微電解工藝基于金屬材料（鐵、鋁等）的腐蝕電化學(xué)原理，將2種具有不同電極電位的金屬或金屬與非金屬（炭等）直接接觸，浸泡在傳導(dǎo)性的電解質(zhì)溶液中，形成無數(shù)微小的腐蝕原電池（包括宏觀電池與微觀電池），從而達(dá)到處理廢水的目的。本文針對電鍍廢水中低濃度的鎳離子，采用微電解工藝研究了鐵炭比、紊流、pH、曝氣、水力停留時間等條件對鎳離子去除率的影響，并在連續(xù)流處理情況下對比了一次過流和二次過流時出水的鎳去除率，最終實現(xiàn)反應(yīng)裝置中含鎳廢水達(dá)到GB21900–2008《電鍍污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的要求，為工業(yè)化應(yīng)用提供指導(dǎo)。

2•實驗

2.1實驗裝置

分析影響因素的試驗選用1000mL的燒杯作為反應(yīng)裝置。

動態(tài)試驗采用如圖1所示的下流式反應(yīng)床，水從高位水箱通過流量計流入反應(yīng)器（容積5L的塑料透明柱狀桶）。填料床為粒徑相同的鐵、炭顆粒均勻混合，能保證水流均勻穿過填料，減少由于壁流而造成的短流，且用網(wǎng)狀布防止床體填料滲出。反應(yīng)器的進(jìn)水管布置在微電解床中心，以盡量避免出現(xiàn)短流情況。

2.2水樣和試驗材料的準(zhǔn)備

（1）樣水的配制：取適量分析純的硫酸鎳溶于標(biāo)有刻度的20L水樣桶中。

（2）鐵屑的預(yù)處理：將深圳某車工加工廠加工完的廢鐵屑置于濃的氫氧化鈉溶液中浸泡24h，然后用清水沖洗至出水不再渾濁，風(fēng)干后稱量。

（3）活性炭的預(yù)處理：顆粒半徑為1~3mm的活性炭在清水中浸泡24h后，去除表面漂浮的活性炭，用水清洗活性炭中的碎屑至沖洗水澄清，隨后用配制的鎳離子溶液沖洗活性炭表面，然后將活性炭浸泡在鎳離子溶液中24h后備用。

2.3檢測方法

鎳離子的測量采用丁二酮肟吸光光度法[3]，配制質(zhì)量濃度為0、2.0、4.0、6.0、8.0和10.0mg/L的NiSO4標(biāo)準(zhǔn)溶液（以鎳離子計）并按照標(biāo)準(zhǔn)方法測量其吸光度，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線后擬合得到線性方程y=26.803x（其中y為溶液的吸光度，x為鎳離子的質(zhì)量濃度），其相關(guān)系數(shù)R2=0.9984。

2.4試驗方法

2.4.1鐵炭比試驗

目前，大部分研究是從質(zhì)量或體積方面對鐵炭比進(jìn)行優(yōu)化。本文中的鐵炭比是指廢鐵屑與活性炭的體積比。將經(jīng)過預(yù)處理的廢鐵屑與活性炭分別按體積比2∶1、1∶1、1∶2和1∶3均勻混合后加入到1000mL的燒杯中，用待處理的模擬廢水清洗鐵炭床兩遍，在燒杯中加入250mL模擬廢水，根據(jù)需要在搖床上以100r/min震蕩5min，對處理后水樣中的鎳離子進(jìn)行分析。實驗結(jié)束后，用清水注滿微電解柱，防止鐵屑氧化鈍化。受試驗條件限制，只能通過堆積密度對選取的鐵屑和活性炭顆粒表征。其中活性炭的粒徑在1~3mm之間，其堆積密度為0.847g/cm3。本著經(jīng)濟(jì)實用的原則，對鐵屑比表面積的要求不能過高。本實驗直接選用機(jī)械加工中的廢鐵屑，其堆積密度約為0.286g/cm3。

2.4.2pH試驗

采用質(zhì)量濃度為10mg/L的NiSO4溶液，用NaOH和HCl溶液調(diào)節(jié)不同pH，比較在搖床轉(zhuǎn)速100r/min、停留時間5min、鐵炭比為1∶1的條件下處理400mL模擬廢水時Ni2+的去除效果。

2.4.3紊流狀態(tài)試驗

試驗一：將10mg/LNiSO4溶液放在搖床上，在不同轉(zhuǎn)速下處理10min，分析去除率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系。試驗二：在不攪拌的情況下，將10mg/LNiSO4溶液置于鐵炭比為1∶1的床體上反應(yīng)不同時間，然后抽取床體表面3個不同位置的水樣進(jìn)行測量。

2.4.4曝氣試驗

在鐵炭比1∶1、攪拌速率100r/min、停留時間4min的條件下處理250mL水樣，考察不同曝氣量下鎳的去除率。

2.4.5動態(tài)優(yōu)化試驗

以上因素優(yōu)化試驗均在靜態(tài)攪拌下進(jìn)行。而在動態(tài)優(yōu)化試驗中，當(dāng)實驗設(shè)置為一次過流處理時，水樣從高位水箱進(jìn)入微電解床，控制流速為36mL/min，水力停留時間控制為1h，在流體穩(wěn)定流動0.5h后取樣分析。當(dāng)實驗設(shè)置為兩次過流處理時，水力停留時間同為1h，改流速為72mL/min，含鎳廢水在反應(yīng)裝置內(nèi)通過一次后返回高位水箱，再次進(jìn)入微電解床，在流體穩(wěn)定流動0.5h后取樣分析，并與一次過流時的結(jié)果進(jìn)行對比。

