膜電解法在處理酸性含鎳廢水中的研究

1、膜電解法在處理酸性含鎳廢水中的研究 簡(jiǎn)介： 針對(duì)人造金剛石廠的含鎳廢水，在常規(guī)電解方法的基礎(chǔ)上，采用膜電解法對(duì)該含鎳廢水的處理和金屬鎳回收舉行了研究，通過對(duì)不同條件下的陰、陽膜及組合方式的效果和優(yōu)缺點(diǎn)舉行比較。結(jié)果表明單陰膜法在處理pH值為0.51.0，初始鎳的質(zhì)量濃度為10002000mgL的廢水應(yīng)用中有更好的處理效果。 當(dāng)電解的電流150mA，電壓5V時(shí)，電解時(shí)光控制在810h，10h后離子交換富集，循環(huán)使用，其平均電流效率為78.4%，金屬鎳的回收率達(dá)到79.3%且純度較高。 關(guān)鍵字：含鎳廢水 電解 膜電解法 鎳回收 人造金剛石的生產(chǎn)過程中對(duì)觸媒材料的去除、金剛石的分別、提純等工序都需要

2、酸浸及清洗，導(dǎo)致洗滌廢水中含有大量的鎳。Ni2 能與很多無機(jī)物，有機(jī)物絡(luò)合成溶于水的鹽，如正Ni(H20)62 ，正Ni(NH3)62 等。大量含鎳廢水的排放，造成鎳資源的嚴(yán)峻奢侈和環(huán)境污染。本文采用膜法電解在處理酸性含鎳廢水的同時(shí)對(duì)金屬鎳舉行回收利用，取得了較抱負(fù)的效果。 1 實(shí)驗(yàn)用水 實(shí)驗(yàn)水樣為某人造金剛石廠在金剛石的生產(chǎn)、分別、提純等工序中排出的酸性含鎳廢水，該廢水中pH值最高約為0.51.0，鎳離子的平均質(zhì)量濃度約為1400 mgL，Cl-的質(zhì)量濃度約在115135 mgL，SO42-的質(zhì)量濃度約在20002300mgL。廢水中因?yàn)殒囯x子本身帶有色彩而展現(xiàn)墨綠色。 2 實(shí)驗(yàn)原理和設(shè)計(jì)

3、本實(shí)驗(yàn)在對(duì)含鎳廢水采用常規(guī)電解法的基礎(chǔ)上，對(duì)膜電解法回收鎳舉行研究。膜電解法是對(duì)單純膜分別技術(shù)的完美，在直流電場(chǎng)力的作用下，以電位差為推進(jìn)力，利用離子交換膜的抉擇透過性，有抉擇地使部分溶質(zhì)通過離子交換膜；同時(shí)溶質(zhì)在電極上發(fā)生氧化或還原反應(yīng)。通過調(diào)節(jié)溶液的pH值和操作電流、電壓，達(dá)到人為控制電極反應(yīng)的類型和程度，使反應(yīng)向有利于鎳析出的方向舉行，從而取得常規(guī)電解無法達(dá)到的反應(yīng)效果。 因?yàn)殛柲ず完幠?duì)于溶液中的離子具有不同的抉擇性，因而本實(shí)驗(yàn)采用了三種不同的膜組合形式以決定最合理的膜法電解工藝。實(shí)驗(yàn)就單陰膜二級(jí)室、單陽膜二極室和陰陽雙膜三極室電解法對(duì)含鎳廢水舉行處理，并對(duì)影響因素及處理效果舉行比較研

4、究。 3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及爭(zhēng)論 3.1 常規(guī)電解法 在9cm×9cm×8cm的電解槽中，陽極采用石墨電極，陰極采用鎳電極，用含鎳廢水舉行常規(guī)電解實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)的裝置如圖1所示： 用鎳板作陰極，石墨作陽極的電解過程中，在酸性條件下因?yàn)殛帢O上氫離子將優(yōu)先得到電子而釋放，為了使Ni在陰極上優(yōu)先析出，務(wù)必抉擇合適的pH值，同時(shí)增大電解液中Ni2 的濃度以轉(zhuǎn)變H2和Ni的實(shí)際析出電位。由熱力學(xué)原理，=0-RTln(氧化還原)/nF，知(Ni2 )=1.4mg/L時(shí)，Ni的析出電位為： 。 而pH=1,氫離子在鎳電極上的實(shí)際析出電位： 。 式中的H2為氫在金屬上析出的超電位，由塔菲爾（Tafel

5、）閱歷式：a blnId，可以計(jì)算處氫在鎳電極上的超電位為0.24V，故pH=1，2，3，4時(shí)，氫離子在鎳電極上的實(shí)際析出電位為：-0.226 V，-0.291 V，-0.317 V，-0.343 V。 不難看出，當(dāng)pH4時(shí)，氫在鎳電極上釋放要比鎳在電極上析出簡(jiǎn)單得多，且氫的電極電位可隨pH值的上升而變小，因此，務(wù)必嚴(yán)格控制電解液的pH值。增大PH值可以抑制氫氣的析出，提高回收鎳的效率，但實(shí)際上溶液的pH值的提高是有限的，因?yàn)镹i(OH)2在室溫下的溶度積為2.5×10-15，當(dāng)OH-增大到一定的程度就會(huì)有鎳的氫氧化物沉淀生成而破壞電解的正常狀態(tài)，使得鍍層上的鎳含有大量的雜質(zhì)。一般鎳

