申請(qǐng)日2012.02.22

公開(kāi)(公告)日2012.07.18

IPC分類號(hào)C02F1/70; C02F1/28; C02F103/16; C02F1/48; C02F101/20; C02F1/52

摘要

本發(fā)明涉及一種納米零價(jià)鐵去除電鍍廢水中重金屬的方法及其裝置，所述電鍍廢水為含鋅廢水、含銅廢水、含鎳廢水、含鎘廢水或含鉛廢水中一至多種。本發(fā)明采用納米技術(shù)，提供一種密閉反應(yīng)器，反應(yīng)器由自下而上相互連通的分離區(qū)和反應(yīng)區(qū)組成，反應(yīng)區(qū)安裝攪拌器，將預(yù)處理后含有重金屬的電鍍廢水與納米零價(jià)鐵充分混合，nZVI通過(guò)吸附還原作用及共沉淀等輔助作用能一次性去除電鍍廢水中Zn、Cu、Pb、Cd和Ni等各種重金屬，去除的重金屬則附著在nZVI粒子上，分離區(qū)底部設(shè)置電磁鐵，反應(yīng)完成后接通電源即產(chǎn)生磁場(chǎng)作用力，將nZVI從電鍍廢水中分離出來(lái)。本發(fā)明操作簡(jiǎn)單、效果顯著，可一次性去除電鍍廢水中多種金屬，本方法處理成本低，去除效率高，無(wú)二次污染等特點(diǎn)。

權(quán)利要求書(shū)

1.一種納米零價(jià)鐵-電磁系統(tǒng)去除電鍍廢水中重金屬的方法，其特征在于具體步驟如下：

首先對(duì)電鍍廢水進(jìn)行預(yù)處理，將預(yù)處理后的電鍍廢水與納米零價(jià)鐵通過(guò)攪拌充分混合、接觸反應(yīng)0.5-2小時(shí)，納米零價(jià)鐵通過(guò)吸附或還原、以及絡(luò)合和共沉淀作用一次性去除電鍍廢水中Zn、Cu、Pb、Cd或Ni各種重金屬，去除的重金屬則聚集在納米零價(jià)鐵顆粒上，密閉反應(yīng)器分離區(qū)底部設(shè)置有電磁鐵，反應(yīng)完成后接通電源即產(chǎn)生磁場(chǎng)作用力，納米零價(jià)鐵與處理后的電鍍廢水分離，開(kāi)啟底板，取出聚集有重金屬的納米零價(jià)鐵，完成電鍍廢水中重金屬的有效分離：其中：納米零價(jià)鐵固含量為20～80g/L，電鍍廢水中加入的納米零價(jià)鐵凈含量為1～10g/L，所述電鍍廢水是指含鋅廢水、含銅廢水、含鎳廢水、含鎘廢水、含鉛廢水或含多種金屬的混合重金屬?gòu)U水。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米零價(jià)鐵-電磁系統(tǒng)去除電鍍廢水中重金屬的方法，其特征在于電鍍廢水的預(yù)處理是指：過(guò)濾、沉淀去除電鍍廢水中懸浮雜質(zhì)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米零價(jià)鐵-電磁系統(tǒng)去除電鍍廢水中重金屬的方法，其特征在于所述納米零價(jià)鐵平均粒徑約30～70nm，比表面積達(dá)20～40 m2/g。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米零價(jià)鐵-電磁系統(tǒng)去除電鍍廢水中重金屬的方法，其特征在于所述多種金屬是指鋅、銅、鎳、汞、鈷、鎘或鉛中至少一種。

