电解法处理含镍废水的研究

电解法处理含镍废水的研究摘要：含镍废水不仅造成镍金属的浪费，并且带来环境污染。本文通过配制硫酸镍溶液模拟含镍废水，采用电解法确定最佳阳极材料为钌涂层钛板，并研究了电解时间、电流强度和Ni2+浓度等因素对Ni2+的回收率的影响。实验结果表明：在电解时间240 min，电流强度15 A，Ni2+浓度20 g/L，电解温度50 oC，pH值6，搅拌速率300 r/min的条件下，Ni2+的回收率为85.42 %，电流效率为52.16 %。关键字：电解法；含镍废水；回收率；电流效率；Study on electrolytic treatment of nickel - containing wastewaterAbstract: 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 electrolytic 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+ 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引言镍是一种似银白色且延展性良好的金属，由于其高度抗腐蚀性和抗腐蚀性1，被广泛用于电镀行业。含镍电镀废水能够对人体造成巨大的健康危害，电解法处理废水具有效果好、效率高2等优点，本文通过硫酸镍溶液模拟电镀废水，以不锈钢为阴极，钌涂层钛板为阳极，分析了电解时间、电流强度和Ni2+浓度等因素对Ni2+的回收率的影响，得到其最佳工艺条件。1实验材料及方法1.1实验仪器及试剂实验所用化学试剂包括：乙二胺四乙酸二钠（AR），硫酸镍（AR），醋酸钠（AR），二甲酚橙（AR），氢氧化钠（AR），盐酸（AR），硫酸（AR），锌粉（AR），冰醋酸（AR）等。实验所用仪器包括：PHS-3C型pH计、FA2204型电子天平、SHZ-A型水浴恒温振荡器、E3620A实验室用两路输出电源、自行设计的石英玻璃电解槽（20cm10cm12cm）等。实验所用阳极材料包括钌涂层钛板、石墨和不锈钢，阴极材料为不锈钢，尺寸自行定制，极板布置为阴阳间隔，极距为20mm。1.2实验原理含镍废水电解时，主要发生以下反应3。阳极发生H2O的分解反应：2 H2O = O2+ 4 H + 4e- （1）阴极发生Ni2+氧化反应：Ni2+ + 2e- = Ni （2）2 H + 2e- = H2 （3）1.3实验方法通过配制硫酸镍溶液模拟电镀废水，然后通过硫酸与氢氧化钠调节电解质溶液pH，石英玻璃电解槽置于水浴恒温振荡器，直流电源供电，搅拌混合电解液。实验主要分析不同阳极材料、电解时间和电流强度等因素对废水中Ni2+回收率的影响，并探讨最佳工艺参数。Ni2+浓度通过EDTA配位滴定法测定，并根据式（1）计算其回收率：回收率= （1）式中：C0表示电解前的Ni2+浓度（g/L）；Ct表示电解t时刻Ni2+浓度（g/L）。电流效率4同样作为评价指标，其计算公式为：电流效率= （2）式中：M1表示实际上阴极析出Ni的质量（g）；k表示电化当量(1.095g/(Ah)；I表示电流强度（A）；t表示电解时间（min）。2结果与讨论2.1 不同阳极材料的影响为了分析不同阳极材料的影响，钌涂层钛板、石墨和不锈钢为阳极，不锈钢板为阴极，Ni2+浓度15 g/L，pH值5.0、温度40 oC、电流强度15 A、电解时间210 min，Ni2+回收率曲线见图1。图1 不同阳极材料对镍回收率的影响由图1可知，三种阳极材料皆可以有效回收Ni2+，120 min内Ni2+回收率大小顺序为：不锈钢板石墨钌涂层钛板，表明钌涂层钛板的电解性能最佳；120 min之后，Ni2+回收率大小顺序为：石墨不锈钢板钌涂层钛板，石墨在电解的过程中出现溶解掉渣从而导致回收率增长下降，因此，最后选择钌涂层钛板作为阳极进行研究。2.2 电解时间的影响为了分析电解时间的影响，钌涂层钛板为阳极，不锈钢板为阴极，Ni2+浓度15 g/L，pH值5.0、温度40 oC、电流强度12 A、间隔60 min测定Ni2+浓度，Ni2+回收率曲线见图2。图2 电解时间对镍回收率的影响由图2可知，Ni2+回收率随着电解时间的增加呈现先急速增加后上升缓慢的趋势，240 min之后上升幅度明显降低，基本可以忽略不计，因此电解时间选择240 min。2.3 电流强度的影响为了分析电流强度的影响，钌涂层钛板为阳极，不锈钢板为阴极，Ni2+浓度15 g/L，pH值5.0、温度40 oC、电流强度分别为5 A、10 A、15 A、20 A和25 A，电解时间240 min，Ni2+回收率与电流效率曲线见图3。