电渗析在不锈钢酸洗废水中回收镍的应用

摘要：不锈钢在冶炼和加工的过程中，会产生一层氧化膜，需要通过酸洗工艺进行处理，而产生的不锈钢酸洗废水中含有大量的重金属离子，尤其是镍离子。本文以离子交换膜为例，探讨了从不锈钢酸洗废水中回收镍的方法，希望能够为相关的工作提供一定的参考。

关键词：不锈钢;镍离子;PH;电渗析

中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2019）09-00-01

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2019.09.026

Application of electrodialysis in recovery of nickel from stainless steel pickling wastewater

Han Xiaowei

（Jiangsu Kewen Environmental Protection Technology Co.，Ltd.，Nantong Jiangsu 226600，China）

Abstract：In the process of smelting and processing of stainless steel， a layer of oxide film is produced， which needs to be treated by acid pickling process. The stainless steel acid pickling wastewater contains a large number of heavy metal ions， especially nickel ions. Taking ion exchange membrane as an example， this paper discussed the method of recovering nickel from stainless steel pickling wastewater， hoping to provide some reference for related work.

Key words：Stainless steel;Nickel ion;PH;Electrodialysis

1 实验情况

1.1 原料

本实验的废水在配制过程中，严格按照不锈钢生产企业产生的不锈钢酸洗废水的标准，其中pH=1.2，镍离子浓度为150mg/L，实验的试剂包括C4H4Na2O6·2H2O、HNO3、Ni（NO3）2·6H2O。

1.2 裝置

本实验使用直流电进行电渗析，将电渗析槽用阳离子膜和阴离子膜分为三部分，一部分作为阳极室，注入稀硝酸，一部分作为阴极室，注入酒石酸钠，中间的部分作为中间室，注入不锈钢酸洗废水。其中，阳极采用石墨电极，而阴极采用不锈钢电极。

1.3 原理

因为阴离子膜和阳离子膜具有离子交换功能，比如阴离子膜只允许阴离子的通过，如果出现溶液中含有阳离子时，就会阻止阳离子的通过，而阳离子膜的功能与阴离子膜恰好相反。在直流电的作用下，电渗析槽中间室内的不锈钢酸洗废水中的Ni2+会穿过阳离子膜，进入阴极室，然后与酒石酸根形成配阴离子，而NO3-等阴离子会穿过阴离子膜进入阳极室，发生交换之后，中间室中不锈钢酸洗废水的重金属离子浓度会显著降低，可以满足排放标准[1]。

2 实验结果

2.1 方法

本实验在测定溶液pH时，使用的是北京格勒普高新技术有限公司生产的全新pH计，型号为PH-9703，电源：AC220V±22V;防护等级：IP65;工作条件：环境温度0～60℃，相对温度≤90%;双高阻输入电路：低内阻pH电极，仪器稳定性好，响应快，抗干扰强。本实验在对镍离子的浓度进行测量时，使用的是上海元析仪器有限公司生产的UV-8000ST触屏版双光束紫外可见分光光度计，它采用10寸高清彩色智能触摸屏，内置32G内存，支持WIFI连接网络，并且具备强大的数据分析功能，主机内置电脑，可输入校正曲线，可独立完成光度测量、定量测量、光谱扫描、动力学、DNA/蛋白质测试、多波长测试及数据打印等操作。

2.2 影响

2.2.1 电渗析时间

实验的温度为25℃，电流密度为220A/m2，极板距离为12cm，阳极室内的HNO3浓度为0.15mol/L，阴极室的C4H4Na2O6·2H2O浓度为0.22mol/L。随着电渗析时间的推移，中间室中不锈钢酸洗废水中Ni2+的浓度逐渐降低，最后达到一个最小值，然后不再发生明显变化。也就是说，Ni2+在直流电的作用下，发生了定向迁移，经过阳离子交换膜进入阴极室，并且形成了Ni（Tar）22-，正是因为形成了这样的金属配阴离子，才有效阻止了镍离子重新回到中间室。当电渗析开始后的1～2h内，镍离子的浓度急剧下降，但是当电渗析开始12h后，镍离子的浓度基本不会再发生变化，经检测，发现浓度为0.543mg/L，回收率高达99.77%。

