芬頓氧化法預(yù)處理化學(xué)鍍鎳廢水影響因素研究

章龔鴻 ，殷若愚

(1.江西明森環(huán)?？萍加邢薰?，江西 南昌 330038；2.江西理工大學(xué)江西省礦冶環(huán)境污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西 贛州 341000)

基于鎳的金屬性特別弱這一特性，近年來(lái)，鍍鎳成為電鍍工業(yè)中占比較大的鍍種。由于化學(xué)鍍生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、節(jié)約能源而被大范圍使用在電子、化工等工業(yè)領(lǐng)域當(dāng)中[1]?；瘜W(xué)鍍鎳廢水包括化學(xué)鍍鎳廢液以及在對(duì)鍍件清洗時(shí)所產(chǎn)生的清洗水?；瘜W(xué)鍍鎳廢水的污染物主要為Ni和P，同時(shí)還伴隨有大量的難降解有機(jī)物和無(wú)機(jī)物[2]，從而導(dǎo)致COD含量也非常高。處理含鎳廢水的方法有化學(xué)沉淀法，氧化還原法，分離、吸附法及電化學(xué)法等。黃新[3]等采用濃度為100 g/L的Na2CO3，pH值≥9.3時(shí)，沉淀效果最佳。有學(xué)者用2-乙基磷酸和2,4,4-三甲基戊基膦酸及煤油作為萃取劑處理預(yù)沉淀的化學(xué)鍍鎳廢水，取得較好效果[4-6]。Rahman[7]發(fā)現(xiàn)胺基膦酸陽(yáng)離子交換樹脂對(duì)化學(xué)鍍鎳廢水中鎳離子的吸附效果好。閆雷等人[8]使用電解法處理化學(xué)鍍鎳廢水，鎳的去除率高達(dá)97.1%以上。

論文以江西某電鍍園區(qū)化學(xué)鍍鎳廢水為研究對(duì)象，在分析化學(xué)鍍鎳廢水水質(zhì)基礎(chǔ)上，以重金屬鎳和COD為考察目標(biāo)，采用芬頓氧化法處理化學(xué)鍍鎳廢水，圍繞芬頓氧化法通過(guò)破絡(luò)以預(yù)處理重金屬鎳及COD的影響因素進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)水質(zhì)與試驗(yàn)方法

1.1 化學(xué)鍍鎳廢水水質(zhì)

本實(shí)驗(yàn)用化學(xué)鍍鎳廢水來(lái)源于江西某電鍍園區(qū)，即將化學(xué)鍍鎳廢液按一定比例加入到前處理樣液中，混合均勻，得到化學(xué)鍍鎳廢水，該廢水水質(zhì)情況如表1所示。

表1 化學(xué)鍍鎳廢水水質(zhì)情況

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

分別取3種不同濃度的化學(xué)鍍鎳廢水200 mL于3個(gè)燒杯中，分別加入適量的芬頓試劑，置于磁力攪拌器中反應(yīng)一定時(shí)間。為了檢測(cè)氧化效果，在磁力攪拌器中反應(yīng)一定時(shí)間后，經(jīng)NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值為9，加PAM混凝沉淀后過(guò)濾，取上清液測(cè)定其中鎳離子和COD含量。

采用原子吸收分光光度法測(cè)定廢水中鎳離子濃度。COD采用快速消解分光光度法(HJ/T399-2007)進(jìn)行測(cè)定。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 初始pH值的影響

為了研究溶液初始pH值對(duì)芬頓氧化化學(xué)鍍鎳廢水的影響，保持H2O2投加量為0.12 mol/L，H2O2與Fe2+物質(zhì)的量比為2∶1，反應(yīng)時(shí)間1 h，考察四個(gè)不同初始pH值的影響，結(jié)果如圖1所示。

圖1 溶液初始pH值的影響

圖2 H2O2投加量的影響

由圖1中可知，隨著化學(xué)鍍鎳廢水初始pH值由3增加到9，鎳離子的去除率由99.05%持續(xù)降低至44.03%，此時(shí)殘余鎳離子濃度為1.72 mg/L；而COD的去除率總體差異不大，其去除率最大出現(xiàn)在pH值=5時(shí)78.92%，而最低出現(xiàn)在pH值=9時(shí)70.51%。這可以從芬頓氧化的反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行解釋。酸性條件下，利用Fe2+作為H2O2的催化劑，生成具有很強(qiáng)氧化電性且反應(yīng)活性很高的·OH，·OH在水溶液中與難降解有機(jī)物反應(yīng)，使有機(jī)物結(jié)構(gòu)破壞，最終氧化分解。同時(shí)Fe2+被氧化成Fe3+，產(chǎn)生混凝沉淀，可去除有機(jī)物。后續(xù)實(shí)驗(yàn)將不調(diào)節(jié)廢水pH值。

