化學(xué)工程與工藝專業(yè) 電解法處理含鎳廢水的研究

1、電解法處理含鎳廢水的研究摘要：含鎳廢水不僅造成鎳金屬的浪費(fèi)，并且?guī)憝h(huán)境污染。本文通過配制硫酸鎳溶液模擬含鎳廢水，采用電解法確定最佳陽極材料為釕涂層鈦板，并研究了電解時(shí)間、電流強(qiáng)度和Ni2+濃度等因素對Ni2+的回收率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在電解時(shí)間240 min，電流強(qiáng)度15 A，Ni2+濃度20 g/L，電解溫度50 oC，pH值6，攪拌速率300 r/min的條件下，Ni2+的回收率為85.42 %，電流效率為52.16 %。關(guān)鍵字：電解法；含鎳廢水；回收率；電流效率；Study on electrolytic treatment of nickel - containing waste

2、waterAbstract: Wastewater containing nickel not only causes waste of nickel metal, but also brings environmental pollution. In this paper, nickel sulfate solution was used to simulate nickel-containing wastewater. The best anode material was determined to be ruthenium-coated titanium plate by electr

3、olytic method. The effects of electrolysis time, current intensity and nickel ion concentration on Ni2+ recovery were studied. The experimental results show that the recovery rate of Ni2+ is 85.42 %，and efficiency is 52.16 % under the condition of 240 min electrolysis time, 15 A amperage, 20 g/L，Ni2

4、+ concentration, 50 C electrolysis temperature, 6 pH and stirring rate of 300 r/min.Key words: Electrolysis method; Nickel-containing wastewater; Recovery rate; Current efficiency;0引言鎳是一種似銀白色且延展性良好的金屬，由于其高度抗腐蝕性和抗腐蝕性1，被廣泛用于電鍍行業(yè)。含鎳電鍍廢水能夠?qū)θ梭w造成巨大的健康危害，電解法處理廢水具有效果好、效率高2等優(yōu)點(diǎn)，本文通過硫酸鎳溶液模擬電鍍廢水，以不銹鋼為陰極，釕涂層鈦板為陽

5、極，分析了電解時(shí)間、電流強(qiáng)度和Ni2+濃度等因素對Ni2+的回收率的影響，得到其最佳工藝條件。1實(shí)驗(yàn)材料及方法1.1實(shí)驗(yàn)儀器及試劑實(shí)驗(yàn)所用化學(xué)試劑包括：乙二胺四乙酸二鈉（AR），硫酸鎳（AR），醋酸鈉（AR），二甲酚橙（AR），氫氧化鈉（AR），鹽酸（AR），硫酸（AR），鋅粉（AR），冰醋酸（AR）等。實(shí)驗(yàn)所用儀器包括：PHS-3C型pH計(jì)、FA2204型電子天平、SHZ-A型水浴恒溫振蕩器、E3620A實(shí)驗(yàn)室用兩路輸出電源、自行設(shè)計(jì)的石英玻璃電解槽（20cm10cm12cm）等。實(shí)驗(yàn)所用陽極材料包括釕涂層鈦板、石墨和不銹鋼，陰極材料為不銹鋼，尺寸自行定制，極板布置為陰陽間隔，極距為20mm

6、。1.2實(shí)驗(yàn)原理含鎳廢水電解時(shí)，主要發(fā)生以下反應(yīng)3。陽極發(fā)生H2O的分解反應(yīng)：2 H2O = O2+ 4 H + 4e- （1）陰極發(fā)生Ni2+氧化反應(yīng)：Ni2+ + 2e- = Ni （2）2 H + 2e- = H2 （3）1.3實(shí)驗(yàn)方法通過配制硫酸鎳溶液模擬電鍍廢水，然后通過硫酸與氫氧化鈉調(diào)節(jié)電解質(zhì)溶液pH，石英玻璃電解槽置于水浴恒溫振蕩器，直流電源供電，攪拌混合電解液。實(shí)驗(yàn)主要分析不同陽極材料、電解時(shí)間和電流強(qiáng)度等因素對廢水中Ni2+回收率的影響，并探討最佳工藝參數(shù)。Ni2+濃度通過EDTA配位滴定法測定，并根據(jù)式（1）計(jì)算其回收率：回收率= （1）式中：C0表示電解前的Ni2+濃度（

