高效回收鎳鹽化工污泥制取硫酸鎳技術(shù)工藝分析

張志君

（格爾木市質(zhì)量技術(shù)檢驗(yàn)檢測中心，青海 格爾木 816099）

金屬冶煉，化工生產(chǎn)，皮革處理和電沉積表面處理等行業(yè)生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的含鎳污泥[1]，并且往往都伴隨著其他如Cu、Ni、Cr等重金屬元素污泥[2]，這些重金屬污泥屬于我國《國家危險(xiǎn)廢物名錄》規(guī)定的47類危險(xiǎn)廢物，對土壤和地下水有很大的危害，并且不易消除，易造成植物的萎靡壞死，同時(shí)也會(huì)危害人體健康[3]，據(jù)文獻(xiàn)，鎳金屬中毒會(huì)造成罹患肺癌的概率增大。因此，對含鎳污泥進(jìn)行回收處理是很有必要的，這不僅是對環(huán)境方面的友善保護(hù)，同時(shí)也具有很大的經(jīng)濟(jì)效益[4]?，F(xiàn)有的研究中，化工污泥提取金屬鹽有很多方法，比如萃取法[5]、氨浸-加壓氫還原法[6]、酸浸電解法[7]、離子交換法[8]等等。本文主要使用化學(xué)沉淀法[9,10]回收NiSO4?；瘜W(xué)沉淀法的具體操作簡單易學(xué)，成本低廉，適合批量化處理同種類的大量化工污泥。

1 試驗(yàn)材料及儀器

本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)材料為某硫酸鎳化工廠生產(chǎn)廢物，黃綠色塊狀，經(jīng)測定，該材料的含水率為76.2%，對化工污泥進(jìn)行烘干處理后，將其磨成粉末狀，以加速實(shí)驗(yàn)過程中溶解的效率，并要求可通過400目篩，以得到相似的狀態(tài)。

Sartorius BS22S型電子天平；禾創(chuàng)KH-250DB型超聲儀；貝蒂SHB-3型真空泵；熱電M-6型火焰原子分光光度計(jì)。

2 浸出試驗(yàn)

浸出實(shí)驗(yàn)是為了確定出能夠完全浸出污泥中鎳元素的H2SO4用量，為了節(jié)省原料的損耗，設(shè)計(jì)了兩個(gè)步驟來確定最佳的參數(shù)。

2.1 不同H2SO4濃度下的浸出實(shí)驗(yàn)

采用電子天平稱量2g制備完全的粉末，加入少量水溶液，攪拌溶解后移至100mL的容量瓶中，洗滌2～3次后往容量瓶中加入20mL濃度分別為0.5，1，2，3和4mol·L-1的H2SO4溶液，充分混合搖勻后定容，靜置后將溶液稀釋1×104倍，使用火焰原子分光光度計(jì)對溶液中鎳的含量進(jìn)行測定。測定結(jié)果見圖1。

圖1 不同H2SO4濃度下的鎳的浸出率Fig.1 Leaching rate of nickel at different concentrations of sulfuric acid

由圖1可知，當(dāng)H2SO4的濃度達(dá)到2mol·L-1時(shí)，污泥材料中鎳的浸出率已經(jīng)接近100%，且當(dāng)H2SO4的濃度再高時(shí)，鎳的浸出率維持在一個(gè)相似的值。由此可見，該化工污泥H2SO4濃度為2mol·L-1時(shí)，鎳的浸出率最佳。

2.2 不同含量H2SO4的浸出試驗(yàn)

在確定最佳的H2SO4浸出濃度后，采用電子天平稱量2g粉末，同樣移至100mL的容量瓶中，往容量瓶中分別加入10，12，14，16和18mL濃度為2mol·L-1的H2SO4溶液，充分混合搖勻后定容，靜置等待后將溶液稀釋1×104倍，使用火焰原子分光光度計(jì)對溶液中鎳的含量進(jìn)行測定。

圖2為濃度2mol·L-1H2SO4不同的用量下鎳的浸出率。

圖2 不同H2SO4用量下鎳的浸出率Fig.2 Leaching rate of nickel at different amounts of sulfuric acid