2.2.2 酒石酸钠浓度

最开始时，中间室中镍离子的浓度高于阳极室和阴极室，那么浓度差也会加快镍离子的迁移速度，当镍离子进入阴极室后，也会与酒石酸根离子形成配阴离子，所以阴极室内的镍离子浓度较低，可以很好地维持阳离子交换膜两端的Ni2+浓度差，也就是说，Ni2+不仅受到了直流电的作用，还受到浓度差的影响。但是如果阴极室中酒石酸根溶液的浓度较低，那么产生的酒石酸根离子就会很少，这样就不能与Ni2+完全反应，这种情况下，Ni2+的迁移速度会逐渐变缓所以在实验之初，要保证酒石酸钠溶液的浓度足够高，经过实验发现，当阴极室中C4H4Na2O6·2H2O的浓度为0.22mol/L时，Ni2+的迁移速度最快，如果继续增加C4H4Na2O6·2H2O的浓度，迁移速度没有明显变化[2]。

2.2.3 溶液pH

经过实验发现，pH在6.8～9.2之间，C4H4Na2O6·2H2O可以电离出足够多的酒石酸根离子，并且与镍离子形成配离子，而且中间室和阴极室的化学反应不会对彼此产生干扰，所以pH不会影响镍离子的回收率。但是如果渗析时间过长，pH会逐渐降低，不利于酒石酸根的产生，如果实验开始时溶液的pH较高，镍离子会形成氢氧化物，在一定程度上降低了镍离子的回收率。有鉴于此，在处理不锈钢酸洗废水时，要保证阴极室内溶液的pH在6.8～9.2之间，而且这一范围比较宽泛，很容易进行控制。

2.2.4 极板距离

这里需要注意的是，极板之间的距离会对镍离子的回收率产生一定的影响。一般而言，极板之间的距离越大镍离子进入阴极室的路径就越长，如果电流的密度和电渗析的时间相同，那么镍离子的回收率就会越低，而且极板之间的距离不断增大，也会升高电渗析槽的电压，增大能耗，所以需要尽量减少极板之间的距离。实验表明，当极板之间的距离每增加2cm，镍离子的回收率就会下降5%.具体的情况如表1所示。

2.2.5 电流密度

在相同的电渗析时间下，随着电流密度的增大，镍离子的迁移速度变得越来越快，中间室中镍离子的浓度下降情况十分明显。但是如果电流密度过大，就会导致阴极室内的溶液出现离子贫化现象，进而引起氢离子放电，致使金属沉积层不够均匀，所以要合理控制电流的密度，一般而言，电流密度在220～280A/m2之间时，镍离子的回收效果良好。

2.2.6 循环次数

对于本实验采用的电渗析槽，它分为三室，阳极为石墨板，而阴极为不锈钢板。当电渗析进行15h后，对中间室中的不锈钢酸洗废水进行检测，使用UV-8000ST触屏版双光束紫外可见分光光度计，发现镍离子的质量浓度为0.502mg/L，完全符合污水排放标准，而且阳极室内溶液的pH显著下降，酸根离子在阳极室内大量聚集，同时镍离子在阴极室内大量聚集，阴极室的pH有所上升。

在第一次電渗析结束后，将中间室内的不锈钢酸洗废水进行排放处理，然后注入新的不锈钢酸洗废水，进行第二次电渗析，需要注意的是，阳极室和阴极室的溶液保持不变。在此基础上循环了八次之后，对中间室的溶液进行检测，发现仍然满足排放标准，在对阴极室的溶液进行检测时，发现有33.2%的镍离子沉积在阴极上，而余下的66.8%镍离子存在于溶液中，可以很好地进行回收。

3 结论

综上所述，从实验结果我们可以发现，离子交换膜可以很好地降低废水中镍离子的浓度，而且避免镍离子发生水解反应，使得大量的镍离子在阴极室溶液中聚集，从而进行统一回收。

参考文献

[1]杨依然.用生物淋滤技术资源化处理不锈钢酸洗废渣[D].北京：北京理工大学，2016.

[2]尹建云.不锈钢酸洗废水中金属离子的资源化利用研究[D].重庆：重庆大学，2017.

收稿日期：2019-07-02

作者简介：韩小巍（1987-），男，汉族，大专学历，助理工程师，研究方向为工业废水处理回用。