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| 電鍍廢水處理技術 |
| （時間:2015-7-20 16:16:30） |
前言
電鍍是金屬表面的美容師，可在各種基礎材料上獲得各種基礎性、裝飾性和防護性良好的金屬鍍膜，其產品無處不在。因此，電鍍在國民經濟中有著舉足輕重的地位。據統計，2006年，中國約有電鍍廠15000個，每年排出的電鍍廢水約為40×108m3[1]，電鍍廢水成分復雜，除含有氰化物和酸堿廢水外，其所含的重金屬毒性巨大，包括銅、鋅、鉻、鎳、鉛、鉑、金、銀等。這些金屬一經排放，進入環境中不能被生物降解，往往是參與食物鏈循環，并最終在生物體內積累，破壞生物體正常生理代謝活動，危害人類健康，另外，實現對電鍍廢水中貴重金屬的回收也具有重要經濟價值。因此，研究電鍍廢水處理技術具有重要意義。發展電鍍廢水處理技術，不僅可以節約水資源，回收重金屬，還能有效地解決電鍍廢水對水體的污染和人體的危害，保護生態環境和人體健康。
1˙電鍍廢水處理技術
目前，處理電鍍廢水的主要技術有化學沉淀法、離子交換法、吸附、膜過濾、電化學處理技術等[2]。
1.1化學沉淀法
化學沉淀法是電鍍廢水處理中，較為經濟有效的方法，因其技術成熟、操作管理簡單，可同時去除電鍍廢水中多種金屬，因此得到廣泛的應用。向污水中投加化學藥劑，使原來污水中的重金屬離子轉化為不溶于水的重金屬化合物，進而沉淀使其與污水分離，從而達到去除的目的，如氫氧化物沉淀法、硫化物沉淀法、鐵氧體法等。
1.1.1氫氧化物沉淀法
氫氧化物沉淀法是最常使用的化學沉淀法。該工藝具有操作簡單、成本低、PH容易控制等優點。它通過向廢水中投加堿性沉淀劑，使廢水中的重金屬生成不溶于水的氫氧化物沉淀，從而分離去除，其采用的石灰、碳酸鈉等試劑來源廣泛、價格低。
盡管如此，氫氧化物沉淀法的使用也有其自身的局限性。存在著在使用過程中產生了大量的污泥，易造成二次污染;需額外投加化學藥劑;對氫氧化物溶積常數較大的重金屬需要調節pH至11～12，而排放時又要調回6～9，增加處理成本等缺點。
1.1.2硫化物沉淀法
硫化物沉淀也是去除水中重金屬離子的一種有效方法，常用的硫化物有Na2S、NaHS、H2S等。在一定pH范圍內，硫化物沉淀法適用與否，取決于硫化物的溶度積，金屬離子的價態和濃度等，對溶液pH的調節能選擇性地析出溶度積較小的金屬硫化物[3]。
硫化物沉淀法有許多優點:金屬形成的硫化物沉淀往往比氫氧化物溶解度更小;適應的pH范圍更寬;硫化物沉淀法處理重金屬的成本隨濃度的變化較小等。但其應用也有一些局限性:使用硫化物沉淀過程有潛在的危害，重金屬離子大多存在于酸性廢水中，使用硫化物會導致有毒的H2S氣體產生;硫化物沉淀容易形成膠體沉淀，分離困難。
1.1.3鐵氧體法
鐵氧體沉淀法是根據生產鐵氧體的原理發展而來，使廢水中的各種金屬離子形成鐵氧體晶粒一起沉淀析出，使水得到凈化，同時形成沉淀后，可通過磁力分離，能達到好的分離效果。它通常在廢水中加入鐵鹽或亞鐵鹽，在堿性條件下加熱攪拌，加入適量添加劑，最終形成鐵氧體。重金屬離子通過吸附、包裹和夾帶的作用，取代鐵氧體晶格中的Fe2+或Fe3+的位置，形成復合鐵氧體，鐵氧體通式為FeO˙Fe2O3。