图3 电流强度对镍回收率的影响由图3可知，回收率随着电流强度的增加呈现不断上升的趋势，而电解效率呈现先增加后下降的趋势，电流强度为15 A时，电解效率达到峰值40.27 %。这是因为增大电流能够加快溶液中离子定向运动速率5，电流强度大于15 A后，阴极析出氢气明显增加，因此电流强度选择15 A。2.4 Ni2+浓度的影响为了分析Ni2+浓度的影响，钌涂层钛板为阳极，不锈钢板为阴极，Ni2+浓度分别为10 g/L、15 g/L、20 g/L、25 g/L和30 g/L，pH值5.0、温度40oC、电流强度15 A，电解时间240 min，Ni2+回收率与电流效率曲线见图4。图4 Ni2+浓度对回收率和电流效率的影响由图4可知，回收率和电流效率随着电流强度的增加呈现先上升后下降的趋势，Ni2+浓度为20 g/L时，两者皆达到最大，回收率为电流效率65.29 %，电流效率为40.03 %。Ni2+浓度较低时，浓差极化为回收率与电流效率较低的主要原因；随着Ni2+浓度增加，浓差极化得到缓解，两者出现上升的趋势；Ni2+浓度达到一定限度时，H+竞争增加导致两者出现下降的趋势6。因此，Ni2+浓度选择20 g/L。2.5 温度的影响为了分析温度的影响，钌涂层钛板为阳极，不锈钢板为阴极，Ni2+浓度20 g/L，pH值5.0，温度分别为20 oC、30 oC、40 oC、50 oC和60 oC，电流强度15 A，电解时间240 min，Ni2+回收率与电流效率曲线见图5。图5 温度对回收率和电流效率的影响由图5可知，回收率和电流效率随着温度的升高呈现不断上升的趋势，表明升高电解液温度有利于Ni2+的析出。其原因可能是温度提高有利于电解液中离子的扩散，进而降低浓差极化引起的析镍过电位。综合考虑，电解温度选择50 oC。2.6 pH值的影响为了分析pH值的影响，钌涂层钛板为阳极，不锈钢板为阴极，Ni2+浓度20 g/L，pH值分别为3.0、4.0、5.0、6.0和7.0，温度50 oC，电流强度15 A，电解时间240 min，Ni2+回收率与电流效率曲线见图6。图6 pH值对回收率和电流效率的影响由图6可知，回收率和电流效率随着pH值的升高呈现先上升后下降的趋势。当pH值为6，两者达到最大，回收率为电流效率80.14 %，电流效率为49.21 %。pH值由3上升到6时，电解液中H+降低有利于Ni2+的析出，pH值为7时，电解液中出现少许Ni(OH)2沉淀，导致回收率和电流效率下降。因此，最佳的电解pH值为6.0。2.7搅拌速率的影响为了分析搅拌速率的影响，钌涂层钛板为阳极，不锈钢板为阴极，Ni2+浓度20 g/L，pH值5.0，温度50 oC，电流强度15 A，电解时间240 min，设置不同的搅拌速率，Ni2+回收率与电流效率曲线见图7。图7 搅拌速率对回收率和电流效率的影响由图6可知，随着搅拌速率的增大，回收率和电解效率具有一定幅度的提高，其原因在于搅拌不仅能够加速离子运动，及时补充阴极的Ni2+，有效地降低浓差极化7，而且能够加速氢气的逸出。因此，电解过程中搅拌速率选择300 r/min。3结论利用硫酸镍溶液模拟电镀废水，采用电解法电解能够有效的回收废水中Ni2+。对比钌涂层钛板、石墨和不锈钢三种阳极材料，确定最佳的阳极材料为钌涂层钛板。通过分析电解时间、电流强度和Ni2+浓度等因素对Ni2+的回收率的影响，得到最佳工艺条件：电解时间240 min，电流强度15 A，Ni2+浓度20 g/L，电解温度50oC，pH值6，搅拌速率300 r/min，在此条件下，Ni2+的回收率为85.42 %，电流效率为52.16 %。参考文献1 王明玉,王学文,蒋长俊等.镍钼矿综合利用过程及研究现状J.稀有金属,2012,36(02):321-328.2 雷英春.电解法处理含镍废水及纯镍的回收J.城市环境与城市生态,2009,22(03):13-16.3 刘畅.膜电解法处理含镍废水的研究J.环境科学与管理,2015,40(05):74-76.4 王宝群,宋宝珍,刘京玲,等.槽边循环电解法回收电镀废水中Ni的研究J.中国材料进展,2012,31(2):54-58.5 冯恩隆.电Fenton法处理染料废水的研究J.环境保护与循环经济,2011,31(04):64-66.6 牛永胜,周生刚,竺培显等.锌电积工艺中新型阳极的研究进展J.热加工工艺,2015,44(16):26-30+35.7 卢文壮,左敦稳,王珉,等.硬质合金镀镍层结合性能的研究J.电镀与环保,2004,24(1):17-20.