結(jié)晶沉淀-樹(shù)脂吸附組合工藝回收黃連素廢水中銅試驗(yàn)研究

崔曉宇，單永平，曾萍，何緒文

1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083 2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院城市水環(huán)境科技創(chuàng)新基地，北京 100012 3.德國(guó)亥姆霍茲環(huán)境研究中心環(huán)境微生物學(xué)院，萊比錫 04318

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結(jié)晶沉淀-樹(shù)脂吸附組合工藝回收黃連素廢水中銅試驗(yàn)研究

崔曉宇1,2，單永平3，曾萍2*，何緒文1*

1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083 2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院城市水環(huán)境科技創(chuàng)新基地，北京 100012 3.德國(guó)亥姆霍茲環(huán)境研究中心環(huán)境微生物學(xué)院，萊比錫 04318

通過(guò)多批次的小試試驗(yàn)考察了結(jié)晶沉淀-樹(shù)脂吸附組合工藝對(duì)黃連素含銅廢水的處理效果，并對(duì)產(chǎn)生的堿式氯化銅(TBCC)結(jié)晶沉淀進(jìn)行X射線衍射(XRD)成分分析。結(jié)果表明：反應(yīng)pH為7.0～9.0時(shí)，廢水中超過(guò)99.9%的Cu2+以堿式氯化銅結(jié)晶沉淀的形式得以回收，反應(yīng)生成的堿式氯化銅沉淀通過(guò)水洗后，其成分符合GBT 21696—2008《飼料添加劑 堿式氯化銅》質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。剩余的廢水再經(jīng)過(guò)樹(shù)脂吸附工藝處理后，出水Cu2+濃度小于1.0 mgL。在小試試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了中試試驗(yàn)研究，其結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了小試試驗(yàn)的運(yùn)行效果及該工藝的可行性。通過(guò)該處理工藝既可綜合利用廢水中的銅資源，又可將廢水的pH由小于1調(diào)至大于7，有利于實(shí)現(xiàn)制藥廢水綜合處理和達(dá)標(biāo)排放。

堿式氯化銅；沉淀；樹(shù)脂吸附；銅回收；中試

在過(guò)去幾十年間，國(guó)內(nèi)制藥企業(yè)產(chǎn)生了大量的難生物降解有機(jī)污染物，這些有機(jī)物對(duì)環(huán)境有著巨大的危害，而這些有機(jī)物中伴隨的重金屬更是成為突出的環(huán)境污染問(wèn)題[1]。

金屬銅是生物體維持其正常運(yùn)轉(zhuǎn)的必要微量元素[2]，但過(guò)量的Cu2+會(huì)干擾細(xì)胞蛋白質(zhì)和酶的合成，從而導(dǎo)致生物體抗菌性能的下降[3]。隨廢水排放到水體中的Cu2+會(huì)在植物、水生生物中富集，在影響動(dòng)植物活性的同時(shí)，也會(huì)通過(guò)食物鏈最終使人類(lèi)機(jī)體受到損害[4-5]。該特性也會(huì)對(duì)參與廢水處理的微生物造成危害[6]，影響污水處理單元的運(yùn)行。所以去除廢水中的Cu2+對(duì)保障環(huán)境安全十分必要。

堿式氯化銅(TBCC)作為新型銅源飼料添加劑，具有較高的生物利用率。其制備方法有多種，目前較常見(jiàn)的有2種：1)以氯化銅為原料合成堿式氯化銅。將氯化銅溶液、鹽酸、氨水和食鹽等作為原料，通過(guò)一系列的反應(yīng)過(guò)程即可得到符合飼用標(biāo)準(zhǔn)的堿式氯化銅。2)以電路板蝕刻廢液為原料制備堿式氯化銅。將堿性或酸性蝕刻廢液經(jīng)過(guò)脫毒除雜處理得到無(wú)毒的原料，再通過(guò)中和反應(yīng)、過(guò)濾等工藝后即得堿式氯化銅產(chǎn)品[7-9]。而利用制藥廢水制備堿式氯化銅的研究，目前在國(guó)內(nèi)開(kāi)展的較少。

