化填料（簡稱NPS填料）對含銅鎳電鍍廢水小試試驗研究。通過小試試驗發(fā)現(xiàn)NPS填料對污水中銅鎳的去除效率通常為74%～78%，并隨著接觸過濾時間增長并沒有明顯的效率提升；而經(jīng)過過濾后其處理效率可達90%以上，一般采用5μm級別的過濾時銅鎳去除效率可提升至94%；一般在5～10min的接觸時間（水力負荷為44.4～88.8m?污水/（t填料·h））就可以滿足工業(yè)化使用要求。

【關(guān)鍵詞】納米 電氣石 銅鎳重金屬離子

1引言

電氣石是化學組成復(fù)雜的環(huán)狀結(jié)構(gòu)的硅酸鹽復(fù)鹽礦物，化學成分包括B2O3、SiO2、Fe3O4、A12O3、Li2O、MnO2、Na2O、MgO等。電氣石具有壓電性和熱電性兩種特征性狀，在溫度、壓力發(fā)生變化的情況下，能引起電氣石晶體的電勢差，使周圍的介質(zhì)發(fā)生電離，被擊中的電子附著于鄰近的水和氧分子并使它轉(zhuǎn)化為羥基自由基（·OH），進而化合成為一水合羥基負離子（H3O2-）。

發(fā)生的負離子在水中等介質(zhì)中存在時具有較強的氧化和堿性，可以將還原性污染物質(zhì)凈化分解。因此，電氣石是一種很好的環(huán)境凈化材料，可以用于水中重金屬離子污染凈化以及還原性污染物質(zhì)的凈化。

在目前的各種應(yīng)用領(lǐng)域中，電氣石往往都是以粉體形態(tài)出現(xiàn)的。長期的實踐證明，粉體顆粒粒徑越小，其比表面積更大，其壓電性、熱電性發(fā)揮的效果將會更好。例如，在功能纖維中填充電氣石粉，要求中位徑小于或等于0.5μm，97%小于或等于3.0μm。[1-4]

本文用d50約等于100nm的納米級電氣石粉末復(fù)配燒結(jié)后制成的納米電氣石粉沉析軟化填料（以下簡稱NPS填料，Nano Particle Softening），并對某電鍍廢水中含銅鎳廢水中重金屬去除效果進行小試試驗考察：①不同過濾方式實現(xiàn)的沉析凈化效率；②不同水力停留時間下的凈化效率。

本小試試驗所用的經(jīng)復(fù)配燒結(jié)而成的超細納米級電氣石粉是委托北京樂柏奇研究所加工，電氣石納米粉加工精度d50=100±15nm，以粘土做芯，表層用納米級電氣石粉末包裹0.5mm厚度結(jié)構(gòu)，并為加強電氣石粉末效果混合能量材料粉末高溫燒結(jié)而成，其物理性質(zhì)為：顆粒粒徑4±0.25mm，干時堆積密度是：0.75t/m?，浸水瀝干后的堆積密度是：1.01t/m?，有效孔隙率為：38%，單顆填料球的比重為1.97。

2 NPS填料化學反應(yīng)機理

電氣石，又名托瑪琳（Tourmaline）是具有壓電效應(yīng)的一種天然礦物晶體，但是這些物質(zhì)在自然界狀態(tài)下極性抵消等原因而不能明顯的表現(xiàn)在其電能特性。采用納米級加工（d50≈100nm），在微觀角度情況下就可使其壓電性作用充分發(fā)揮出來，這樣能在材料外接壓力變化時（正壓或負壓均可），其表面由于存在的電子形成無數(shù)永久微電場。如果將其制作成粉狀，粉末間距極小，極小的間距另少量的正負靜電核產(chǎn)生出巨大的靜電能量場。這電場強度之大以至于能使NAP填料周圍的水分子發(fā)生微電解，產(chǎn)生帶正電的氫離子（H+）和帶負電的羥基，即氫氧基（·OH）。兩個氫離子（H+）得到電子補充后變成氫氣（H2↑）放入空氣中。剩下的羥基（·OH）與周圍的另一個水分子結(jié)合成羥基負離子（H3O2-）。

