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天然材料处理电镀废水的研究进展

放大字体  缩小字体发布日期:2012-04-20  浏览次数:830

天然材料处理电镀废水的研究进展

杜敏娟 舒文勃 杨娜娜 李琛

(陕西理工学院化学与环境科学学院,陕西汉中723001)

摘要:“以废治废”是一种经济效益好、资源消耗低、环境污染少的环境保护新思路,被广泛应用于各类环境污染治理技术上。电镀废水是一种典型的重金属污染废水,同时具有较高的循环利用价值。在介绍电镀废水的特点、常见治理方法的基础上,综述了天然材料在处理电镀废水技术的应用情况和发展前景,分析了天然材料在处理电镀废水的优点,指出天然材料在处理电镀废水的发展趋势。

关键词:天然材料;以废治废;循环利用;电镀废水

中图分类号:X703  文献标识码:B  文章编号:(G)10045(2010)03-73-04

电镀是当今世界三大污染工业之一。电镀废水成分复杂,除含氰废水和酸碱废水外,还含有铬、镍、镉、铜、锌、金、银等重金属污染物。同时,废水中还含有相当数量的添加剂、光亮剂等有机化合物,例如各类型表面活性剂、EDTA、柠檬酸、酒石酸、乙醇胺、乙二醇、硫脲、苯磺酸、香豆素、炔二醇等。这些物质进入环境.必定会对人类健康及生态环境产生严重的危害。电镀废水的处理可分为三个阶段:第一阶段主要是氰化物、六价铬的化学处理;第二阶段是研究含锡和其他重金属废水以及酸碱废水处理技术;第三阶段开始重视综合防治、资源回收、节约用水和闭路循环等新技术。到目前为止,大多数电镀的废水都已有了比较有效的处理方法。为了能大量、有效、深度、廉价处理金属离子电镀废水,常规单一的处理方法已不能满足要求,而多元化新型处理技术越来越受到重视。开发新型高效廉价的多功能吸附材料受到广泛关注。

近年来,由于废水处理成本和污水量的提高,开发新型廉价的材料是废水处理的重点。天然材料是价格低廉,来源广,或者无用的废弃物。国内外许多学者致力于将一些新型、廉价的吸附材料应用于去除废水中的重金属,研究表明花生壳,木屑、人工湿地、藻类、改性膨润土、麦草、玉米轴穗、玉米茎杆、稻壳、大麦壳、碎木片、棕桐果枝、锯屑、树皮、树叶、香蕉木髓、蔗渣木髓、水生植物等廉价吸附剂去除电镀废水中的重金属是有效的。并且利用了生活中的废弃物,达到了以废治废的效果。

1·电镀废水处理的常用方法

电镀废水成分复杂,处理技术也是多种多样,总的来讲可分为四类:化学法、物理法、物理化学法、生化法。20世纪80年代以多元组合技术为主。目前以成本比较低、技术比较成熟的化学法为主,同时适当辅以其他的处理方法。

2·天然材料处理电镀废水的原理

国内外采用物理法、化学法、生物处理法治理电镀废水的方法很多,但存在耗量大,成本较高及再生会产生二次污染等缺陷。利用天然材料通过吸附、降解、絮凝、沉降等物理或物化法有效地去除电镀废水中的多种金属离子的方法越来越受到关注,此法操作简单可靠,投资少,运行成本较低。改性花生壳、木屑、椰子壳等天然材料具有很大的比表面积,能够有效地吸附废水悬浮性物质和有机物,絮凝、沉淀继而除去;湿地植物的根和茎叶能够吸收、富集、降解电镀废水中Cr、Zn、Fe、Mn、Ni和Cu等重金属,进而使电镀废水达到排放标准。类似的天然材料还有藻类、改性膨润土、麦草、玉米轴穗、玉米茎杆、稻壳、大麦壳、碎木片、棕桐果枝、锯屑、树皮、树叶、香蕉木髓、蔗渣木髓、水生植物等。这些天然材料是生活、工业中的废弃物,大部分当作燃料或废渣弃去,造成自然资源的极大浪费,回收利用不仅节能环保而且可达到以废制废的效果。近年来,将天然材料用于其他废水处理方面的研究也有报道。

