电解法处理含镍废水及回收镍的实验研究

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随着冶金、航空、电子、机械行业的发展,电镀已成为应用领域最广泛的表面处理技术。化学镀镍可为各种导体和绝缘体产品提供光泽和耐腐蚀的镀层,其具有优良的均匀性、耐磨和耐蚀性及稳定性。但同时会产生大量的高毒性、强稳定性和难生物降解性的化学镀镍废水。如果直接排放至自然环境中,镍会随着水环境迁移至土壤环境,破坏生态平衡和土壤结构。并通过食物链进入人体,当人类摄入过量镍会对肠胃产生刺激,引起腹泻;对神经、血液、大脑等器官产生病变,甚至诱发癌症。在化学镀镍废水中,污染物主要是镍络合物,传统工艺对镍去除效果不佳。因此,本文以实际化学镀镍废水为目标污染物,研究了电催化协同电沉积、萃取法协同电沉积对实际化学镀镍废水的处理效果。在此基础上进行小试实验及中试实验,确定工艺处理最优参数。本文的研究内容和结果如下:(1)首先采用电催化氧化协同电沉积法处理实际化学镀镍废水,构建了一个高效稳定的电化学系统,以期实现实际化学镀镍废水中镍的回收。此外,研究了电流密度、初始p H值及初始镍离子浓度对电化学系统性能的影响。结果发现电催化协同电沉积体系实现了镍络合物的破络合及镍回收;当电流密度为83.3 m A/cm~2,初始p H值为3.0,初始镍离子浓度为0.01 M时,镍回收率和TOC去除率最佳,分别为94.84%和63.94%。通过扫描电子显微镜(SEM)、能量色散X射线(EDS)、X射线粉末衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)对阴极回收产物进行了表征,结果证明回收产物为单质镍。研究证实,电催化氧化协同电沉积体系连续6次循环后镍回收率保持在95%以上,TOC去除率基本维持不变。此外,最佳条件下回收1.0 g镍的能耗为0.05×10-3 k Wh/g,成本为64.113元/kg。(2)采用萃取法协同电沉积法处理实际化学镀镍废水。考察了反应时间、初始p H值、萃取剂投加量、反应温度对镍萃取率的影响。实验结果表明:萃取剂投加量和废水初始p H值对萃取效果有显著的影响,而反应温度对萃取效果无明显影响。当萃取剂投加量为80 m L、初始p H值为6.0时,室温下反应15 min后,镍萃取率最好。此外,通过GC-MS、FT-IR分析了萃取剂反应前后成分,证明了萃取剂具有良好的生命周期、无二次污染。在电沉积过程中,98%左右的镍被回收。通过XRD、SEM和XPS对回收产物进行分析,结果表明,阴极沉积物中主要元素为Ni、O和P,并且镍以零价态的形式存在。在电沉积过程中,Ni2+与OH-反应生成Ni(OH)2,并逐渐还原为金属Ni。(3)基于电催化协同电沉积处理化学镀镍废水的研究,设计了一体化电化学装置,进行了中试实验研究。结果表明:在电流为20 A,初始p H值为3.0条件下,反应180 min后镍回收率保持在90%以上,出水镍离子浓度在80 mg/L-130 mg/L之间。在中试试验中,电催化协同电沉积体系具有较强为稳定性,工艺运行状态良好。不仅实现了废水中镍高效地回收,而且出水口镍离子浓度也满足了园区污水处理厂纳管标准。
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