5.一種如權(quán)利要求1所述的納米零價(jià)鐵-電磁系統(tǒng)去除電鍍廢水中重金屬的方法所使用的裝置，其特征在于包括密閉反應(yīng)器(1)、攪拌器(3)和底板(10)，其中：密閉反應(yīng)器(1)為柱體結(jié)構(gòu)，密閉反應(yīng)器(1)內(nèi)自上而下設(shè)有相互連通的反應(yīng)區(qū)(4)和分離區(qū)(5)，攪拌器(3)位于反應(yīng)區(qū)(4)內(nèi)，反應(yīng)區(qū)(4)下部?jī)蓚?cè)分別設(shè)置有進(jìn)水口(7)和出水口(8)，反應(yīng)區(qū)(4)上部設(shè)有進(jìn)藥口(9)，密閉反應(yīng)器(2)底部設(shè)有底板(10)，底板(10)一端與密閉反應(yīng)器(1)底部連接，底板(10)可開(kāi)啟或關(guān)閉，底板(10)上均勻分布有電磁鐵(11)，所述電磁鐵(11)位于分離區(qū)(5)底部，所述電磁鐵(11)連接電源。

說(shuō)明書(shū)

納米零價(jià)鐵-電磁系統(tǒng)去除電鍍廢水中重金屬的方法及其裝置

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于環(huán)保技術(shù)領(lǐng)域，涉及含重金屬電鍍廢水的凈化技術(shù)，具體為一種納米零價(jià)鐵-電磁系統(tǒng)去除電鍍廢水中重金屬的方法及裝置。

背景技術(shù)

電鍍是當(dāng)今全球三大污染行業(yè)之一。就我國(guó)而言，全國(guó)電鍍廠點(diǎn)約有15000家，每年排放出的廢水達(dá)40億m3，相當(dāng)于國(guó)內(nèi)幾個(gè)大中城市的自來(lái)水供水量。中國(guó)新的《電鍍污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》于2008年8月1日起實(shí)施，要求新建的電鍍企業(yè)排放廢水中重金屬含量必須符合新標(biāo)準(zhǔn)的要求，現(xiàn)有企業(yè)需要在2010年7月1日起執(zhí)行新的排放標(biāo)準(zhǔn)。電鍍工藝是指通過(guò)電解作用，在金屬工件表面覆蓋一薄層其它金屬或合金的方法，包括鍍前處理、鍍上金屬層和鍍后處理等過(guò)程，常見(jiàn)的有電鍍銅、鎳、鉻、銅鋅合金、銅錫合金等。鍍鋅在整個(gè)電鍍中約占一半，而鍍鋅的鈍化絕大部分采用鉻酸鹽，因而鈍化產(chǎn)生的含鉻廢水量很大，鍍鉻也是電鍍中的一個(gè)主要鍍種，其廢水量也不少。在銅件酸洗、鍍銅層的退除、鋁件電化學(xué)拋光、鋁件氧化后的鈍化等作業(yè)中也廣泛使用鉻酸鹽。電鍍廢水成分復(fù)雜，毒性大、危害性大，對(duì)生態(tài)環(huán)境有較大的破壞作用，如果其中的重金屬排入河流、湖泊、海洋，或進(jìn)入土壤環(huán)境中，會(huì)被生物富集并通過(guò)食物鏈最終進(jìn)入人體，嚴(yán)重危害人體健康。重金屬的大量排放不僅污染環(huán)境、危害人民群眾的生命健康，更是對(duì)寶貴的重金屬資源的一種浪費(fèi)。因此建立高效多功能的電鍍廢水處理方法對(duì)保護(hù)生態(tài)環(huán)境和人類健康有非常重要的意義。

常見(jiàn)的電鍍廢水處理方法主要有生化法、化學(xué)沉淀法、電解法、離子交換法以及膜分離法等。生化法投資和運(yùn)行成本低，處理效果好，但污泥量大，且處理效果受溫度和廢水中氰化物等影響，不夠穩(wěn)定;化學(xué)沉淀法產(chǎn)生大量污泥，會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染;電解法處理效果不夠理想;離子交換法以及膜分離法等成本和能耗高、設(shè)備復(fù)雜、操作時(shí)間長(zhǎng)且選擇性低。