3·天然材料处理电镀废水的应用情况

3.1利用木屑处理电镀废水

木屑是来源于木材加工行业易得的废弃物,其对废水中的重金属有很好的吸附作用。

聂锦霞以废弃物松树木屑作为吸附剂,进行了吸附去降某电镀废水中Zn2+及CODcr的试验。研究了溶液pH值、温度、搅拌速度、溶液初始Zn2+及CODcr浓度、固液比等因素对吸附剂去降Zn2+及CODcr的影响,并进行了固体吸附解吸实验的研究。结果表明溶液在pH=9、反应温度25℃、木屑加入量30g/L时,松树木屑对电镀废水中Zn2+及CODcr均具有高效吸附去降能力。说明木屑不需改性其吸附效率非常高。而且在这一pH值下,色度<5,滤液无色透明,符合第二类污染物最高允许排放标准。

周隽等以废弃物木屑和花生壳作为吸附剂,进行了吸附去除水中Cr3+的试验。研究了溶液pH值、初始Cr3+浓度以及温度等因素对这2种吸附剂去除Cr3+作用的影响,对吸附曲线作了线性拟合,确定了相应的平衡吸附率,在Cr3+初始浓度为1、5、10和20mg/L时,木屑对Cr3+的平衡吸附率为81%、68%、56%和40%,花生壳依次为77%、63%、53%和42%。

3.2利用花生壳处理电镀废水

花生壳中含有大量碳水化合物及粗纤维,还有单宁类化合物它是一类多酚化合物,具有多个酚羟基,能够和许多金属离子发生较强的配位作用,形成稳定的五元环结构,因此是极为有效的离子交换物质,容易与重金属离子发生置换反应,以达到沉淀重金属离子的目的。

谷亚昕利用花生壳洗净、烘干、破碎得到花生壳粉,研究了以花生壳粉为主要原料,对含Cd2+、Pb2+的模拟废水进行了吸附试验。试验结果表明,pH值、废水中Cd2+及Pb2+的初始浓度、吸附时间等因素,均能影响花生壳粉对Cd2+、Pb2+的吸附效果。在Cd2+、Pb2+初始浓度均为30mg/L、pH=6、搅拌2h、花生壳粉的投加量为0.25g的条件下,Cd2+、Pb2+的去除率分别达到92.2%和90.0%。

唐志华等利用处理好的花生壳粉50g置于250mL圆底烧瓶中,加入一定量酸性甲醛溶液(甲醛与硫酸的比例为1:5(V/V),硫酸浓度:0.1mol/L;甲醛浓度:37%;),置80℃的水浴锅中加热回流3h后,将花生壳粉进行抽滤去除溶剂,残留粉渣用蒸馏水洗至pH值>5,最后在50℃下烘3h即可得到改性处理后的花生壳。并进行了采用改性花生壳处理废水中的重金属。其利用离子交换的原理,考察了反应时间、处理剂加入量、pH值及反应温度对酸性废水中重金属离子吸附性能的影响。结果表明,用酸性甲醛溶液对花生壳进行适当改性,改性产物用来去除水中的重金属离子是可行的。处理重金属废水时,较佳的工艺条件为:控制pH=7,每100mL废水中加入2.5g改性花生壳,在40℃下,搅拌反应60min。在此条件下,捕集率可达90%以上。

李山以花生壳为原料、HNO3为改性剂,对花生壳进行改性制备吸附剂,并研究了其吸附水中Pb2+的性能。结果表明,在2.0g花生壳中加入体积分数为10%的HN03溶液25mL、控制温度80℃、搅拌3h,得到改性的花生壳。用此改性花生壳吸附Pb2+的最佳条件为0.20g改性花生壳、97.5mg·L-1的Pb2+溶液25mL、pH=5.0、搅拌吸附60min,在此条件下吸附率可达97%;吸附后的花生壳用0.5mo·lL-1的HCl溶液再生,重复使用2次,对Pb2+的吸附率在92%以上;同时,比较了改性花生壳和未改性花生壳对Pb2+的吸附性能,未改性花生壳对Pb2+的吸附率为87%,改性花生壳对Pb2+的吸附率为96%。通过HN03对花生壳进行改性制备吸附剂,制备方法简便,吸附性能得到提高,易再生、能重复使用,扩大了吸附剂的原料来源,为花生壳的综合利用提供了一条有效途径。

