Fenton法處理配位含鎳廢水的研究

張 彥，嚴晨之，沈 洋，王云麗，范凱霞，沈擁軍

（南通大學 化學化工學院，江蘇 南通226019）

0 前言

鍍鎳是應用最廣泛的鍍種之一[1-2]。在電鍍行業(yè)快速發(fā)展的同時，也造成了許多環(huán)境污染問題，重金屬污染就是其中一種。鎳作為重金屬的一種，會在環(huán)境及動植物體內(nèi)累積，并且不可降解，影響動植物的生長發(fā)育，尤其是會對人體健康造成危害[3]。在電鍍過程中，配位劑對鍍件的質(zhì)量起著重要作用，但也提高了廢水處理的難度。要實現(xiàn)電鍍行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，就必須找到更加高效的處理方法。本文采用Fenton法處理配位含鎳廢水，并研究了反應溫度、廢水初始pH值、H2O2的質(zhì)量濃度、FeSO4·7H2O與H2O2的質(zhì)量比、初始EDTA的質(zhì)量對廢水處理效果的影響。

1 實驗

1.1 實驗試劑

NiSO4·6 H2O、EDTA、30%的 H2O2、FeSO4·7 H2O、NaOH、H2SO4，以上試劑均為分析純。

1.2 實驗儀器

BSA124S型電子分析天平，AA320N型原子吸收分光光度計，SHA-C型水浴恒溫振蕩器，微孔濾膜（25.00 mm×0.22μm），PHS-25型酸度計。

1.3 實驗方法

量取100 mL EDTA-Ni2+廢水（Ni2+的質(zhì)量濃度為11.2 mg/L，EDTA的質(zhì)量濃度為150 mg/L），調(diào)節(jié)廢水初始pH值為3，然后加入1.8 mL H2O2溶液和0.036 g FeSO4·7H2O，即H2O2的質(zhì)量濃度為6 g/L，m（FeSO4·7H2O）∶m（H2O2）=0.06。控制反應溫度依次為20℃、30℃、35℃、45℃、60℃、70℃，在同一反應溫度下依次振蕩5 min、15 min、30 min、45 min、60 min和90 min后取樣。向取出的溶液中加入NaOH溶液，調(diào)節(jié)pH值為堿性，靜置沉淀30 min。取上清液用微孔濾膜過濾，最后用火焰原子吸收分光光度法檢測濾液中Ni2+的質(zhì)量濃度并計算其去除率。采用控制變量法分別調(diào)節(jié)廢水的初始pH值、H2O2的質(zhì)量濃度、Fe2+和H2O2的質(zhì)量比、初始EDTA的質(zhì)量，反應45 min后取樣，檢測濾液中Ni2+的質(zhì)量濃度并計算其去除率。

2 結果與討論

2.1 反應溫度對EDTA-Ni2+廢水處理效果的影響

在初始pH 值為3、H2O26 g/L、m（FeSO4·7H2O）∶m（H2O2）=0.06的條件下，考察不同反應溫度下Ni2+的去除率隨反應時間的變化情況，結果如圖1所示。由圖1可知：在反應時間相同的條件下，反應溫度越高，廢水的處理效果越好。反應溫度過低，反應速率慢，所需反應時間長。因此，處理廢水時需要選擇合適的反應溫度。對于一般的化學反應，隨著反應溫度的升高，反應平均動能增大，反應速率加快；對于一個復雜的反應體系，反應溫度升高不僅加速主反應的進行，還加速副反應和相關逆反應的進行。最終確定最佳的反應溫度為45℃。

圖1 不同反應溫度下Ni2+的去除率隨反應時間的變化情況

2.2 初始pH值對EDTA-Ni2+廢水處理效果的影響

在反應溫度為45℃、H2O26 g/L、m（FeSO4·7H2O）∶m（H2O2）=0.06的條件下反應45 min，研究初始pH值對EDTA-Ni2+廢水處理效果的影響，結果如圖2所示。由圖2可知：當初始pH值為3時，廢水的去除效果最好，Ni2+的去除率最高（為88.66%）。當初始pH值為2時，Ni2+的去除率僅為66.64%?？梢?，過酸不利于Fenton反應的進行。當初始pH值大于4時，廢水的處理效果逐漸下降，但趨勢平穩(wěn)。當溶液處于中性時，Ni2+的去除率為79.53%。而當溶液處于堿性時，Ni2+的去除率仍大于76.93%。這可以用Fenton試劑的經(jīng)典理論來解釋。Fenton試劑是由H2O2和Fe2+組成的具有強氧化性的體系。Fe2+的催化能力與其在水中的存在狀態(tài)有關。由于反應過程中存在著Fe2+和Fe3+的轉(zhuǎn)化問題，過高的酸度不利于Fe3+向Fe2+轉(zhuǎn)化，使得催化效果受到影響，反應不能正常進行。當pH值為中性或堿性時，F(xiàn)e2+的形態(tài)則會發(fā)生變化，這種變化會導致催化效果變差，甚至使其失去催化能力。因此，處理EDTA-Ni2+廢水時將初始pH值調(diào)至3。