7、g/L）；Ct表示電解t時(shí)刻N(yùn)i2+濃度（g/L）。電流效率4同樣作為評價(jià)指標(biāo)，其計(jì)算公式為：電流效率= （2）式中：M1表示實(shí)際上陰極析出Ni的質(zhì)量（g）；k表示電化當(dāng)量(1.095g/(Ah)；I表示電流強(qiáng)度（A）；t表示電解時(shí)間（min）。2結(jié)果與討論2.1 不同陽極材料的影響為了分析不同陽極材料的影響，釕涂層鈦板、石墨和不銹鋼為陽極，不銹鋼板為陰極，Ni2+濃度15 g/L，pH值5.0、溫度40 oC、電流強(qiáng)度15 A、電解時(shí)間210 min，Ni2+回收率曲線見圖1。圖1 不同陽極材料對鎳回收率的影響由圖1可知，三種陽極材料皆可以有效回收Ni2+，120 min內(nèi)Ni2+回收率大小

8、順序?yàn)椋翰讳P鋼板石墨釕涂層鈦板，表明釕涂層鈦板的電解性能最佳；120 min之后，Ni2+回收率大小順序?yàn)椋菏讳P鋼板釕涂層鈦板，石墨在電解的過程中出現(xiàn)溶解掉渣從而導(dǎo)致回收率增長下降，因此，最后選擇釕涂層鈦板作為陽極進(jìn)行研究。2.2 電解時(shí)間的影響為了分析電解時(shí)間的影響，釕涂層鈦板為陽極，不銹鋼板為陰極，Ni2+濃度15 g/L，pH值5.0、溫度40 oC、電流強(qiáng)度12 A、間隔60 min測定Ni2+濃度，Ni2+回收率曲線見圖2。圖2 電解時(shí)間對鎳回收率的影響由圖2可知，Ni2+回收率隨著電解時(shí)間的增加呈現(xiàn)先急速增加后上升緩慢的趨勢，240 min之后上升幅度明顯降低，基本可以忽略不計(jì)

9、，因此電解時(shí)間選擇240 min。2.3 電流強(qiáng)度的影響為了分析電流強(qiáng)度的影響，釕涂層鈦板為陽極，不銹鋼板為陰極，Ni2+濃度15 g/L，pH值5.0、溫度40 oC、電流強(qiáng)度分別為5 A、10 A、15 A、20 A和25 A，電解時(shí)間240 min，Ni2+回收率與電流效率曲線見圖3。圖3 電流強(qiáng)度對鎳回收率的影響由圖3可知，回收率隨著電流強(qiáng)度的增加呈現(xiàn)不斷上升的趨勢，而電解效率呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢，電流強(qiáng)度為15 A時(shí)，電解效率達(dá)到峰值40.27 %。這是因?yàn)樵龃箅娏髂軌蚣涌烊芤褐须x子定向運(yùn)動速率5，電流強(qiáng)度大于15 A后，陰極析出氫氣明顯增加，因此電流強(qiáng)度選擇15 A。2.4 Ni

10、2+濃度的影響為了分析Ni2+濃度的影響，釕涂層鈦板為陽極，不銹鋼板為陰極，Ni2+濃度分別為10 g/L、15 g/L、20 g/L、25 g/L和30 g/L，pH值5.0、溫度40oC、電流強(qiáng)度15 A，電解時(shí)間240 min，Ni2+回收率與電流效率曲線見圖4。圖4 Ni2+濃度對回收率和電流效率的影響由圖4可知，回收率和電流效率隨著電流強(qiáng)度的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，Ni2+濃度為20 g/L時(shí)，兩者皆達(dá)到最大，回收率為電流效率65.29 %，電流效率為40.03 %。Ni2+濃度較低時(shí)，濃差極化為回收率與電流效率較低的主要原因；隨著Ni2+濃度增加，濃差極化得到緩解，兩者出現(xiàn)上升