2.2 H2O2投加量的影響

為了研究H2O2投加量對(duì)芬頓氧化法處理化學(xué)鍍鎳廢水的影響，不調(diào)節(jié)廢水pH值，并保持H2O2與Fe2+物質(zhì)的量比為2∶1，反應(yīng)時(shí)間為1 h，考察四個(gè)不同H2O2投加量的影響，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，H2O2投加量對(duì)鎳離子和COD去除率的影響趨勢(shì)一致，均隨著H2O2投加量的增加先升高再降低。當(dāng)H2O2投加量為0.06 mol/L時(shí)，產(chǎn)生的·OH數(shù)量較少，不足以將廢水中以絡(luò)合物形式出現(xiàn)的鎳以及COD完全氧化。當(dāng)H2O2投加量增加到0.18 mol/L時(shí)，鎳離子去除率達(dá)99.20%，COD去除率達(dá)83.51%，此時(shí)殘余鎳離子濃度為1.45 mg/L，殘余COD濃度為122.81 mg/L。當(dāng)H2O2投加量繼續(xù)增加到0.24 mol/L時(shí)，鎳離子去除率降低至78.76%，COD去除率降至64.32%，這是由于H2O2過(guò)量，溶液中殘留的H2O2會(huì)與生成的·OH反應(yīng)，使得鎳離子和COD去除率均下降。

2.3 H2O2與Fe2+摩爾比的影響

為了研究H2O2與Fe2+摩爾比對(duì)芬頓氧化法處理化學(xué)鍍鎳廢水的影響，不調(diào)節(jié)廢水pH值，并保持H2O2的投加量為0.18 mol/L，反應(yīng)時(shí)間1 h，考察四個(gè)不同H2O2與Fe2+物質(zhì)的量比，結(jié)果如圖3所示。

圖3 H2O2與Fe2+摩爾比的影響

圖4 反應(yīng)時(shí)間的影響

由圖3可知，H2O2與Fe2+物質(zhì)的量比對(duì)鎳離子和COD去除率的影響趨勢(shì)一致，即隨著H2O2與Fe2+物質(zhì)的量比的增加，鎳離子和COD去除率開始增加，然后再降低。在H2O2與Fe2+物質(zhì)的量比為1∶1和2∶1時(shí)，鎳離子和COD去除率有些許增加。在整個(gè)反應(yīng)過(guò)程，·OH的數(shù)量會(huì)隨著反應(yīng)進(jìn)行不斷產(chǎn)生。Fe2+濃度較低時(shí)，H2O2很難分解產(chǎn)生·OH，反應(yīng)速度變慢；而Fe2+過(guò)量時(shí)，·OH的產(chǎn)生很快，這樣部分·OH會(huì)和·OH發(fā)生反應(yīng)結(jié)合成H2O2，降低H2O2的利用率；同時(shí)過(guò)高的H2O2與Fe2+物質(zhì)的量比將使得其中的Fe2+以捕收劑的方式與·OH結(jié)合，從而降低H2O2的利用率。

2.4 反應(yīng)時(shí)間的影響

為了研究反應(yīng)時(shí)間對(duì)芬頓氧化法處理化學(xué)鍍鎳廢水的影響，不調(diào)節(jié)廢水pH值，并保持H2O2的投加量為0.18 mol/L，H2O2與Fe2+物質(zhì)的量比定為2∶1，反應(yīng)時(shí)間1 h，考察四個(gè)反應(yīng)時(shí)間的影響，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出，反應(yīng)時(shí)間對(duì)鎳離子和COD去除率的影響趨勢(shì)一致，鎳離子和COD的去除率隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)先升后降。反應(yīng)時(shí)間到達(dá)1 h時(shí)，鎳離子和COD去除率均達(dá)到最大值，繼續(xù)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，鎳離子和COD去除率均出現(xiàn)下降，那是由于反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，H2O2的揮發(fā)導(dǎo)致·OH的減少，從而影響氧化效率。后續(xù)實(shí)驗(yàn)中芬頓氧化的反應(yīng)時(shí)間定為1 h。

3 結(jié)論

采用芬頓氧化法處理化學(xué)鍍鎳廢水，考察了溶液初始pH值、H2O2投加量、H2O2/FeSO4物質(zhì)的量比、反應(yīng)時(shí)間四個(gè)影響因素對(duì)鎳離子和COD處理效率的影響，得到以下結(jié)論：

(1)溶液初始pH值影響因素中，化學(xué)鍍鎳廢水pH值為3時(shí)鎳離子和COD處理效率均均達(dá)到最高，而該廢水初始pH值為2.94，因此不需調(diào)節(jié)pH值。

(2)H2O2投加量影響因素中，當(dāng)H2O2的投加量為0.18 mol/L時(shí)，鎳離子去除率達(dá)99.20%，COD去除率達(dá)83.51%，此時(shí)殘余鎳離子濃度為1.45 mg/L，殘余COD濃度為122.81 mg/L。

(3)H2O2/FeSO4物質(zhì)的量比影響因素中，H2O2與Fe2+物質(zhì)的量比確定為2∶1，此時(shí)鎳離子和COD處理效率均達(dá)到最高。

(4)反應(yīng)時(shí)間影響因素中，反應(yīng)1 h時(shí)鎳離子和COD處理效率均達(dá)到最高。