3.3利用人工湿地处理电镀废水

湿地是分布于陆生生态系统和水生生态系统之间具有独特水文、土壤、植被与生物特征的生态系统。又可以分为天然湿地和人工湿地两大类。高拯民和李宪法认为,湿地处理系统(表面流人工湿地)是将污水有效控制地投配到土壤中,经常处于饱和状态、生长有像芦苇、香蒲等沼泽水生植物的土地上,污水在沿一定方向流动过程中在耐水植物和土壤联合作用下得到净化的一种土地处理系统。利用自然生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用,来实现污水净化的一种新型污水生态处理工艺。

湿地填料的化学特性使它有很强的吸附和鳌合金属离子能力。滞留在湿地填料中的重金属离子,有些可以在湿地内形成稳定的金属化合物沉淀,通过沉积作用逐渐转移到填料层的底部得到去除。在金属离子浓度较高时,植物同化对它的去除仅为1%左右,主要还是依靠土壤的吸附和沉淀的形式来去除的。李星等利用人工湿地植物对电镀废水的净化和修复效果进行了研究。通过在垂直流-水平潜流人工湿地系统进行采样和分析,研究了垂直流湿地(一级湿地)中水葫芦、稗草和水平潜流湿地(二级湿地)中蔗草、黄菖蒲、芦苇、千屈菜、美人蕉等对金华市某电镀厂经预处理后排水中主要污染物Cr、Zn、Fe、Mn、Ni和Cu的处理能力。结果表明,60d后二级湿地中千屈菜、藤草、美人蕉长势最好,黄莒蒲正常生长,芦苇几乎停止生长,而—级湿地中水葫芦、稗草生长较缓慢。植物对电镀废水的净化和修复,因植物种类、部位、生物量、重金属种类等而不同。一级湿地中水葫芦对电镀废水的净化和修复效果强于稗草,二级湿地中蔗草、美人蕉对电镀废水的净化和修复效果最好。通过分析,二级湿地植物优势明显,其中蔗草、美人蕉、黄菖蒲、千屈菜是值得推荐的修复中低浓度电镀废水优势种,在人工湿地系统污染物负荷较高的一级湿地中,应尽可能选用多种抗逆性强的湿地植物品种组合栽植。

3.4利用藻类处理电镀废水

由于藻类吸附表面积大,吸附容量大,并具有良好的选择性。其对重金属具有很强的吸附和富集作用,可在较短时间内达到吸附平衡。并其原料廉价易得,可筛选适宜的藻类作为吸附剂的生产原料,在适宜的条件下进行人工培养。既适合于含低浓度金属离子的水体,又适合于含高浓度金属离子的水体,不产生二次污染。所以藻类细胞是极佳金属吸附材料。

骆巧琦等利用正交实验分析温度、金属浓度等因素对3种藻粉(小球藻粉、螺旋藻粉、海带粉)吸附电镀废水中重金属(Pb2+、Cu2+、Zn2+)的影响,同时比较活藻和藻粉对重金属的吸附量。研究结果表明:藻粉和活藻对3种重金属的吸附量顺序均为Pb2+>Cu2+>Zn2+,3种藻粉在温度为40℃,浓度为6mmol/L时均达到最大吸附量,每种藻粉对金属的吸附量与重金属溶液浓度呈正相关。死藻对重金属的吸附量明显大于活藻,死藻在工业上运用更具优势。

