氟化物沉淀脱除含锰废水中的钙离子

2017-03-15 08:52:24 14

  电解锰生产过程中产生的废水主要来源于洗板、电解槽冷却 、压滤机清洗 、钝化及极板清洗和场地清扫 。另外,矿渣堆厂也有大量废水产生。该类废水排放量较大、水质较复杂 ,并含有大量金属离子 ,如直接排放将严重污染环境,同时造成锰资源的损失 。 若将此废水回收处理后用于电解锰生产,则可实现锰资源的有效利用。含锰废水处理比较复杂,处理过程中需综合采用 多种方法和工艺,方能达到最好的处理效果〔1〕。拟采用预处理—膜浓缩—电解集成技术处理含锰废水 以回收电解锰 ,但由于废水中还含有大量钙离子 ,在处理浓缩过程中会产生沉淀,影响膜的效率和寿命。 因此,在预处理过程中去除钙离子是实现此类废水回收利用的关键步骤 。

  目前 ,脱除钙离子主要采用化学沉淀法和吸附法。 化学沉淀法的处理效果较为理想,相关研究较多,刘洪钢等 〔2〕以氟化锰沉淀脱除锰矿浸出液中的钙镁,林才顺 〔3〕研究了湿法制备硫酸镍过程中钙 、 镁离子的去除 ,赵立新等〔4〕采用复合除钙剂对含锰废水进行处理。 而吸附法的处理量和处理效果并不理想〔5〕。因此笔者采用化学沉淀法,考察了不同沉淀剂对含锰废水的处理效果 ,实验效果较好,可供实际工程应用参考与借鉴。

  1 实验部分

  1.1 实验原理

  由热力学数据可知 ,CaF2 溶度积较小 ,而 MnF2 的溶度积较大,因此氟化物是一种很好的 Ca2+沉淀剂 。 在 20 ℃ 、100 g 水中 ,MnF2 的溶解度为 1.06 g, CaF2 的溶解度为 0.015 g。

  实验过程中 ,向废水加入氟化物会生成 CaF2 沉淀,过滤后可分离钙、 锰离子。

  

  1.2 原水水质

  1.2 原水水质实验用水为某公司电解锰废水及矿渣浸出液废水的混合液 (pH=6),其水质见表 1 。

  1.3 试剂及仪器

  NaF、NH4F、MnF2 均为分析纯 ,北京华业寰宇化工有限公司提供。

  Mn2+、Ca2+采 用 Plasma1000 ICP-AES 电 感 耦 合等离子体原子发射光谱仪 ( 北京纳克分析仪器有限公司 ) 进行测定 ; pH 采用 P33A1NN 型 pH 计 ( 美国哈希公司 ) 进行测定 。

  1.4 实验条件

  实验中每份水样均取200 mL,在室温条件下( 20 ℃ ) 加入适量的沉淀剂,搅拌一定时间,搅拌速率为60 r/min,用慢速滤纸过滤,取滤液进行测定 。

  2 结果与讨论

  2.1 沉淀剂的选择

  在本实验条件下采用磷酸盐作沉淀剂时 ,随着 Ca2+去除率的增加 ,Mn2+损失量也大幅增加 ,最优实验条件苛刻 〔6〕。

  采用氟化物作沉淀剂时,首先试用了 MnF2。 MnF2 具有较高的钙去除率,且不会带入新的杂质离子,但 MnF2 溶解度较小,在实验过程中损失较多,且试剂昂贵不适合于工程应用,因此本实验未作深入研究 。 选用 NH4F 时,随着其用量的增加,钙离子去除率增加缓慢,而滤液 pH 下降较快,当去除率达到 50%时,pH<3。 在 NH4F 进行沉淀过程中存在 2 个平衡:

  

  

  要使钙离子沉淀完全,就必须有足够浓度的 F-,而如果 pH 太低 (<3),沉淀剂中的 F-会与其生成 HF,一方面严重腐蚀设备,同时也减少了参与反应的 F- 数量,降低钙离子的脱除效果 〔2〕。

  最终选择 NaF 作沉淀剂,除钙效果良好,并考察了沉淀剂用量、pH、搅拌时间等因素对钙离子去除率的影响 ,得到最优化条件。

  2.2 沉淀剂用量( 用量系数 )的影响

  在室温、 原水 pH 为 6 的条件下 ,投加不同量的 NaF,搅拌 60 min,静置 60 min,考察用量系数 (NaF 物质的量与理论所需 NaF 物质的量之比 ) 对钙离子去除率的影响 ,结果见图 1 。