如何設(shè)計(jì)一種更經(jīng)濟(jì)的電鍍廢水處理方法是目前迫于解決的問(wèn)題。以新材料為龍頭的新技術(shù)的迅速發(fā)展為電鍍廢水中重金屬的有效去除提供了新的手段和方法。零價(jià)鐵獨(dú)特的還原能力及表面化學(xué)使其能高效去除水體中的重金屬。早在1999年，Moller等的研究結(jié)果表明，用微米級(jí)零價(jià)鐵去除酸性巖排水中的鎘離子、銅離子等均有良好去除效果。納米零價(jià)鐵是第一代用于環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域的納米材料，其獨(dú)特的還原能力及表面化學(xué)使其能應(yīng)用于重金屬高效去除。研究表明，采用納米零價(jià)鐵去除重金屬反應(yīng)速率遠(yuǎn)高于普通零價(jià)鐵材料。Mallouk等以聚合樹(shù)脂為載體負(fù)載直徑10～30 nm 的納米零價(jià)鐵材去除水中Cr(VI)和Pb(II)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)Cr(VI)還原成Cr(III)，Pb(II)還原成Pb(0)。盡管該材料中鐵含量?jī)H為22.6%，但是反應(yīng)速率是普通鐵材料的30倍，兩個(gè)月以后去除能力仍然是普通鐵粉的21倍。2008年，Xiao-qin Li等研究表明：在pH=4～8時(shí)納米零價(jià)鐵對(duì)Cr的去除能力為180～50mgCr/g nZVI，而相同條件下微米鐵(100目)的Cr的去除能力則小于4mgCr/g Fe。5g/L的納米鐵劑量處理1000mg/L Ni溶液，去除率為65%，去除能力為0.13 g Ni/g Fe(4.43 mequiv Ni(II)/g)，遠(yuǎn)大于高嶺石等其它無(wú)機(jī)吸附材料。

目前用nZVI處理含重金屬電鍍廢水還是一種新的方法，因其操作簡(jiǎn)單、處理效果好具有較大的應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的就是針對(duì)含重金屬電鍍廢水現(xiàn)有的處理技術(shù)和手段存在的不足，提供一種納米零價(jià)鐵-電磁系統(tǒng)去除電鍍廢水中重金屬的方法及其裝置，分離出電鍍廢水中重金屬，減少對(duì)受納水體的污染。

本發(fā)明提出的納米零價(jià)鐵-電磁系統(tǒng)去除電鍍廢水中重金屬的方法，具體步驟如下：

首先對(duì)電鍍廢水進(jìn)行預(yù)處理，將預(yù)處理后的電鍍廢水與納米零價(jià)鐵(nZVI)通過(guò)攪拌充分混合、接觸反應(yīng)0.5-2小時(shí)，nZVI通過(guò)吸附或還原、以及絡(luò)合和共沉淀作用一次性去除電鍍廢水中Zn、Cu、Pb、Cd或Ni等各種重金屬，去除的重金屬則聚集在nZVI顆粒上，密閉反應(yīng)器分離區(qū)底部設(shè)置有電磁鐵，反應(yīng)完成后接通電源即產(chǎn)生磁場(chǎng)作用力，nZVI與處理后的電鍍廢水分離，開(kāi)啟底板，取出聚集有重金屬的nZVI，完成電鍍廢水中重金屬的有效分離：其中：納米零價(jià)鐵固含量為20～80g/L，電鍍廢水中加入的nZVI凈含量為1～10g/L，所述電鍍廢水是指含鋅(Zn)廢水、含銅(Cu)廢水、含鎳(Ni)廢水、含鎘(Cd)廢水、含鉛(Pb)廢水或含多種金屬的混合重金屬?gòu)U水。

本發(fā)明中，電鍍廢水的預(yù)處理是指：過(guò)濾、沉淀去除電鍍廢水中懸浮雜質(zhì)，使電鍍廢水溶液澄清，降低干擾物質(zhì)對(duì)后續(xù)納米零價(jià)鐵活性的影響。

本發(fā)明中，所述nZVI(1)平均粒徑約30～70nm，比表面積達(dá)20～40 m2/g，獨(dú)特的核殼結(jié)構(gòu)具有吸附和還原的雙重功能。