由圖2可知，當(dāng)H2SO4的用量達(dá)到16mL時(shí)，污泥材料中鎳的浸出率已經(jīng)接近100%，且隨著H2SO4用量的再增加，鎳的浸出率并沒有明顯變化。由此可見，此種污泥在H2SO4濃度為2mol·L-1用量為16mL時(shí)，鎳的浸出率最佳。

3 分離提純試驗(yàn)

3.1 沉鐵試驗(yàn)

選擇4組100mL的浸出液，充分?jǐn)嚢韬髮⒔鲆旱膒H值分別調(diào)節(jié)至3、4、5、6。待調(diào)節(jié)pH值后靜置30min，等待溫度平衡后進(jìn)行抽濾處理，在250mL容量瓶中定容，將過濾得到的濾渣烘干。定容得到的濾液將其稀釋2×104倍，浸出液稀釋5×104倍后，對兩種液體中含有的Ni2+和Fe3+的濃度進(jìn)行測定，并且分析濾渣固體的成分含量。在得到結(jié)果后，對溶液中的Ni2+和Fe3+的沉淀率進(jìn)行計(jì)算。沉淀率的統(tǒng)計(jì)見圖3。

圖3 不同pH值下的Fe3+和Ni2+的沉淀率Fig.3 Precipitation rates of Fe3+and Ni2+at different pH value

由圖3可知，隨著pH值的增大，鐵和鎳的沉淀率都在上升，不同的是，F(xiàn)e3+的沉淀率在pH值為3時(shí)就達(dá)到了95%以上，在pH值達(dá)到4時(shí)達(dá)到了98%，pH值為5時(shí)Fe3+的沉淀率已經(jīng)接近100%，且pH值繼續(xù)增大時(shí)僅有微小的增長。然而，Ni2+的沉淀率雖然也隨著pH值的增加而增加，但pH值達(dá)到5時(shí)，Ni2+的沉淀率僅有6%，隨著pH值的再升高，沉淀率有了較快的增長。綜合這兩方面因素考慮，選擇pH值為5時(shí)對Fe3+的沉淀率較好，并且Ni2+損失量較小。

3.2 沉鎳試驗(yàn)

由沉鐵實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可知，當(dāng)pH值為5時(shí)浸出液中Fe3+比較好的沉淀下去。按照3號浸出液的配比配出4組調(diào)好pH值的浸出液100mL，將pH值分別再次調(diào)節(jié)為7、8、9、10。靜置30min等待溫度平衡后，進(jìn)行抽濾處理，在250mL容量瓶中定容后，將過濾得到的濾渣烘干。定容得到的濾液將其稀釋2×104倍，浸出液稀釋5×104倍后，對兩種液體中含有的Ni2+和Fe3+的濃度進(jìn)行測定，對Ca2+、Mg2+和Ni2+的濃度進(jìn)行測定。最后計(jì)算溶液中Ni2+、Mg2+、Ca2+的沉淀率。Ni2+的沉淀率見圖4。

圖4 不同pH值下的Ni2+的沉淀率Fig.4 Precipitation rate of Ni2+at different pH value

由圖4可知，Ni2+的沉淀率依然隨著pH值的增大而增大，并且在pH值達(dá)到9時(shí)，沉淀率就已然接近100%，因此，沉鎳的最佳pH值為9。

4 NiSO4的制備

4.1 水洗工藝

用電子天平稱取沉鎳實(shí)驗(yàn)后得到的Ni（OH）2沉淀10g，加入200mL水溶液充分?jǐn)嚢枋蛊浔M可能溶解，攪拌過濾后，將過濾留下的固體再次加入200mL水溶液充分?jǐn)嚢?，重?fù)此操作4次，并將這些溶液按順序擺放，將這5組溶液分別進(jìn)行離子濃度測試，并且統(tǒng)計(jì)溶液中Mg2+、Ca2+、Na+、Ni2+等的離子濃度，為了得到水洗前后的Ni（OH）2沉淀的具體成分和含量，使用XRF分析測試技術(shù)對水洗前后的沉淀測定分析。測定出的結(jié)果見表1。