6、溶液的pH值在4左右較適合金屬鎳的回收，但控制合適的酸度在常規(guī)電解中是不易做到的，緣由在于陽極反應(yīng)是以水電解生成氧氣和H 為主，導(dǎo)致電解液中H 不斷上升，陰極上的H2的釋放，降低了金屬鎳析出效率。對(duì)酸性電解液而言電解時(shí)在陽極產(chǎn)生大量的氯氣是，有害的，它污染環(huán)境且影響工作人員的身體健康。為抑制氫氣的產(chǎn)生，提高金屬鎳的回收量和純度，同時(shí)削減氯氣的危害，采用陰陽極室膜分隔就可以有意的控制電極反應(yīng)，為此舉行了膜電解法研究。 3.2 膜電解法 3.2.1 單陰膜二極室電解法 在室溫下采用異相型3362A型陰離子交換膜，電解電流150mA，電解電壓5V，陽極液統(tǒng)一為120mL，0.5molL的NaOH溶液

7、，陰極液統(tǒng)一為1 000mL的含鎳廢水，(Ni2 )=1 400mgL，將pH值調(diào)至4。原理如圖2。 陽極室的電極反應(yīng)：2H2O-4eO2 4H ，H OH-H2O陰極室的電極反應(yīng)：Ni2 2eNi(主反應(yīng))，2H 2e.H2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，該方法鎳的析出率較高，電流平均效率在70%以上。在電解的過程中，陽極反應(yīng)產(chǎn)生的H 被陽極液中的OH-中和，同時(shí)陰膜阻擋H 通過，這樣陰極室得不到H 的補(bǔ)充，H2的釋放受到抑制，從而提高了鎳的回收效率。雖然陰極室內(nèi)Cl-會(huì)通過陰膜進(jìn)入陽極室，但是因?yàn)镠 的濃度極低，陽極反應(yīng)競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果仍以H2O 電解為主反應(yīng)，故產(chǎn)生氧氣而抑制了氯氣的生成。 表1 鎳的析

8、出率、電流效率與電解時(shí)光的關(guān)系 電解時(shí)光h (Ni2 )/(mg·L-1) 鎳析出率% 電流效率% 0 1400 2 1180 15.7 99 4 830 40.7 86.7 6 560 60 85.2 8 380 72.8 83.7 10 200 85.7 73 12 100 92.8 66 14 50 96.4 58.7 16 10 99.3 50.1 3.2.2 單陽膜二極室電解法 在室溫下采用單陽離子交換膜為異相型3361C型陰離子交換膜，電解電流150mA，電壓5V，陰陽極液如前所述，陰陽極室的電極反應(yīng)同單陰膜二極室電解法，原理如圖3。 實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如表2所示，該方法鎳的析出

9、率不及單陰膜法高，同時(shí)電流的效率也較低。在電解時(shí)，陽極室內(nèi)電解H2O放出氧氣，生成H ，從而pH值不斷下降，陰極室內(nèi)的Cl-不能透過陽膜到陽極室，陽極室中Na ，H 不斷通過陽膜到陰極室，影響了鎳回收效率。該實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生氧氣而不是氯氣，且陽膜耐氧化，能延伸膜的使用壽命。 表2 鎳的析出率、電流效率與電解時(shí)光的關(guān)系 電解時(shí)光h (Ni2 )/(mg·L-1) 鎳析出率% 電流效率% 0 1400 4 880 37.1 79.1 6 620 55.7 79 8 430 69.3 73.8 10 300 78.6 67 12 230 83.6 59.4 3.2.3 雙膜三極室電解法 在室溫下

10、采用陽極室一側(cè)裝陽膜，陰極室一側(cè)裝陰膜，陰陽膜如前所述，電解電流150mA，電壓6 V，陰陽極液如前所述，中間極室裝1%的NaCl溶液120mL，原理如圖4。 陽極室內(nèi)Na 通過陽膜進(jìn)人中間室，H2O在陽極失去電子放出氧氣： 2H2O-4e 02 4H ，H OH-=H2O，陰極室內(nèi)的Cl-便會(huì)通過陰膜進(jìn)人中間極室，Ni2 ，H 在陰極上的電子被還原： Ni2 2e Ni，2H 2eH2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示，此方法要求電解電壓較高，鎳的析出率不及單膜的高，電流效率隨時(shí)光增強(qiáng)下降很快。因?yàn)殛枠O室內(nèi)NaOH溶液的濃度很高，溶液中稍有雜質(zhì)就會(huì)使得陽膜表面簡(jiǎn)單形成氫氧化物沉淀，導(dǎo)致陽膜的性能下降；膜電

11、阻上升，電解的效率下降。它的最大優(yōu)點(diǎn)是陽極產(chǎn)生大量的O2，而陰極產(chǎn)生的是H2，這兩種均為無害氣體對(duì)環(huán)境無污染。同時(shí)，中間室中產(chǎn)生大量高濃度的NaCl可以再利用。 3.3 最優(yōu)化實(shí)驗(yàn)分析 比較這三種膜電解方法，由圖5知，單陰膜電解法的電解效率較高，是一種更有效的膜電解法占另外由表1可知 單陰膜電解法在8lOh的這段時(shí)光內(nèi)，平均電流效率在78.4%，鎳的平均析出率為存79,6%，在相同的時(shí)光均高于其它兩種方法。 進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)發(fā)覺，陰極室中Ni2 的初始質(zhì)量濃度應(yīng)在10002000mgL以上為宜，低于1000mgL電解的電流效率較低，技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件較差；陰極液中Ni2 的含量低時(shí)，會(huì)降低鎳析出的電流效率，并消失粉末狀鎳，影響鎳回收的純度。針對(duì)單陰膜電解法10h以后，其Ni2 的濃度較低，先采用離子交換將Ni2 富集