其化學公式如下：

由于整個反應(yīng)中的產(chǎn)品是羥基自由基和氫氧根離子，因此整個水環(huán)境的pH值會急劇升高，所以造成水環(huán)境中的諸如鈣鎂銅鎳等金屬陽離子發(fā)生化學合成反應(yīng)形成氫氧化物金屬堿，且從水中析出并在事宜的條件下聚集凝聚成固態(tài)懸浮物，因此可以通過過濾和沉淀的方式進行去除，從而實現(xiàn)水的軟化和重金屬離子的凈化。

3實驗?zāi)康?、原料、設(shè)備、試驗參數(shù)

3.1小試試驗?zāi)康?/p>

本小試實驗主要目的是考察NPS填料的重金屬離子的沉析凈化效果，通過數(shù)據(jù)確定適宜的接觸時間（HRT）并進而確定合理的NPS填料的水力負荷范圍，同時解決處理過程中副產(chǎn)物水渣影響的問題。

其污水取自某大型金屬加工公司電鍍車間含銅鎳廢水。電鍍廠污水一般是生產(chǎn)線中的退水，生產(chǎn)用水為純凈水，故水中其含鈣鎂等常見堿金屬陽離子的含量極小，幾乎為零，可以忽略不計，污水中金屬陽離子一般以生產(chǎn)線中的重金屬銅鎳為主。

同時由于污水中含有少量的SS，因此為確保試驗的穩(wěn)定性，首先調(diào)節(jié)pH到中性，通過PAC投加20mg/L的絮凝沉淀的方式將水中的SS去除后制成試驗用水，而后再進行小試試驗考察NPS填料的效果（如圖1）。

因此本實驗所采用的試驗原水為綜合池中經(jīng)過中和絮凝沉淀后的電鍍廢水上清液。

試驗裝置的小試運行參數(shù)為：廢水的過濾流速控制在0.8±0.1L/min之間，且濾罐的真空度調(diào)節(jié)為0.2±0.02MPa（保壓）之間穩(wěn)定勻速運行。

3.2小試工藝流程及試驗方案

本次小試擬采用試驗裝置的工藝流程如圖2。

本實驗裝置只有NPS保壓濾罐一處填裝納米電氣石粉沉析軟化填料，其中采用8組相互串聯(lián)的塑料濾罐，每個罐體長20cm直徑6cm填充量225gNPS填料，8組合計使用填料1.8kg。

流量可調(diào)節(jié)約0.6-1.0L/min，工作壓力0.35MPa，試驗機采用循環(huán)處理方式，即一遍遍的反復(fù)過水處理，根據(jù)每邊的流量可以算出其在填料中的水力停留時間（HRT），在不同的水力停留時間時，通過采樣化驗其中的水質(zhì)情況來判斷處理效果。

由于出水中含有大量的堿金屬氫氧化物水渣，而后續(xù)沒有絮凝沉淀工藝，出水水樣經(jīng)過過濾后再送檢測試銅鎳離子濃度。

3.3試驗步驟

首先，取綜合池原水一桶，投加氫氧化鈉溶液后將pH調(diào)整到中性后，投加20mg/LPAC絮凝劑和0.1mg/LPAM助凝劑，混凝1min，再沉淀30min后，取上清液10L作為“原水”。

然后，再采用試驗機一遍一遍地進行“NPS負壓壓力過濾”。

最后，在指定次數(shù)試驗機出水水質(zhì)經(jīng)過過濾處理后再分析水質(zhì)，過濾方式分為快速濾紙、慢速濾紙過濾和0.45μm微孔濾膜過濾三種方法，以模擬在日常工程中的絮凝沉淀過濾工藝水質(zhì)效果。

首先對其電鍍廢水進行技術(shù)初探，通過反復(fù)12遍負壓“過濾”后。每3次過濾進行取樣，并采用“不過濾”、“快速濾紙過濾（100μm精度）”、“慢速濾紙過濾（5μm精度）”、“微孔濾膜過濾（0.45μm精度）”分別進行過濾后，在做銅鎳指標的水質(zhì)分析。由于每次試驗機水泵流量不同，因此需要根據(jù)當時實驗流量進行記錄，并計算每次的水力停留時間，并作為設(shè)計依據(jù)。

