精選硫酸亞鐵生產(chǎn)廠家利用電容去離子技術(shù)去除電鍍廢水中低濃度的鎳離子

　　精選硫酸亞鐵廠家利用電容去離子技術(shù)去除電鍍廢水中低濃度的鎳離子。此研究采用電容去離子(CDI)技術(shù)降低電鍍廢水中低濃度的鎳，使其達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

　　通過導(dǎo)電石墨膠粘劑將陰離子交換樹脂(AR-CGA)和陽離子交換樹脂(CR-CGA)分別加入到鈦網(wǎng)中，制備了復(fù)合陽極和復(fù)合陰極(樹脂-CGA)。

　　研究了樹脂- CGA電極在不同電壓、初始電解液pH和初始鎳濃度下的電解性能。CR-CGA電極對鎳的吸附量為0.095 mg g−1，去除率為95%。

　　在最優(yōu)條件下，Ni2+的濃度由1.0 mg L−1降至0.005 mg L−1時，每噸電鍍廢水的電耗為1.6 kWh / t，樹脂-CGA表現(xiàn)出比陽離子交換樹脂和導(dǎo)電石墨膠粘劑(CGA)制備的電極更好的電解性能。

　　研究背景

　　由于我國部分地區(qū)實(shí)施嚴(yán)格的鎳排放標(biāo)準(zhǔn)，需要控制排放濃度在0.1 mg L−1以下，一些電鍍車間需要處理大量鎳濃度低于幾毫克每升的電鍍廢水。

　　電鍍廢水排放的低濃度Ni2+廢水由于其毒性和生物積累效應(yīng)，會導(dǎo)致周圍水源嚴(yán)重惡化。現(xiàn)已有一些技術(shù)用于降低Ni2+濃度，如沉淀、吸附、離子交換樹脂、膜過濾、電滲析和電去離子等。

　　堿性沉淀法是電鍍廢水工業(yè)處理中最常用的方法，其操作簡單，工程可靠性高。然而，在堿性沉淀過程中加入大量化學(xué)試劑，會導(dǎo)致電鍍廢水處理成本偏高。

　　樹脂吸附法由于實(shí)際電鍍廢水中存在一些螯合鎳，吸附后的廢水中鎳的濃度通常不能達(dá)到0.1mg L−1的排放標(biāo)準(zhǔn)。

　　膜過濾技術(shù)中膜污染制約了其在電鍍廢水處理中的工業(yè)應(yīng)用。基于水離子通過離子交換膜的選擇性遷移，電滲析和電去離子可以濃縮低濃度的重金屬，但這會導(dǎo)致一些與膜相關(guān)的問題，如膜污染和濃差極化。

　　通過使用陽離子交換膜結(jié)合電滲析和電沉積，鎳的濃度可以降低到0.11 mg L−1，但也存在嚴(yán)重的膜污染問題。對于無膜電去離子技術(shù)，樹脂再生過程中的高電壓會導(dǎo)致耗電量的增加和高電壓的運(yùn)行安全問題。

　　電容去離子(CDI)作為一種低電量海水淡化技術(shù)，近年來逐漸引起人們的關(guān)注。

　　在一定電壓下，可以使用可逆吸附和解吸的多孔碳電極的CDI來除去電解質(zhì)中的離子。活性炭、氮摻雜碳、碳納米管和石墨等多孔碳材料因其高比表面積(SSA)和良好的導(dǎo)電性而被廣泛用于CDI電極。

　　近年來，活性炭因其電導(dǎo)率高、成本低而被廣泛應(yīng)用于CDI中。然而，活性炭電極也存在吸附能力低、機(jī)械穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)。

　　采用離子交換樹脂和脫鹽用活性炭制備樹脂-活性炭復(fù)合(RAC)電極，RAC電極具有更高的比表面積和更大的離子可及活性位點(diǎn)，與活性炭電極相比，進(jìn)一步提高了離子電吸附能力。

　　圖文速覽

　　圖1 CGA電極和CR-CGA電極的電解性能

　　如圖1a所示，隨著CDI時間的增加，陰極附近的Ni2+濃度逐漸增加，導(dǎo)致陰極附近電雙層電壓的增加，從而降低了推動Ni2+等正電荷離子向陰極遷移的電作用力。

　　因此，樹脂-CGA電極和CGA電極對Ni2+的吸附速率和去除率逐漸降低。CR-CGA電極上鎳的吸附量和去除率遠(yuǎn)高于CGA電極上的吸附量和去除率。

　　電解液中的Ni2+濃度和3 h CDI過程后的電耗如圖1b所示，電壓為1.4 V，初始pH值為3.0。電解液中的Ni2+濃度和CR-CGA電極的電耗分別為0.05 mg L−1和1.67 kWh t−1。CR-CGA電極的Ni2+濃度和電耗遠(yuǎn)低于CGA電極。