鐵氧體法的主要優點是硫酸亞鐵貨源廣、價格低、處理設備簡單、處理后水能達到達標排放、污泥不會引起二次污染;缺點是試劑投量大，產生的污泥量大，污泥制作鐵氧體時技術條件較難控制，消耗熱能較多，處理成本也較高，不適用于大量廢水處理。
1.1.4化學沉淀與其他方法結合
化學沉淀與其他方法結合來處理電鍍廢水也被證實是切實有效的方法。Ghosh[4]等利用電化學和化學沉淀結合的方法來處理人造纖維廢水中的COD(2400mg/L)和Zn2+(32mg/L)，使用石灰沉淀時，當pH處于9～10時，取得了88%的COD和99%～99.3%Zn2+的去除率。
也有一些化學沉淀與離子交換結合法的報道。Papadopoulos[5]等比較了僅用離子交換去除Ni2+和使用離子交換-化學沉淀聯合方法處理Ni2+，他發現前者Ni2+的去除率達到74.8%，而后者達到了94.2%～98.3%，有了明顯的提高。可見，在使用化學沉淀法時適當結合其它處理技術能有效地實現重金屬的削減。
1.2離子交換法
利用離子交換樹脂(或是其他材料合成的離子交換劑)對重金屬離子進行置換，去除重金屬離子達到純化的目的。此法操作簡單，便捷，殘渣穩定，無二次污染。
最常見的陽離子交換樹脂是帶有磺酸基(-SO3H)的強酸型交換樹脂和帶有羧酸基(-COOH)的弱酸型交換樹脂。酸性磺酸基和羧酸基可以和重金屬離子發生交換。隨著含重金屬溶液通過離子交換柱，金屬離子與陽離子交換柱發生交換。
除了合成樹脂，天然沸石，比如廉價和吸附量大的硅酸鹽礦物質也被用于去除溶液中的重金屬離子。很多學者研究發現，在不同的實驗條件下，沸石均展現出良好的陽離子交換能力。
離子交換法在處理含銅，鎳，鋅廢水及處理貴重金屬廢水均有廣泛應用。其中處理貴重金屬廢水，回收貴重金屬能夠取得較大的經濟效益。
用離子交換法處理電鍍廢水，出水水質好，可實現對有用物質的回收，其缺點是當離子交換樹脂耗盡時，需要使用化學藥劑實現再生，再生過程可引起嚴重的二次污染，且價格昂貴。
1.3吸附法
主要是利用吸附劑的獨特結構去除重金屬離子的一種方法。利用固體物質的多孔性，讓水中的一種或多種重金屬離子被吸附到固體表面從而得到去除。常用的吸附劑主要有活性炭、硅藻土、沸石和活性氧化鋁等。不同的吸附劑有著不同的吸附機理，主要有物理吸附和化學吸附兩種，有的吸附劑在吸附的同時，還可以發揮絮凝的功效。
1.3.1碳類吸附劑
活性炭(AC)是使用最廣泛的吸附劑，活性炭的吸附主要靠表面發達的空隙結構，吸附過程基本上屬于物理吸附，是目前水處理中應用最廣的吸附劑之一。活性炭有著不同大小的孔徑，許多實驗表明，當活性炭的孔徑為被吸附分子的3～4倍時，最有利于吸附。
與其它廉價吸附劑相比，活性炭的價格偏高，這就影響了它在水處理中的應用和推廣。此外，由于活性炭制備工藝不同，以及水質不同，使得其對水中污染物的去除效果差異很大。因此，降低活性炭的制備成本，改進預處理技術成為技術創新的關鍵。但不可否認活性炭在水處理方面的優勢是巨大的，隨著科學的進步和人們生活水平的提高，環境意識加強和水資源的緊缺，都將促進活性炭的發展。
1.3.2低成本吸附劑