以往的研究表明，溶劑萃取工藝[10]、鐵碳微電解[11]、離子交換樹(shù)脂吸附[12]和化學(xué)沉淀[13]等被廣泛用于廢水中Cu2+的去除，如王春等[14]利用LIX622萃取劑處理砷銅鋅混合精礦加壓浸出液，在低pH時(shí)，通過(guò)3級(jí)萃取后對(duì)銅的平均萃取率可達(dá)95.4%；肖宏康等[15]利用鐵碳微電解技術(shù)對(duì)含銅黃連素制藥廢水進(jìn)行預(yù)處理，初始Cu2+濃度約為20 000 mgL，鐵粉和廢碳投加量分別為25和30 gL，反應(yīng)90 min后，Cu2+的去除率高于99.9%，Cu2+濃度低于20 mgL；Dai等[16]使用Purolite A5002788離子交換樹(shù)脂回收銅金礦提金尾液中的Cu2+，銅的解吸率可達(dá)86.8%；熊英禹等[17]在200 mgL的模擬含銅廢水中，投加1‰的聚丙烯酰胺30 mgL，沉淀14 min后，Cu2+的去除率可達(dá)99.5%。然而，單一的處理工藝在應(yīng)用過(guò)程中存在一定的缺點(diǎn)和局限性，如在溶劑萃取過(guò)程中會(huì)伴生高濃度有機(jī)萃取劑污染；已規(guī)?；瘧?yīng)用的鐵碳微電解法的效率較低，在鑄鐵粒和碳顆粒沒(méi)有分散均勻的情況下，鑄鐵粒之間容易生銹板結(jié)；離子交換樹(shù)脂在處理高濃度含銅廢水過(guò)程中使用周期較短；化學(xué)沉淀工藝可大量沉淀Cu2+，但處理后的廢水中仍含有Cu2+，還需要后續(xù)的處理工藝。為此，筆者選取結(jié)晶沉淀-離子交換樹(shù)脂組合工藝作為黃連素含銅廢水中Cu2+去除和回收的主要工藝，通過(guò)該組合工藝先回收廢水中的銅資源，再將廢水中剩余的Cu2+進(jìn)一步提取出來(lái)，實(shí)現(xiàn)制藥廢水資源化利用和達(dá)標(biāo)排放。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)用水

試驗(yàn)所用含銅廢水為黃連素生產(chǎn)過(guò)程中的廢水，主要水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。廢水中的Cu2+主要來(lái)源于黃連素合成過(guò)程中的脫銅反應(yīng)，包括脫銅反應(yīng)壓濾產(chǎn)生的母液和鹽酸黃連素粗鹽洗滌水，在反應(yīng)結(jié)束后Cu2+隨廢水大量排出。廢水呈綠褐色，具有較濃的刺鼻味，其主要包括氯化銅、乙酸、氯化鈉、乙二醛、黃連素鹽酸鹽、黃連素銅鹽、鹽酸等，是典型的高COD、高含鹽量廢液，成分比較復(fù)雜，可生化性差。

表1 黃連素含銅廢水水質(zhì)指標(biāo)Table 1 Water quality of berberine wastewater

1.1 堿式氯化銅的結(jié)晶沉淀試驗(yàn)

將500 mL黃連素含銅廢水置于1 L燒杯中，用濃度為500 gL的NaOH溶液逐次加入廢水使Cu2+產(chǎn)生沉淀。反應(yīng)結(jié)束后，將混合物通過(guò)離心機(jī)(SORVALL RC-6 Plus，美國(guó)Thermo Scientific公司)進(jìn)行分離。廢水中Cu2+濃度用火焰原子吸收光譜法(Elemental M6，美國(guó)Thermo公司)測(cè)定[18]。

1.2 堿式氯化銅結(jié)晶沉淀物的化學(xué)分析

離心分離后的固體產(chǎn)物置于恒溫干燥箱，60 ℃下干燥24 h，干燥前后稱(chēng)重。將干燥后的沉淀物研磨成粉末，通過(guò)X射線衍射(XRD)分析晶體結(jié)構(gòu)，并采用粒徑分析儀分析顆粒直徑，用10%的HCl溶液溶解粉末，用火焰原子吸收光譜法逐一測(cè)定晶體中的Cu、As、Pb和Pd濃度。

1.3 樹(shù)脂吸附試驗(yàn)

采用CHJ-001型樹(shù)脂進(jìn)行吸附特性測(cè)試：將CHJ-001型樹(shù)脂裝入高徑比為5的10 mL玻璃柱中。廢水經(jīng)離心及2.45 μm膜過(guò)濾后，由蠕動(dòng)泵(BT100-1L，蘭格恒流泵有限公司)泵入玻璃柱中，流速設(shè)定為1 BVh(BV為柱體積)。