3.4監(jiān)測項目：

本試驗重金屬銅鎳指標的數(shù)據(jù)采用北京普析通用儀器有限責任公司的TAS-900型原子吸收分光光度計進行測量。

對原水及特定的HRT及其過濾方式的出水測定銅鎳離子濃度。同時檢測水流速并核算水力負荷及HRT。

4試驗結(jié)果

經(jīng)過測試，本電鍍廢水原水中含總銅為7.457mg/L、總鎳為8.474mg/L，通過NPS填料負壓過濾后按照設(shè)定階段取樣，并過濾測試，其出水pH均在10～11之間，并隨接觸時間提升有緩慢的提升。對過濾方式和接觸時間的檢測數(shù)據(jù)和計算結(jié)果整理如下（如表1、表2、圖3、圖4所示）。

小試實驗結(jié)論：（1）銅鎳廢水經(jīng)NPS填料過濾后有明顯的去除效果。通過過濾方式不同發(fā)現(xiàn)其水中存在大量水渣，不過濾僅考材料自身的截留吸附，則銅鎳的去除率僅有74～78%，可以通過過濾的方式進行去除水渣，經(jīng)過過濾會提高到92～96%。（2）從總銅在反應(yīng)器內(nèi)采用快濾紙和慢濾紙過濾后銅的濃度之間的差距變化來看，停留時間越長則銅水渣顆粒越大，幅度很大。且隨著處理時間的推移，并沒有得到有效的提升，基本上有5～10min的停留時間就已經(jīng)有較高的去除效果。而金屬鎳離子早期去除率極高，但隨著接觸時間增加到10min以后開始出現(xiàn)緩步反彈的異常情況，這與實際工程堿性沉淀法去除銅鎳離子出現(xiàn)兩者難以同時降低至0.5mg/L的異常情況有些類似，因此該技術(shù)HRT應(yīng)控制在10min以內(nèi)的高效區(qū)。如按照HRT=5～10min計算，則相當于NPS填料的水力負荷為44.4～88.8m?污水/（t填料·h）。（3）95%以上的水渣可以用微孔濾膜進行過濾去除，可以過濾精度為0.45μm。但對于生產(chǎn)而言，一般采用類似于慢速濾紙的5μm級別的過濾精度系統(tǒng)的處理效率就可以達到90～94%，目前普通袋式過濾器、PPF過濾棉的過濾精度足可以滿足其要求。

5結(jié)語

本實驗主要是通過對納米電氣石粉沉析軟化填料（NPS填料）的小試，測試其對含銅鎳電鍍廢水領(lǐng)域中的應(yīng)用參數(shù)。試驗數(shù)據(jù)標明，在0.2MPa的負壓狀態(tài)下，通常5～10min的接觸時間（水力負荷為44.4～88.8m?污水/（t填料·h））就可以實現(xiàn)約70～80%的銅鎳去除率，更長的接觸時間沒有明顯的提升；而采用過濾的方式對水中銅鎳氫氧化物的水渣進行過濾后，采用0.45μm微孔濾膜過濾后其去除效率可達94%，采用普通5μm濾紙過濾后銅鎳去除率均在90%以上基本可以滿足工業(yè)化應(yīng)用。

參考文獻：

[1]王平，杜高翔，鄭水林，馬家敏.超細電氣石粉體的表面改性試驗研究.化工礦物與加工，2008（2）.

[2]鄭秋生，胡雪玉.延年素纖維性能及應(yīng)用.合成纖維，2010（1）.

[3]張開永，曲鴻魯，劉渝燕，張軍.電氣石超細粉碎及分級提取試驗研究.中國粉體技術(shù)，2010（2）.

[4]盧宗柳.電氣石硼肥制作技術(shù)的試驗研究.礦產(chǎn)與地質(zhì)，2006（6）.

作者簡介：李璐（1981—），男，2004年大學本科畢業(yè)于中國地質(zhì)大學（北京）水資源與環(huán)境學院環(huán)境工程專業(yè)，環(huán)境工程工程師。長期從事環(huán)境工程污水處理、工業(yè)有機廢氣治理、水體修復(fù)及場地污染修復(fù)領(lǐng)域的新技術(shù)開發(fā)及工程設(shè)計。