活性炭一直是最常用的吸附劑，但相對昂貴。尋找低成本和容易獲得的去除重金屬離子的吸附劑已成為一個主要的研究重點。到目前為止，研究的低成本吸附劑數以百計，包括農業廢棄物、工業副產品、天然物質等。研究人員研究的吸附劑具體包括木質素、硅藻土、單斜磁黃鐵礦、褐煤、自然沸石、粘土、高嶺石和泥炭等。
1.3.3生物吸附劑
近年來，生物吸附劑以其低成本、處理效果好等優點受到人們的青睞。典型的生物吸附劑來自于三大來源:非活體生物質，比如樹皮;藻類生物;微生物質:細菌、真菌和酵母菌。目前，對生物吸附劑的研究主要集中在藻類和菌體，它們都具有巨大的比表面積，因此吸附容量很大。
生物吸附法目前是一項處理重金屬離子廢水污染的新技術，與傳統技術相比，具有以下優點:(1)投資少，運行費用低，無二次污染;(2)處理效率高，且在低濃度下，金屬可以被選擇性地去除;(3)pH值和溫度條件范圍寬(40℃～90℃):(4)可有效地回收一些重金屬。但不利的是，這些研究仍然在理論的實驗的階段，此外，吸附劑的后續分離會有困難。
1.4膜分離法
膜分離法是利用高分子所具有的選擇性進行物質分離的技術，包括反滲透、超濾、納濾等，因膜孔徑和耐壓性能不同，分別處理含不同顆粒大小雜質的廢水。
1.4.1超濾
超濾(UF)是以壓力為推動力的膜分離技術之一，它可以在較低的壓力差下去除水中的溶解性和膠狀態物質。因為超濾膜的孔徑大于以水合離子或者低分子復合物狀態存在的金屬離子，這些離子可以很容易地通過超濾膜。為了更好的提高重金屬離子的去除效率，相繼出現了膠束增強超濾(MEUF)和聚合物增強超濾(PEUF)。
1980年，MEUF首次應用于處理水溶液中的溶解性有機污染物和多價的金屬離子。MEUF被證實是去除水中重金屬離子的一種有效的分離技術。這種分離技術基于向水中投加表面活性劑，當水溶液中表面活性劑的濃度超過了臨界膠束濃度，表面活性劑分子會聚集成膠團，可以結合金屬形成大的金屬-表面活性劑結構，這種包含金屬離子的膠束因孔徑遠大于超濾膜孔徑，因此可以被截留下來，而其他未被捕獲的物質可以很容易地通過超濾膜。金屬離子去除率的高低還受金屬離子和表面活性劑的濃度、pH、離子強度和膜的參數的影響。
PEUF是利用可溶的聚合物來復合金屬離子，形成可以被超濾膜攔截的大分子物質，之前的研究主要集中在尋找合適的聚合物來絡合金屬，包括聚丙烯酸、聚乙烯亞胺、二乙氨乙基和腐植酸等。
超濾的優勢包括較高的去除率和選擇性，但它目前仍處于研究階段，并未能實際應用于工業中。
1.4.2反滲透
反滲透(RO)工藝使用一個半透膜，允許正在純化的流體通過，而拒絕污染物通過。RO是能廣泛去除水中溶解性物質的技術之一，20%的海水淡化使用該技術，該技術也廣泛應用于化學和環境工程。研究者在使用乙二胺四乙酸二鈉，銅和鎳離子被RO工藝成功去除，去除率達到99.5%。
RO的主要缺點是由于泵送壓力產生的高能耗以及膜的恢復。使用反滲透去除重金屬早已有研究，但到目前為止還沒有被廣泛使用。
1.4.3納濾
納濾介于超濾和反滲透工藝之間，納濾能有效地去除鎳、鉻、銅、砷等廢水，納濾操作簡單、可靠，能源消耗相對較低，污染物去除效率高。
納濾離子的截留率可能不如反滲透高，但與反滲透相比，納濾膜具有操作壓力低、出水效率高、耐壓密性、耐酸堿性及選擇透過性等方面具有中性膜不具有的優勢，所以在工業化和處理各類工業廢水的過程中為了取得更好的經濟效益和環境效益，納濾技術正在受到越來越多的關注。