2 結(jié)果與討論

2.1 pH對(duì)結(jié)晶沉淀反應(yīng)的影響

反應(yīng)過(guò)程中pH對(duì)生成堿式氯化銅沉淀的影響如圖1所示。

圖1 不同pH反應(yīng)條件下上清液中剩余Cu2+濃度Fig.1 Remained copper ion (Cu2+) concentration under different pH

由圖1可知，反應(yīng)初始階段，廢水中含有大量H+，隨著NaOH的投加，水中H+與NaOH中和(pH為0.3～4)。當(dāng)廢水pH達(dá)到4以上時(shí)，開(kāi)始產(chǎn)生Cu(OH)2，此時(shí)廢水中的NaOH與CuCl2的摩爾比約為2.0～3.5∶1。隨后Cu(OH)2與CuCl2反應(yīng)生成堿式氯化銅(pH為4～7)，并且在pH為7時(shí)，反應(yīng)完全(pH為7～9)。

該反應(yīng)過(guò)程的化學(xué)方程式如下：

Cu2++2OH-→Cu(OH)2

3Cu(OH)2+CuCl2·2H2O→2Cu2(OH)3Cl+2H2O

對(duì)生成的堿式氯化銅結(jié)晶粉末進(jìn)行XRD分析，結(jié)果如圖2所示。由圖2可見(jiàn)，粉末晶體結(jié)構(gòu)保持在pH為4～9，分子式為Cu2(OH)3Cl，屬氯銅礦型堿式氯化銅。

圖2 XRD對(duì)沉淀物的檢測(cè)Fig.2 XRD determination of precipitate

由圖2可以推斷出，堿式氯化銅沉淀反應(yīng)經(jīng)歷了3個(gè)步驟：1)酸堿中和反應(yīng)；2)加入過(guò)量NaOH后，水中的Cu2+與OH-反應(yīng)生成Cu(OH)2；3)生成的Cu(OH)2與水中的CuCl2反應(yīng)形成堿式氯化銅結(jié)晶。

2.2 堿式氯化銅沉淀物的成分分析

檢查堿式氯化銅沉淀物產(chǎn)品的外觀可見(jiàn)，原始沉淀物中存在部分雜質(zhì)，經(jīng)過(guò)水洗后雜質(zhì)能夠有效去除(圖3)。

圖3 試驗(yàn)產(chǎn)品外觀Fig.3 The appearance of product

表2 原始沉淀物和水洗后沉淀物的成分分析Table 2 Test results of raw and washed product %

通過(guò)對(duì)晶體研磨后的粒徑分析(圖4)可知，大多數(shù)的晶體粒徑分布在1～100 μm，粒徑大小符合GBT 21696—2008標(biāo)準(zhǔn)(細(xì)度要求≥95%通過(guò)孔徑為250 μm的試驗(yàn)篩)。

圖4 沉淀產(chǎn)物的粒徑分析Fig.4 Diameter analysis of product powder

2.3 樹(shù)脂柱對(duì)剩余Cu2+的吸附

用離心機(jī)對(duì)結(jié)晶沉淀反應(yīng)后的混合物進(jìn)行固液分離，其上清液中的Cu2+濃度為11.4 mgL。對(duì)于傳統(tǒng)生化處理工藝來(lái)說(shuō)，該濃度的Cu2+仍會(huì)對(duì)微生物產(chǎn)生影響。研究表明，硝化細(xì)菌對(duì)Cu2+比較敏感，Cu2+的半抑制濃度(IC50)為13.3 mgL[19]，并且與其他重金屬(如鋅、鎘、鎳)相比，硝化性能受Cu2+抑制后需要更長(zhǎng)的恢復(fù)時(shí)間[20-21]。使用CHJ-001樹(shù)脂作為深度處理工藝，將離心分離后上清液中剩余的Cu2+去除。通過(guò)樹(shù)脂吸附柱后，出水中的Cu2+濃度可降至0.95 mgL，為廢水排入污水處理廠進(jìn)一步生化處理廢水中有機(jī)污染物提供了有利條件。