 图 1 用量系数对钙离子去除率的影响

  从图 1 可以看出 ,用量系数 <1.3 时 ,钙离子去除率随用量系数的增加呈线性增加趋势 ,而当用量系数达到 1.3 后 ,钙离子去除率变化较小 ,基本呈水平趋势 。 用量系数为 1.0 时钙离子去除率为 91.3%,没有达到理论去除率 ,这是因为废水中含有少量 Mg2+,而 MgF2 溶度积与 CaF2 溶度积相差不大 ,因此在 NaF 加入过程中会 产生少量 MgF2、Ca(Mn)F2 沉淀 〔7〕,造成 NaF 的损耗。

  此外当用量系数达到一定值时 ,再增加 NaF 用量对钙离子的脱除效果无明显影响 ,还会产生 MnF2 沉淀,造成 Mn2+损失。 因此综合考虑,选择最佳用量系数为 1.1~1.3。

  2.3 陈化时间( 静置时间 )的影响

  陈化是指沉淀定量完成后 ,将沉淀和母液放置一段时间 。当溶液中的大小晶体同时存在时 ,由于微小晶体比大晶体溶解度大,溶液对大晶体已经达到饱和 ,而微小晶体尚未达到饱和 ,因而微小晶体逐渐溶解,大晶体不断长大,获得了粗大晶体。 可见,陈化时间会影响沉淀的生成。

  考察了用量系数为 1.3 、 搅拌时间为 60 min 的条件下静置时间对钙离子去除率的影响 ,结果如图 2 所示 。

 图 2 静置时间对钙离子去除率的影响

  由图 2 可以看出,钙离子去除率随静置时间的延长缓慢增加,60 min 后钙离子去除率基本不再增加 。 由于 CaF2 晶体为纳米晶 ,在过滤过程中容易出现部分穿滤,而随着静置时间 ( 即陈化时间 ) 的增加 ,晶粒长大 ,有利于过滤,但因晶粒生长速率较慢 ,较短时间内对实验结果影响不明显。因此,本实验中选取 60 min 为最佳静置时间 。

  2.4 搅拌时间的影响

  在用量系数为 1.3、pH=6 的条件下,考察搅拌时间对钙离子去除率的影响,见图 3。

 图 3 搅拌时间对钙离子去除率的影响

  从图 3 可以看出,搅拌时间超过 60 min 后,钙离子去除率已基本稳定。由于搅拌会加强溶液湍动,减少扩散层厚度,有利于沉淀晶粒的长大,促进晶核生成,但搅拌时间继续增加,晶核长大速率基本不变,因此搅拌时间选择 60 min 为宜。

  2.5 pH 的影响

  在用量系数为 1.3,搅拌时间为 60 min,静置时间为 60 min 的条件下 ,考察 pH 对钙离子去除率的影响 ,结果见图 4。

 图 4 pH 对钙离子去除率的影响

  从图 4 可以看出,较低 pH 条件下的钙离子去除率较低,当 pH >6,pH 变化对钙离子去除率影响不大。 这是由于 pH <6 时 ,溶液中的 [H+] 增加 ,一部分 F-参与生成氢氟酸 ,与生成 CaF2 的反应形成竞争 。另一方面,CaF2 在强酸性条件下会少量溶解 ,也减少了 CaF2 的沉淀物。 实验中同时发现,pH>8 时过滤液中的 Mn2+开始下降 ,当 pH=8.5 时 ,过滤液中 Mn2+ 的质量浓度降为 3840 mg/L,锰离子损失率为 4%,这主要是因为 pH 升高容易产生 Mn(OH)2沉淀。 因此,实验中原水的pH 宜为 6。具体参见污水技术资料更多相关技术文档。

  3 结论

  由上述实验可知,利用 NaF 沉淀分离含锰废水中的钙离子是可行的。实验结果表明,用量系数、 搅拌时间 、静置时间的增加都会促进钙离子的去除,而水样 pH 为 6~9 时,钙离子去除率较高。 综合考虑工程应用,确定最优实验条件: 用量系数为 1.3,搅拌时间为 60 min,静置时间为 60 min,pH=6,在此条件下钙离子去除率可达 97.9%,而锰离子损失率<0.5%,可为实际工程应用提供一定参考。

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