關(guān)于膜電解法處理含鎳廢水的研究

摘要：鎳金屬作為合金化元素，在冶金電鍍等工業(yè)領(lǐng)域有著十分重要的價(jià)值，在應(yīng)用廣泛的同時(shí)，工廠產(chǎn)生的含鎳廢水也隨之增多。筆者選用膜電解法，實(shí)現(xiàn)對含鎳廢水中鎳離子的沉積回收。試驗(yàn)具有一定的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保意義。

關(guān)鍵詞：膜電解法；含鎳廢水；鎳回收

中圖分類號(hào)：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-672X（2017）04-0109-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2017.04.051

Abstract： Nickel metal as alloying element， in metallurgical electroplating and other industrial fields has a very important value， in a wide range of applications， the factory produced nickel-containing wastewater also increased. I use membrane electrolysis method to achieve the nickel-containing wastewater in the nickel ion deposition recovery. The test has some economic and environmental significance.

Key words： membrane electrolysis； nickel-containing wastewater； nickel recovery

鎳金屬是一種合金化元素，其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，且具有極強(qiáng)的可塑性，因此被廣泛應(yīng)用于冶金、電鍍、輕工等領(lǐng)域。由于鎳元素本身具有的易積累、易流失等特性，工廠在生產(chǎn)鎳產(chǎn)品的過程中，排除的廢水中含有大量的鎳元素。而鎳離子具有強(qiáng)烈的致癌作用，廢水排放會(huì)滲入土壤，產(chǎn)生富集作用并進(jìn)入到農(nóng)作物中，最終會(huì)危害人的生命健康。再加上鎳本身價(jià)格高昂，故對鎳元素的回收再生對經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等方面有十分重要的意義。

隨著人們對含鎳廢水再利用的重視度不斷增加，目前可用于鎳回收的技術(shù)及方法已經(jīng)有很多，其中包括離子交換法、溶劑萃取法、化學(xué)沉淀法和膜電解法等等，對于膜電解法還分為單陰膜電解法、單陽膜電解法及雙膜三室電解法。筆者選用的是單陽膜電解法進(jìn)行試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)用水

本次試驗(yàn)選用的含鎳廢水是某金剛石廠生產(chǎn)后的殘留廢水，并且經(jīng)過了除錳處理，廢水屬酸性，pH值約在3～4，鎳離子的平均質(zhì)量濃度在1500mg/L，硫酸根離子的平均質(zhì)量濃度約在2000～2300mg/L，氯離子的平均質(zhì)量濃度約在110～130mg/L。

2 試驗(yàn)原理與設(shè)計(jì)

膜電解法利用了離子交換膜的選擇透過性，以直流電場力產(chǎn)生的電位差作為推動(dòng)力，使離子在電解液中作定向移動(dòng)。試驗(yàn)中電解池被離子交換膜分隔成陰極室和陽極室，通過觀察在電極上產(chǎn)生的氧化反應(yīng)及還原反應(yīng)判斷鎳的析出量，從而達(dá)到分離鎳離子的作用[1]。

試驗(yàn)中選用的離子交換膜3361C型聚乙烯異相磺酸型陽離子交換膜，電解電流量設(shè)定0.1A，陽極室選用0.5mol/L濃度的NaOH溶液作為陽極液，石墨作為陽極；陰極室裝入經(jīng)過除錳處理后的酸性含鎳廢水，不銹鋼板作為陰極。試驗(yàn)裝置如圖1所示。

如圖所示，電解過程中陽極室電解產(chǎn)生了Na+以及OH -，而OH -由于失去電子，放出了O2和H+。Na+和H+不斷通過陽離子交換膜到達(dá)陰極室；同時(shí)，根據(jù)電荷守恒原則，陰極室中的Ni2+得到電子生成Ni，附著在不銹鋼板上。反應(yīng)式分別為：

使用此裝置進(jìn)行含鎳廢水處理的優(yōu)點(diǎn)在于，陰、陽兩極產(chǎn)生的氣體只有H2和O2，試驗(yàn)不會(huì)造成任何污染。另外使用陽離子交換膜不易產(chǎn)生氧化，相較陰離子交換膜來說使用年限更長。

3 結(jié)果與討論

3.1 陰 / 陽膜對鎳去除效果的影響

筆者在上述試驗(yàn)中采用的是單陽膜電解法，如果換用單陰膜電解法的話，只需將離子交換膜更換為異相型3362A型陰離子交換膜即可，其它設(shè)計(jì)不變[2]。由于試驗(yàn)用含鎳廢水呈酸性，陰極液中的Cl-會(huì)選擇性透過交換膜，Ni2+及H+在陰極室中發(fā)生還原反應(yīng)生成Ni和H2，與單陽膜電解法中陰極室反應(yīng)相同；陽極液中H2O失電子生成O2和H+，H+會(huì)和NaOH中的OH -結(jié)合生成H2O，陽極液的堿性被逐漸中和。

在對比試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，由于陰離子交換膜抑制了H+從陽極到陰極的傳播，陰極中產(chǎn)生的H2較少，從而會(huì)提高鎳的回收率。因此，選用陰膜對鎳去除效果較好。不過在陽極液酸堿度逐漸被中和后，可能會(huì)使得溶液中的Cl-失電子產(chǎn)生有毒氣體Cl2。因此選擇電解方式時(shí)要依照需求考慮。