本發(fā)明中，所述多種金屬是指鋅、銅、鎳、汞、鈷、鎘或鉛中至少一種。

本發(fā)明提出的納米零價(jià)鐵-電磁系統(tǒng)去除電鍍廢水中重金屬的裝置，包括密閉反應(yīng)器1、攪拌器3和底板10，其中：密閉反應(yīng)器1為柱體結(jié)構(gòu)，密閉反應(yīng)器1內(nèi)自上而下設(shè)有相互連通的反應(yīng)區(qū)4和分離區(qū)5，攪拌器3位于反應(yīng)區(qū)4內(nèi)，反應(yīng)區(qū)4下部?jī)蓚?cè)分別設(shè)置有進(jìn)水口7和出水口8，反應(yīng)區(qū)4上部設(shè)有進(jìn)藥口9，密閉反應(yīng)器2底部設(shè)有底板10，底板10一端與密閉反應(yīng)器1底部連接，底板10可開(kāi)啟或關(guān)閉，底板10上均勻分布有電磁鐵11，所述電磁鐵11位于分離區(qū)5底部，所述電磁鐵11連接電源。

本發(fā)明中，所述進(jìn)水口7和出水口8的數(shù)量視具體情況而定。

本發(fā)明以nZVI為核心處理單元，將預(yù)處理過(guò)后的含重金屬電鍍廢水與nZVI混合，通過(guò)攪拌使nZVI和重金屬充分接觸反應(yīng)。

本發(fā)明中，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電極電位遠(yuǎn)高于鐵的金屬如Cu(II, +0.34 V)、Ag(I, +0.80 V), 納米零價(jià)鐵主要以還原方式去除;對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)電極電位和鐵接近或遠(yuǎn)低于鐵的金屬如 Cd(II, -0.40V)、Zn(II, -0.76 V)，納米零價(jià)鐵對(duì)這些目標(biāo)金屬主要是通過(guò)吸附和表面絡(luò)合的方式去除;對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)電極電位略高于鐵的金屬，如Ni(II, -0.24V)、Pb(II, -0.13V)，納米零價(jià)鐵采用吸附和還原雙重機(jī)理進(jìn)行去除。

對(duì)E0(M) ≤E0(Fe)的情況(M表示Zn2+、Cd2+、Cr2O72-等)，nZVI通過(guò)吸附的方式對(duì)重金屬進(jìn)行聚集;對(duì)E0(M) 接近或稍大于E0(Fe)的情況(M表示Ni2+、Pb2+等)，nZVI通過(guò)吸附或還原的方式對(duì)重金屬進(jìn)行分離;對(duì)E0(Fe)≤E0(M)的情況(M表示Ag+、Cu2+、Hg2+等)，nZVI主要是通過(guò)還原反應(yīng)對(duì)重金屬進(jìn)行去除。以Cr2O72-為例，nZVI的核心結(jié)構(gòu)Fe0將Cr(Ⅵ)還原成Cr(Ⅲ)后，外面包覆的FeOOH殼吸附生成的Cr(Ⅲ)形成合金氫氧化物(Cr0.67Fe0.33)(OH)3鈍化層，同時(shí)以Pb2-為例，反應(yīng)式描述如下：

3Fe0+ Cr2O72- +7H2O = 3Fe2++2Cr(OH)3+ 8OH-

≡FeOH+ Cr2O72-→≡Fe- Cr2O7-+OH-

2Fe0(s) +3Pb(C2H3O2)2+4H2O → 3Pb0(s)+2FeOOH(S)+4HC2H3O2 +2H+

通過(guò)還原和吸附的方式最終將混合液中的重金屬去除。

本發(fā)明的研究可以推及到受重金屬污染的其它對(duì)象如重金屬尾礦、污泥以及污水等，通過(guò)本發(fā)明除去的重金屬包括鉛、鎘、汞、銅、鎳、鋅、鈷等。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明利用nZVI技術(shù)，采用nZVI吸附和還原的特性，用nZVI將重金屬?gòu)碾婂儚U水中富集去除。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用，并且能耗低、成本低。

以上內(nèi)容出自國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局對(duì)外相關(guān)公開(kāi)渠道。