3•結(jié)果與討論

3.1影響鎳去除率的因素

3.1.1鐵炭比

如表1所示，鐵炭比對鎳去除率的影響較大。隨著炭的比例增加，鎳去除率先上升后下降，當(dāng)鐵炭比為1∶1時鎳的去除率最高，達(dá)到80%以上。

3.1.2pH

通過測定出水的pH（見圖2）發(fā)現(xiàn)，原水若為酸性，反應(yīng)后pH普遍升高，原水若為堿性，反應(yīng)后pH普遍下降，最終pH都保持在5.5~7.0。這說明微電解反應(yīng)會使進(jìn)水的pH往中性變化，在實際應(yīng)用中直接節(jié)省了調(diào)節(jié)pH所需的藥劑費用。

比較出水的Ni2+去除情況可知，隨著原水pH從2.5升至8.5，鎳去除率呈上升趨勢。進(jìn)水pH在2.5~3.0范圍內(nèi)Ni2+的去除率為負(fù)數(shù)，是因為溶液中的H+溶解了附著在鐵炭床表面的金屬鎳。當(dāng)進(jìn)水pH為6.5時，鎳離子的去除效率達(dá)到最佳。

3.1.3紊流狀態(tài)

金屬離子在鐵炭床體的擴(kuò)散主要有紊流擴(kuò)散和離子擴(kuò)散兩種形式。由圖3可以看出，轉(zhuǎn)速由0r/min（靜態(tài)）增大到100r/min時，鎳去除率的變化幅度較大，這是由于鎳離子由液相向微電解床表面的擴(kuò)散從以離子的自由擴(kuò)散為主變成以紊流擴(kuò)散為主。當(dāng)轉(zhuǎn)速大于100r/min時，鎳去除率的變化幅度不大，這是因為此時整個水體已經(jīng)處于很好的湍流傳質(zhì)狀態(tài)，混合均勻，水體中（不包括原電池表面）不存在濃度梯度。

由圖3和表2可以看出，反應(yīng)時間均為10min的情況下，轉(zhuǎn)速100r/min（紊流擴(kuò)散為主）時的鎳去除率比轉(zhuǎn)速為零時（僅離子擴(kuò)散）的鎳去除率高至少70個百分點。表2顯示，靜態(tài)反應(yīng)時間為90~120min時，鎳去除率增長緩慢，最高只有65.94%，不如轉(zhuǎn)速100r/min下處理10min時的效果（此時鎳去除率為80.51%）。

3.1.4曝氣
從圖4可以看出，曝氣量對床體處理鎳離子廢水的影響不大，主要是因為溶解氧的提高阻礙了Ni2+轉(zhuǎn)化成單質(zhì)Ni，但是空氣的沖入加強(qiáng)了流體的湍動程度，同時造成電極表面生成的Fe（OH）3脫落，增強(qiáng)了電子轉(zhuǎn)移。當(dāng)曝氣量大于120L/min時，兩種作用趨于平衡，處理效率不再發(fā)生變化，但是從經(jīng)濟(jì)角度分析，曝氣產(chǎn)生湍動會增加成本，而改用動態(tài)湍流來提高Ni2+的處理效果會更好。

3.2動態(tài)優(yōu)化試驗

實驗發(fā)現(xiàn)，停留時間為5、15或30min時，鎳離子的處理效果都不理想，鎳去除率均低于90%，無法達(dá)到GB21900–2008《電鍍污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的要求。表3給出了，在停留時間同為1h的情況下，不同過流次數(shù)對鎳離子去除效果的影響。

從表3可以看出，一次過流后pH由4.98上升到6.04，二級處理后pH升高到6.35，說明氫離子參與了微電解反應(yīng)。一次過流后，溶解氧由7.8mg/L降低到2.0mg/L，而兩次過流后只降低到2.58mg/L。溶解氧雖然不直接參與電極反應(yīng)，但是會氧化溶液中的Fe2+，形成Fe（OH）3膠體，而Fe（OH）3會造成溶液濁度增大，且不易沉淀。處理后溶液的電導(dǎo)率有所降低，主要是因為Fe置換出溶液中Ni2+的過程電荷守恒，而溶解氧的存在形成了氫氧化鐵膠體并吸附一定量的電荷，使得電導(dǎo)率下降。一次過流處理后，出水的鎳離子質(zhì)量濃度為4.37mg/L，尚未達(dá)到電鍍污染物排放標(biāo)準(zhǔn)；而經(jīng)過兩次過流處理，鎳離子質(zhì)量濃度達(dá)到了排放要求。具體參見http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

4•結(jié)論

（1）在鐵炭的體積比為1∶1情況下，鎳離子的去除效果最佳，可以達(dá)到80%以上。

（2）原水pH對處理效果影響很大。經(jīng)微電解處理后，出水的pH均趨于中性，進(jìn)水pH為6.0~6.5時效果最好。

（3）紊流擴(kuò)散條件下的鎳離子去除效果比僅離子擴(kuò)散下更明顯。曝氣也同樣能起到類似增強(qiáng)水體紊流擴(kuò)散的作用。

（4）停留時間為1h時，含鎳廢水在動態(tài)反應(yīng)裝置中以72mL/min過流兩次后，出水鎳離子的質(zhì)量濃度可以達(dá)到電鍍污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，明顯優(yōu)于36mL/min時過流一次后的處理效果。

（5）用機(jī)械加工廠廢置的鐵屑來實現(xiàn)電鍍廢水的微電解處理，具有處理設(shè)備簡單、處理費用低廉、去除率高等優(yōu)點，具有較高的推廣應(yīng)用價值。