表1 水洗前后Ni（OH）2XRF元素分析Tab.1 Elemental analysis of nickel hydroxide XRF before and after water washing

由表1可以看出，經(jīng)過水洗后，Na+，Mg2+和Mn2+的含量有很大的降低，但同時(shí)，F(xiàn)e3+，，Ca2+等雜質(zhì)含量也有所上升，這說明水洗工藝并不能很好地提純鎳元素，且值得注意的是的含量雖然在下降，但只從原始的17.65%下降到10.15%，去除比例并不大，水洗工藝對的去除效果也不甚理想。

4.2 溶解實(shí)驗(yàn)

根據(jù)水洗工藝和XRF實(shí)驗(yàn)得到的水洗前后的各部分元素含量，利用各氧化物和H2SO4的反應(yīng)方程式計(jì)算，得到理論上完全反應(yīng)1g水洗后的Ni（OH）2沉淀塊所需要的H2SO4含量是7mL·mol-1。即7mL的1mol·L-1H2SO4溶液。取5組1g經(jīng)過水洗后的Ni（OH）2塊置于試管，分別加入7.7，8.4，9.1，9.8，10.5mL的1mol·L-1的H2SO4，超聲震蕩30min后，查看沉淀物的溶解情況。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加入9.8mL和10.5mL H2SO4時(shí)，沉淀物完全溶解，換而言之，加入1.4倍量的理論H2SO4量就可以完全溶解Ni（OH）2沉淀。

4.3 蒸發(fā)結(jié)晶處理

使用電子天平稱量20g水洗工藝得到的Ni（OH）2放入燒杯中，根據(jù)溶解步驟得到的結(jié)論，加入1.4倍理論添加量的H2SO4，即19.6mL濃度為1mol·L-1的H2SO4溶液，攪拌溶解后超聲震蕩30min后加熱到90℃，當(dāng)加熱到燒杯中液體只剩余很少部分時(shí)停止加熱，并冷卻2h，將得到的晶體取出并用少量水沖洗烘干，采用XRF方法對晶體成分進(jìn)行測定。測定結(jié)果見表2。

表2 結(jié)晶體成分測定結(jié)果Tab.2 Determination results of crystalline composition

由表2可以看出，Ni2+和是主要成分，其他元素的含量占比不超過0.3%。通過計(jì)算可知，結(jié)晶的主要成分是NiSO4，且純度較高，鎳的含量達(dá)到20.3%，達(dá)到了國家工業(yè)硫酸鎳Ⅰ類合格品的標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

本文從化工生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的鎳基化工污泥中回收再利用提純鎳鹽為目的，前后采用浸出、水洗、溶解、蒸發(fā)再結(jié)晶工藝對污泥進(jìn)行處理，得到含量較高且純度合格的NiSO4產(chǎn)品，結(jié)論如下：

（1）在2mol·L-1H2SO4的用量為16mL時(shí)，污泥材料中鎳的浸出率已經(jīng)接近100%，即浸出實(shí)驗(yàn)的最佳參數(shù)為2mol·L-1H2SO4用量為16mL。

（2）沉鐵實(shí)驗(yàn)中，調(diào)節(jié)pH值為5時(shí)即可將絕大部分Fe3+從溶液里去除，同時(shí)不消耗太多的Ni2+。沉鐵過程后進(jìn)行的沉鎳實(shí)驗(yàn)中，將pH值維持在9左右即可保證鎳元素有較高沉淀率和純度。

（4）經(jīng)過水洗、酸洗、蒸發(fā)結(jié)晶后得到晶體主要成分為NiSO4，且純度較高。

（5）化工污泥經(jīng)本文的回收工藝，其回收率可達(dá)到92%以上，得到的NiSO4產(chǎn)品達(dá)到了國家工業(yè)硫酸鎳Ⅰ類合格品的標(biāo)準(zhǔn)。