2.4 中試試驗(yàn)與技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

2.4.1 中試裝置與運(yùn)行

為進(jìn)一步考察結(jié)晶沉淀-樹(shù)脂吸附組合工藝黃連素含銅廢水的處理效果，對(duì)廢水進(jìn)行中試規(guī)模的試驗(yàn)?？疾觳煌琾H條件下，整套工藝對(duì)堿式氯化銅的回收效果，其組合工藝流程如圖5所示。從圖5可以看出，組合工藝分為堿式氯化銅結(jié)晶沉淀工段和樹(shù)脂吸附工段，中試試驗(yàn)裝置配有2 m3含銅廢水儲(chǔ)罐和1 m3的壓濾機(jī)分離出水儲(chǔ)罐各1個(gè)，用于試驗(yàn)過(guò)程中含銅廢水和壓濾機(jī)分離出水的儲(chǔ)存。

圖5 結(jié)晶沉淀-樹(shù)脂吸附組合工藝中試流程Fig.5 Schematic flow chart of pilot scale crystalline precipitate-adsorption resin combined process

堿式氯化銅結(jié)晶反應(yīng)器設(shè)計(jì)體積為600 L，采用批次運(yùn)行，結(jié)晶反應(yīng)器處理效果的決定性因素是進(jìn)水Cu2+濃度。因此，反應(yīng)器的設(shè)計(jì)以Cu2+負(fù)荷為依據(jù)，試驗(yàn)過(guò)程中，每批次反應(yīng)黃連素含銅水進(jìn)水量為300 L，由耐腐蝕泵添加NaOH溶液，通過(guò)攪拌混合調(diào)節(jié)pH，反應(yīng)時(shí)間為1 h，結(jié)晶攪拌反應(yīng)器設(shè)有在線pH計(jì)、溫度計(jì)和液位控制裝置，進(jìn)出水均由閥門(mén)調(diào)節(jié)。反應(yīng)結(jié)束后，混合液由螺桿泵泵入廂式壓濾機(jī)中進(jìn)行固液分離，可得到含水率約60%的堿式氯化銅結(jié)晶沉淀，分離后的壓濾機(jī)出水通過(guò)紙袋過(guò)濾機(jī)去除懸浮雜質(zhì)后進(jìn)入離子交換樹(shù)脂，將壓濾機(jī)出水中殘留的Cu2+進(jìn)一步去除，Cu2+吸附柱設(shè)計(jì)柱體積(BV)為10 L，設(shè)計(jì)流速為1 BVh。

中試規(guī)模的堿式氯化銅結(jié)晶批次運(yùn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。由表3可知，當(dāng)pH>7時(shí)，出水Cu2+濃度變化不大，穩(wěn)定在20 mgL以下，Cu2+去除率均達(dá)到99.9%，因此，在運(yùn)行過(guò)程中，pH控制在7.0～9.0即可取得較好的處理效果，與小試試驗(yàn)的結(jié)果相吻合。在pH自動(dòng)控制加堿過(guò)程中，堿泵的流速和pH探頭在反應(yīng)器中的深度是影響最終pH的重要因素。

表3 結(jié)晶沉淀-樹(shù)脂吸附組合工藝運(yùn)行效果Table 3 The effect of crystalline precipitate-adsorption resin combined process

堿泵流速過(guò)大和pH探頭深度過(guò)大均易導(dǎo)致最終pH偏高(pH>9)，影響堿式氯化銅晶體的品質(zhì)。通過(guò)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，堿泵的流速控制在30 Lmin即可，pH探頭置于反應(yīng)器中間位置可有效控制反應(yīng)過(guò)程中的pH。反應(yīng)完成后懸浮液經(jīng)螺桿泵泵入壓濾機(jī)分離，分離效果較好，平均含水率為57.7%，出水固體濃度約為1.0 gL，壓濾后固體與濾布間黏度不大，容易卸料。通過(guò)離子交換樹(shù)脂對(duì)壓濾機(jī)出水做進(jìn)一步處理，出水中Cu2+濃度低于1.0 mgL，達(dá)到了較好的處理效果。

2.4.2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

鑒于中試試驗(yàn)條件下的運(yùn)行效果，其成本主要取決于藥劑的消耗和吸附樹(shù)脂的成本，具體運(yùn)行成本分析見(jiàn)表4。

表4 運(yùn)行成本分析Table 4 Analysis of the operation cost

由表4可知，結(jié)晶沉淀-樹(shù)脂吸附工藝的運(yùn)行成本約為3 807.4元t(不含人工成本)，在該廢水處理工程的運(yùn)行成本中，主要特點(diǎn)是藥劑費(fèi)成本較高；同時(shí)，設(shè)備的電耗也比較大。但以該企業(yè)無(wú)水氯化銅的消耗量286～330 ta，黃連素產(chǎn)量260～300 ta，銅損耗按3%計(jì)，可年產(chǎn)243～280 t堿式氯化銅，該工藝產(chǎn)品的市場(chǎng)附加價(jià)值較高，通過(guò)運(yùn)行費(fèi)用和最終出水效果的綜合考慮，該工藝仍具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