3.2 電解時(shí)間對鎳去除效果的影響

為判斷電解時(shí)間對鎳去除效果的影響，設(shè)定溫度為40℃，電解電流為350mA，其它試驗(yàn)環(huán)境不變的前提下，每隔4小時(shí)觀察一次鎳的回收率，得到如圖2所示結(jié)果。

試驗(yàn)表明，隨著電解時(shí)間的增加，鎳的回收率也在隨之增加[3]。但在電解一段時(shí)間后，曲線逐漸趨于平緩，這表明在回收率達(dá)到一定范圍時(shí)，趨于飽和，電解效率在降低。

3.3 電流密度對鎳去除效果的影響

設(shè)定電解時(shí)間為5小時(shí)，溫度設(shè)定為40℃，此條件下討論電流密度對鎳去除效果的影響，結(jié)果如圖3所示。

筆者分別在100～400A/m2中，以50A/m2作為最小間隔，分別對不同電流密度下5小時(shí)后的鎳回收率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。從圖中可以看出，隨著電流密度的增大，鎳元素的回收率處于先增加后減少的趨勢[3]。在電流密度處于100～300A/m2時(shí)，電流密度增加對鎳回收是有利的，電流密度增加有利于離子運(yùn)動(dòng)，加速鎳的生成。而當(dāng)電流密度增加至300A/m2以后時(shí)，陰極金屬板上附著的鎳會(huì)出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，另外會(huì)對含鎳廢水中的H2O進(jìn)行分解，使得溶液中產(chǎn)生少量的OH -，與還未結(jié)合電子生成鎳金屬的Ni2+發(fā)生反應(yīng)，生成Ni（OH）2沉淀，影響了鎳金屬的生成，回收率隨之降低。

3.4 溫度對鎳離子去除效果的影響

在電解試驗(yàn)中，電解溫度會(huì)影響電化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)還會(huì)影響對沉積物的物理性質(zhì)。試驗(yàn)設(shè)定電流密度為350mA，其它條件不變的前提下，研究溫度在20～80℃時(shí)，鎳離子的回收率。研究結(jié)果表明：隨著電解溫度的升高，鎳的回收率及回收效率均呈現(xiàn)出一定程度的增加，不過回收率增加的幅度在隨著溫度的增高先提升后下降。

由于溫度的適當(dāng)提升會(huì)導(dǎo)致離子運(yùn)動(dòng)速度加快，且電解液的黏度降低，溶液導(dǎo)電性得到了提升，電流效率提高，鎳的再生反應(yīng)加快，最終提升了鎳的回收率。不過過高的電解溫度對交換膜有一定程度的損傷，并且在實(shí)際操作時(shí)，處理成本也會(huì)增加。因此不建議使用過高的溫度提高鎳的回收率[4]。

4 結(jié)論

試驗(yàn)表明，采用單陽膜電解法處理含鎳廢水，達(dá)到鎳沉積，最終實(shí)現(xiàn)對鎳的再回收是可行的。筆者還使用了控制變量法對電解過程中不同影響因素進(jìn)行單一分析，從而得到了以下結(jié)論：

（1）使用單陰膜電解法可實(shí)現(xiàn)更高的鎳回收率，但隨著電解時(shí)間的增加，陽極池可能會(huì)有Cl2產(chǎn)生，對環(huán)境會(huì)造成一定程度的污染。而本文中采用來單陽膜電解法，有效控制了Cl2產(chǎn)生的問題。

（2）在對不同電解時(shí)間下鎳的回收率進(jìn)行觀測后，發(fā)現(xiàn)約在17小時(shí)左右，電解效率會(huì)降低，因此15～20小時(shí)是適宜的時(shí)間范圍。

（3）通過對不同電流密度的觀察，推翻了鎳回收率一定隨著電流密度的增加而增加的說法，并認(rèn)為350mA是最為適宜的電流密度。

（4）溫度過高在實(shí)際操作過程中會(huì)增加操作的處理成本。因此應(yīng)盡量選用35～45℃進(jìn)行電解處理。

（5）當(dāng)廢水中Ni2+濃度過低時(shí)，不宜再繼續(xù)電解。此時(shí)應(yīng)將剩余的電解液與原溶液進(jìn)行混合，進(jìn)行離子富集后再次進(jìn)行電解。

參考文獻(xiàn)

[1]唐玉霖，王三反.膜電解法在處理酸性含鎳廢水中的研究[J].工業(yè)用水與廢水，2004，（3）：38-41.

[2]張學(xué)敏，王三反.膜電解法回收電解廢渣中金屬鎳的實(shí)驗(yàn)研究[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，（1）：132-135.

[3]周鍵，王三反，張學(xué)敏.離子交換膜電解回收含鎳廢水中鎳的研究[J].工業(yè)水處理，2015，（1）：22-25.

[4]蔡偉梅. 淺談電鍍企業(yè)鎳在線回收系統(tǒng)[J]. 廣東化工，2014， （11）：192-193.

作者簡介：查紅平（1983-），男，工程師，碩士，研究方向?yàn)榄h(huán)境工程治理。