　　圖2 電解槽電壓對CR-CGA上Ni2+電解性能的影響

　　圖3 電解液流量對Ni2+在CR-CGA上電解性能的影響

　　圖2為低濃度Ni2+電解液流量為40 mL min−1和初始Ni2+濃度為1.0 mg L−1時，電壓對CR-CGA電極電解性能的影響。當(dāng)電壓范圍為0.8 ~ 1.4 V時，Ni2+的吸附量與外加電壓的增加呈正相關(guān)，如圖2所示。

　　高電壓有利于提高Ni2+在電解質(zhì)中的遷移速度，提高CR-CGA陰極附近電雙層對Ni2+的存儲容量。CR-CGA電極上Ni2+的吸附量在1.4 V時比在0.8 V時增加了106.5%。Ni2+的吸附量在電壓為1.4 V時達(dá)到峰值，然后隨著電壓的升高而下降。當(dāng)電壓高于1.4 V時，隨著CR-CGA陰極上析氫，主要為水的電解。陰極上析氫不利于陰極附近電雙層的穩(wěn)定性，阻礙了Ni2+在CR-CGA上的吸附，導(dǎo)致Ni2+的吸附量和去除率降低。

　　當(dāng)CDI時間為3 h，電解液初始pH值為3.0，電壓為1.4 V, Ni2+初始濃度為1.0 mg L−1時，CR-CGA電極在不同電解液流速下的電解性能如圖3所示。從圖中可以看出，隨著電解液流量從10 mL min−1增加到40 mL min−1，Ni2+的吸附量增加。高流速有利于增加流入電解槽的Ni2+總量，同時也有利于提高CR-CGA陰極附近電雙層中吸附的Ni2+總量。

　　在電解液流量為40 mL min−1時，Ni2+的吸附率和去除率達(dá)到峰值，然后隨電解液流量的增加而下降。當(dāng)電解液流量大于40mL min−1時，電解液流量越大，Ni2+的吸附時間越短，導(dǎo)致CR-CGA陰極附近電雙層中未被吸附的部分Ni2+流出電解槽。

　　圖4 30次吸附-再生循環(huán)過程中，Ni2+的吸附-脫附曲線

　　如圖4所示，在10次吸附再生循環(huán)過程中，CR-CGA電極吸附的Ni2+和殘留的Ni2+濃度基本保持穩(wěn)定。循環(huán)10次后，Ni2+吸附量下降。在第30次循環(huán)中，Ni2+的吸附量下降了5.2%，為0.009 mg g−1，而剩余的Ni2+濃度為0.09 mg L−1。

　　在30個CDI循環(huán)過程中，Ni2+的吸附和解吸曲線曲線相似(圖4b)。在30次吸附再生過程中，解吸率基本保持穩(wěn)定。因此，在低濃度Ni2+的CDI過程中，CR-CGA電極的電解性能總體上保持相對穩(wěn)定。

　　用導(dǎo)電石墨膠粘劑包覆陽離子交換樹脂，吸附一定數(shù)量的Ni2+。在1.6V條件下以CR-CGA為陽極、AR-CGA為陰極的再生過程中，陽離子交換樹脂與導(dǎo)電石墨膠粘劑之間的界面滿足水分解的要求。

　　在水分解過程中，水在CR-CGA陽極界面分解為氫離子，在AR-CGA陰極界面分解為氫氧根離子，為CR-CGA電極的陽離子交換樹脂再生提供氫離子。CR-CGA陽極中的Ni2+在電的作用下會向電解液中遷移。

　　此外，CR-CGA電極上的Ni2+不能吸附在AR-CGA陰極上的陰離子交換樹脂上，這有利于CR-CGA電極上的Ni2+的脫附和再生。

　　結(jié) 論

　　采用CDI技術(shù)可成功去除實(shí)際電鍍廢水中低濃度的Ni2+。采用陽離子交換樹脂(D001)和導(dǎo)電石墨膠粘劑制備的樹脂-CGA電極對Ni2+的吸附量為0.095 mg g−1，遠(yuǎn)高于D001樹脂上的0.022 mg g−1和導(dǎo)電石墨膠粘劑制備的CGA電極上的0.036 mg g−1。

　　殘余Ni2+濃度降低至0.005 mg L−1，相應(yīng)的Ni2+吸附量為0.095 mg g−1、去除率為95%，電耗為1.67 kWh t−1。CDI過程中使用CR-CGA電極，電壓為1.4 V，CDI時間為3小時，初始電解質(zhì)pH值為3.0，初始Ni2+濃度為1.0 mg L−1。

　　此外，CR-CGA陰極的正負(fù)極性顛倒可以有效地再生樹脂，產(chǎn)生的氫離子可以交換吸附在電極羧酸基上的Ni2+。

　　該CR-CGA電極對Ni2+的吸附性能穩(wěn)定，在30次吸附再生循環(huán)后，剩余的Ni2+濃度達(dá)到了排放標(biāo)準(zhǔn)。樹脂- CGA電極CDI技術(shù)可有效去除電鍍廢水中低濃度的Ni2+，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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