3 結(jié)論

(1)黃連素含銅廢水制取堿式氯化銅反應(yīng)pH為7～9，此時(shí)形成的晶體純度較好，并且廢水中99.9%以上的Cu2+都轉(zhuǎn)化為堿式氯化銅。

(2)反應(yīng)生成的堿式氯化銅結(jié)晶沉淀通過(guò)水洗后，其成分符合GBT 21696—2008《飼料添加劑 堿式氯化銅》標(biāo)準(zhǔn)。

(3)結(jié)晶反應(yīng)結(jié)束后，固液分離的上清液經(jīng)過(guò)銅離子樹(shù)脂吸附柱做深度處理，出水Cu2+濃度低于1.0 mgL。

通過(guò)結(jié)晶沉淀-樹(shù)脂吸附組合處理工藝可綜合利用黃連素含銅廢水中的資源，在得到飼料添加劑堿式氯化銅的同時(shí)，又調(diào)節(jié)了廢水的pH(由pH小于1調(diào)至pH大于7)，再經(jīng)過(guò)樹(shù)脂吸附工藝后，廢水中Cu2+濃度小于1.0 mgL，有利于實(shí)現(xiàn)制藥企業(yè)污水處理廠的綜合處理和達(dá)標(biāo)排放。減少了環(huán)境污染，又給生產(chǎn)企業(yè)帶來(lái)很好的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)制藥行業(yè)和飼料工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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Experimental study on copper recovery from berberine wastewater by crystalline precipitate-adsorption resin combined process

CUI Xiaoyu1,2, SHAN Yongping3, ZENG Ping2, HE Xuwen1

1.School of Chemical & Environmental Engineering, China University of Mining & Technology, Beijing 100083, China 2.Department of Urban Water Environmental Research, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 3.Department of Environmental Microbiology, Helmholtz Centre for Environmental Research-UFZ, Leipzig 04318, Germany

A combination of crystalline precipitation and resin adsorption process was adopted for the recovery of copper contained in berberine production industrial wastewater. Optimized conditions were studied by batch experiments. The crystal structure of produced precipitate as tribasic copper chloride (TBCC) was evaluated by XRD analysis. The results showed that under the pH of 7.0-9.0, over 99.9% copper was recovered by crystalline precipitation process. The composition of basic copper chloride precipitation could meet with national standards(GBT 21696-2008) of feed-grade after water washing. After a following ion exchange treatment the effluent copper ion concentration was less than 1.0 mgL. On the basis of the bench-scale test, a pilot scale test was carried out. The results of pilot scale tests certified the effect of this combined process. This process could recover the copper resource from pharmaceutical industrial wastewater and, at the same time, improve the pH from lower than 1 to higher than 7, which would be beneficial to the comprehensive treatment of pharmaceutical wastewater and the meeting of discharge standards.

tribasic copper chloride; precipitation; resin adsorption; copper recovery; pilot scale test

2016-06-04

國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專(zhuān)項(xiàng)(2012ZX07202-002)；環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金

崔曉宇(1984—)，男，高級(jí)工程師，碩士，主要研究水污染控制技術(shù)，cuixy@craes.org.cn

*責(zé)任作者：曾萍(1971—)，女，研究員，博士，主要從事水污染控制技術(shù)研究，zengping@craes.org.cn 何緒文(1964—)，男，教授，博士，主要從事水污染控制技術(shù)研究，hjinghua@vip.sina.com

X703

1674-991X(2017)01-0001-06

10.3969j.issn.1674-991X.2017.01.001

崔曉宇，單永平，曾萍,等.結(jié)晶沉淀-樹(shù)脂吸附組合工藝回收黃連素廢水中銅試驗(yàn)研究[J].環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào),2017,7(1):1-6.

CUI X Y, SHAN Y P, ZENG P, et al.Experimental study on copper recovery from berberine wastewater by crystalline precipitate-adsorption resin combined process[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2017,7(1):1-6.