圖2 初始pH值對廢水處理效果的影響

2.3 H2O2的質(zhì)量濃度對EDTA-Ni2+廢水處理效果的影響

在初始pH值為3、反應溫度為45℃、m（FeSO4·7H2O）∶m（H2O2）=0.06、反應時間為45 min的條件下，研究H2O2的質(zhì)量濃度對EDTANi2+廢水處理效果的影響，結果如圖3所示。由圖3可知：當H2O2的質(zhì)量濃度為4～10 g/L時，隨著H2O2的質(zhì)量濃度的增加，Ni2+的去除率呈上升趨勢。而當H2O2的質(zhì)量濃度超過10 g/L時，Ni2+的去除率有所下降。這是因為H2O2的質(zhì)量濃度越高，反應生成的羥基自由基就越多，廢水處理效果也就越好。但隨著H2O2的質(zhì)量濃度的增加，過量的H2O2會與體系中的羥基自由基反應，導致羥基自由基的濃度減小，并且過量的H2O2會將Fe2+氧化成Fe3+，使得Fe2+的有效利用率降低，不利于反應的進行。最終確定H2O2的最佳質(zhì)量濃度為10 g/L。

圖3 H2O2的質(zhì)量濃度對廢水處理效果的影響

2.4 FeSO4·7H2O與H2O2的質(zhì)量比對EDTANi2+廢水處理效果的影響

在初始pH值為3、反應溫度為45℃、H2O210 g/L、反應時間45 min的條件下，研究FeSO4·7H2O與H2O2的質(zhì)量比對EDTA-Ni2+廢水處理效果的影響，結果如圖4所示。由圖4可知：隨著FeSO4·7H2O與H2O2的質(zhì)量比的增大，Ni2+的去除率不斷增大；當FeSO4·7 H2O與H2O2的質(zhì)量比大于0.06時，Ni2+的去除率逐漸趨于平緩。當Fe2+的投加量較小時，生成的羥基自由基濃度較低，不利于反應的進行，廢水處理效果較差。增加Fe2+的投加量時，羥基自由基隨Fe2+的增多而增多，生成充足的羥基自由基，促進了Fenton反應的進行，使得廢水處理效果變好。當FeSO4·7H2O與H2O2的質(zhì)量比為0.06時，Ni2+的去除率達到94.14%，原廢水的破絡基本完成。

圖4 Fe2+與H2O2的質(zhì)量比對廢水處理效果的影響

2.5 初始EDTA的質(zhì)量對EDTA-Ni2+廢水處理效果的影響

在初始pH值為3、反應溫度為45℃、反應時間為45 min、H2O210 g/L、m（FeSO4·7H2O）∶m（H2O2）=0.06的條件下，保持初始Ni2+的質(zhì)量濃度為11.2 mg/L，研究初始EDTA的質(zhì)量對EDTA-Ni2+廢水處理效果的影響，結果如圖5所示。由圖5可知：隨著初始EDTA質(zhì)量的增加，在同樣的反應條件下，Ni2+的去除率越來越低，廢水處理效果越來越差。

圖5 初始EDTA的質(zhì)量對廢水處理效果的影響

3 結論

（1）在采用Fenton法處理EDTA-Ni2+廢水的過程中，反應溫度升高能縮短反應到達平衡的時間。最合適的反應溫度為45℃。

（2）在采用Fenton法處理EDTA-Ni2+廢水的過程中，當初始pH值為3時，廢水處理效果最好。

（3）Fenton反應的機制非常復雜，存在多個反應。Fenton試劑會對反應起到一定的促進或阻礙作用。在 H2O2的質(zhì)量濃度為10 g/L、FeSO4·7 H2O與H2O2的質(zhì)量比為0.06時，Ni2+的去除率達到94.14%。