3.5利用天然石类处理电镀废水

蛭石是属于2:1型层状硅酸盐一类的天然黏土矿物,具有很高的酌隰离子交换容量和吸附性能,可通过离子交换和吸附,去除水溶液中的有害金属元素。蛭石主要是由金云母-蛭石的1:1规则疑层矿物组成,开采焉未经提纯的称为工业蛭石。张宝述采用工业蛭石在处理含Cu2+2.044mg/L、Zn2+2.933mg/L混合电镀废水,并通过正交实验分析对比了处理效果。结果表明,当电镀废水溶液的pH=7.5、Na型蛭石样品用量为0.2000g(固液比l:250)、处理30min,对废水中Cu2+的去除率为100%、对Zn2+的去除率达97.65%;蛭石用于处理Cu2+、Zn2+废水是可行的。蛭石经Na化改型处理后,可提高吸附效果。累托石是一种规则间层黏土矿物,天然产出的累托石样品,大多呈土状、皮壳状、细片状、席草状,质地松软,有滑腻感,遇水膨胀,解离或成泥糊状,粒度一般<5μm,累托石耐高温,耐热度达1660℃,结构稳定。具有良好的亲水性、分散性和膨胀性。改性累托石是取烘干的钠土30g,加入1000mL水,调节pH值至4左右,滴加Al3+交联剂150mL,搅拌一段时间后陈化24h,过滤、烘干,得Al-交联累托石。罗道成等采用改性累托石处理含Ni2+32.6mg/L,pH=5.80的电镀废水。试验在静态条件下,对改性累托石处理含镍电镀废水进行了试验,探讨了改性累托石的用量、废水酸度、接触时间、温度及阴离子浓度对除镍效果的影响。结果表明,在废水pH值4.0~7.0、镍浓度0~100mg/L范围内,按镍与改性累托石质量比为1/20投加进行处理,镍去除率可达98%以上,且处理后废水接近中性。含镍电镀废水经改性累托石处理后,镍含量显著低于国家排放标准。

4·天然材料处理电镀废水的优点

我国有资源丰富的农业废弃物一花生壳、稻谷壳,林业废弃物一木屑、树皮等。原材料几乎不需要成本,加工简单,因此相比传统的化学、物化处理方法具有巨大的经济价值和市场潜力。

经改性后的花生壳粉处理过的含重金属废水,颜色基本没有发生改变,说明通过改性避免了由于花生壳水溶性有机色素溶解造成二次污染,通过改性,即阻断了有色物质的流出,又保持了花生壳的有效成分,提高了化学稳定性。利用木屑和花生壳吸附处理含铬废水,其工艺简单、去除效果较好,且吸附了Cr3+的木屑和花生壳可用于制备轻质砖[8]。花生壳残渣吸附铬(Ⅵ)的性能稳定,不用再生即可利用多次吸附回收铬(Ⅵ),操作简单,对含铬废水的处理有广阔的应用前景。

用花生壳等天然材料吸附电镀废水中的重金属离子,不仅实现了在环境保护方面的价值,变废为宝,而且为农业废弃物开发利用开辟了新的途径,具有广阔的前景。

5·结语

用天然材料等吸附剂处理废水是一种“以废治废”的思路,可大大降低废水的处理费用。由于原料丰富,价格便宜,制备工艺简单,使用方便,具有明显的经济效益、社会效益和环境效益。是循环经济和清洁生产在环保产业中的一种典型模式,应该加强其在环境保护各产业中的应用研究。

但是,天然材料直接用于电镀废水的处理虽然具有一定的效果,但是处理深度不足,应加强对天然材料进行简单、经济、有效的预处理,通过天然材料的改性,使天然材料的吸附性能,絮凝能力,机械强度等得到改善和加强,进而达到理想的处理效果;因此在进一步探讨天然材料处理废水的机理的基础上,寻求合适的天然材料,采取经济有效的改性方法,寻求与之相适应的吸附工艺和配套水处理工艺将是该技术的一个关键性环节。

目前我国电镀废水的治理任务还很大,应以循环利用为前提,以清洁生产为目的,以废治废为根本出发点,寻求来源广,处理效果好的天然材料,通过简单经济的改性,实现社会效益、经济效益和环境效益的统一。

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