11、的趨勢；Ni2+濃度達(dá)到一定限度時(shí)，H+競爭增加導(dǎo)致兩者出現(xiàn)下降的趨勢6。因此，Ni2+濃度選擇20 g/L。2.5 溫度的影響為了分析溫度的影響，釕涂層鈦板為陽極，不銹鋼板為陰極，Ni2+濃度20 g/L，pH值5.0，溫度分別為20 oC、30 oC、40 oC、50 oC和60 oC，電流強(qiáng)度15 A，電解時(shí)間240 min，Ni2+回收率與電流效率曲線見圖5。圖5 溫度對回收率和電流效率的影響由圖5可知，回收率和電流效率隨著溫度的升高呈現(xiàn)不斷上升的趨勢，表明升高電解液溫度有利于Ni2+的析出。其原因可能是溫度提高有利于電解液中離子的擴(kuò)散，進(jìn)而降低濃差極化引起的析鎳過電位。綜合考慮，電解

12、溫度選擇50 oC。2.6 pH值的影響為了分析pH值的影響，釕涂層鈦板為陽極，不銹鋼板為陰極，Ni2+濃度20 g/L，pH值分別為3.0、4.0、5.0、6.0和7.0，溫度50 oC，電流強(qiáng)度15 A，電解時(shí)間240 min，Ni2+回收率與電流效率曲線見圖6。圖6 pH值對回收率和電流效率的影響由圖6可知，回收率和電流效率隨著pH值的升高呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。當(dāng)pH值為6，兩者達(dá)到最大，回收率為電流效率80.14 %，電流效率為49.21 %。pH值由3上升到6時(shí)，電解液中H+降低有利于Ni2+的析出，pH值為7時(shí)，電解液中出現(xiàn)少許Ni(OH)2沉淀，導(dǎo)致回收率和電流效率下降。因此，

13、最佳的電解pH值為6.0。2.7攪拌速率的影響為了分析攪拌速率的影響，釕涂層鈦板為陽極，不銹鋼板為陰極，Ni2+濃度20 g/L，pH值5.0，溫度50 oC，電流強(qiáng)度15 A，電解時(shí)間240 min，設(shè)置不同的攪拌速率，Ni2+回收率與電流效率曲線見圖7。圖7 攪拌速率對回收率和電流效率的影響由圖6可知，隨著攪拌速率的增大，回收率和電解效率具有一定幅度的提高，其原因在于攪拌不僅能夠加速離子運(yùn)動，及時(shí)補(bǔ)充陰極的Ni2+，有效地降低濃差極化7，而且能夠加速氫氣的逸出。因此，電解過程中攪拌速率選擇300 r/min。3結(jié)論利用硫酸鎳溶液模擬電鍍廢水，采用電解法電解能夠有效的回收廢水中Ni2+。對比

14、釕涂層鈦板、石墨和不銹鋼三種陽極材料，確定最佳的陽極材料為釕涂層鈦板。通過分析電解時(shí)間、電流強(qiáng)度和Ni2+濃度等因素對Ni2+的回收率的影響，得到最佳工藝條件：電解時(shí)間240 min，電流強(qiáng)度15 A，Ni2+濃度20 g/L，電解溫度50oC，pH值6，攪拌速率300 r/min，在此條件下，Ni2+的回收率為85.42 %，電流效率為52.16 %。參考文獻(xiàn)1 王明玉,王學(xué)文,蔣長俊等.鎳鉬礦綜合利用過程及研究現(xiàn)狀J.稀有金屬,2012,36(02):321-328.2 雷英春.電解法處理含鎳廢水及純鎳的回收J(rèn).城市環(huán)境與城市生態(tài),2009,22(03):13-16.3 劉暢.膜電解法處理含鎳廢水的研究J.環(huán)境科學(xué)與管理,2015,40(05):74-76.4 王寶