1.5電化學處理法
電化學方法是利用金屬的電化學性質，在直流電作用下去除廢水中的金屬離子，是處理含有高濃度電沉積金屬廢水的一種有效方法。電化學法處理效率高，便于回收利用。但該法的缺點是電化學方法初始投資高，供電貴，使它們還沒有廣泛地被使用。然而，隨著日益嚴格的污水排放標準，全球在過去的二十年已經恢復了它的重要性。成熟的電化學技術包括電絮凝、電浮選和電沉積。
1.5.1電絮凝
電絮凝就是通過可溶性陽極發生的電化學反應，在電極表面附近直接連續的產生金屬陽離子而進入廢水溶液內部，這些陽離子經過水解、聚合作用，可生成多核氫基絡合物和氫氧化物，作為絮凝劑對水中懸浮物及有機物進行凝聚處理。
1.5.2電浮選
電浮選是一個固液分離過程，通過水的電解產生氫氣和氧氣等微小氣泡，使污染物漂浮在水體上加以去除，在重金屬的去除中有廣泛的應用。Belkacem[6]使用鋁電極的電浮選方法來澄清污水，他們得到了一些重金屬，如鐵，鎳，銅，鋅，鉛和鎘的最佳優化參數，得到了重金屬的去除率都達到99%。
1.5.3電沉積
電沉積通常應用于廢水中重金屬的回收，這是一個不存在殘余物的“清潔”技術。
OztekinandYazicigil[7]發現在合適的條件下，電沉積是回收金屬的一個有效方法，他們研究了從含有復雜螯合劑(EDTA，次氮基三乙酸和檸檬酸)的水溶液中回收重金屬，結果表明至少回收了40%的金屬，當金屬是銅時，回收率能達到90%。
2˙電鍍廢水處理技術的評價
雖然所有的電鍍廢水處理技術可去除重金屬，它們有自己的固有優點和局限性。
化學沉淀法操作簡單，處理成本低，故成為電鍍廢水中去除的傳統法。然而，化學沉淀法適合于處理高濃度的重金屬離子廢水，在重金屬離子濃度低時，效率不高，并且化學沉淀法并不經濟，產生大量污泥處理困難。
離子交換法廣泛應用于金屬離子廢水，盡管如此，當離子交換樹脂耗盡時，需要使用化學藥劑再生且再生過程可引起嚴重的二次污染，價格昂貴，尤其是處理大量濃度低的重金屬離子，所以不能大規模應用。吸附被公認為是處理低濃度重金屬離子廢水的比較好的方法，活性炭(AC)的高價格限制了它的使用。目前正在開發許多低成本的吸附劑來測試去除重金屬離子，吸附效率取決于吸附劑的種類，生物吸附被認為是比較有前景的新過程。
膜過濾法可以有效地去除重金屬，但問題在于成本高、過程復雜、膜污染，低通量限制了它的使用。
電化學法被認為是可以快速去除重金屬且可良好控制并只需少量化學試劑的方法，它具有良好的收益還原率，產生污泥量少。盡管如此，電化學方法初始投資高，供電貴，這限制了它的發展。
3˙結語
電鍍廢水污染是影響全球的一個環境問題，為了滿足日益嚴格的環境標準，許多處理技術，比如化學沉淀，絮凝，吸附，離子交換和膜過濾等，已經成為處理重金屬的可行技術。其中，離子交換，吸附和膜過濾是處理電鍍廢水目前研究較多的方向，離子交換已被廣泛地應用于廢水中重金屬離子的去除，低成本的吸附劑和生物吸附劑被認為是一種有效和經濟的處理低濃度重金屬離子廢水物質，膜過濾可以高效的去除重金屬。
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