离子交换法处理镍废水

三废治理技术课程
离子交换法处理含镍废水工艺方案
离子交换法处理含镍废水工艺方案
一、概述
镀镍作为一种常用的表面处理技术,被广泛的应用于电子、汽车、机械等多种行业。

含Ni2+的废水对人体健康和生态环境有着严重危害。

含镍废水的常见处理方法有化学沉淀法、真空蒸发回收、电渗析、反渗透及离子交换树脂吸附等。

化学沉淀法成本低,但产生的固废需要二次处理;真空蒸发法能耗大;电渗析、反渗透法需要较大的设备投资和能耗,而且存在膜易受污染的问题[1]。

离子交换技术因出水水质好,可回收有用物质,适用于处理浓度低而废水量大的镀镍废水等优点,曾得到广泛的应用。

离子交换法应用于镀镍废水处理的主要功能有:(1)去除重金属镍离子,以应对日趋严格的排放标准;(2)回收废水中有价值的金属镍;(3)提高水的循环利用率,节约日益匮乏的水资源;(4)减少环境污染。

随着人们对镀镍废水资源化的兴趣越来越浓厚,离子交换技术作为电镀废水深度处理的有效方法再度引起重视。

二、原理
离子交换树脂是具有三维空间结构的不溶性高分子化合物,其功能基可与水中的离子起交换反应。

镀镍废水中的Ni2+离子采用阳离子交换树脂吸附。

所用树脂可以是强酸性阳树脂也可以是弱酸性阳树脂,本文以弱酸性阳树脂为例。

采用弱酸性阳树脂交换时,通常将树脂转为Na型,因为H型交换速率极慢。

含Ni2+废水流经Na型弱酸性阳树脂层时,发生如下交换反应:
2R-COONa+Ni2+→(R-COO)
2
Ni+2Na+
水中的Ni2+被吸附在树脂上,而树脂上的Na+便进入水中。

当全部树脂层与Ni2+交换达到平衡时,用一定浓度的HCl或H
2SO
4
再生。

(R-COO)2Ni+H
2SO
4
→2R-COOH+NiSO
4
此时树脂为H型,需用NaOH转为Na型。

R-COOH+NaOH→RCOONa+H
O
2
如此树脂可重新投入运行,进入下一循环。

废水经处理后可回清洗槽重复使用,洗脱得到的硫酸镍经净化后可回镀槽使用[2]。

三、工艺方案论证
1.树脂的选择
目前能处理含镍废水的树脂很多,其性能和特点各不相同,所以选择合适的树脂是工艺中一个主要的问题。

能够用于处理含镍废水的树脂中以丙烯酸型弱酸性阳离子交换树脂较多,常用的有110#、725#、116#以及111X22#等树脂。

732苯乙烯系强酸性阳树脂也能吸附镍离子,而且具有机械强度好、粒度均匀、阻力较小等特点,但一般适宜高浓度含镍废水的处理。

工厂含镍废水浓度多选用交换容量高、交换速度快、容易再生、机械强度高、膨胀度小的1llx22#弱酸阳树脂。

[3]
2.树脂的预处理
(1)将准备使用的新树脂,先用热水反复浸洗,水温以60-70℃为宜,15分钟换水一次,洗至泡沫很少为止。

(2)用二倍树脂体积的硫酸铵浸洗30分钟。

(3)水洗至PH5(最好用去离子水)。

(4)用二倍树脂体积4％多的Na0H浸洗30分钟。

(5)水洗至pH9,待用。

离子交换处理镀镍废水,以前主要是固定床双柱串联工艺流程,近年来与移动床镀铬废水处理一样,发展到移动床镀镍废水处理。

其功能越来越全,占地越来越小。

为不使设备在饱和树脂排放再生以后影响废水的交换,装置上备有树脂储存斗一只,为使设备功能齐全,操作方便,装置包括水泵、流量计、过滤器、气泵、树脂再生系统以及电源控制部分。

[4]
废水处理工艺流程
1.废水的交换：
工作时,水泵将含镍废水从废水池抽入过滤器,废水从过滤器出来,经流量计后逆流进交换柱,从交换柱顶部出来的水,就是己经去除了Ni2+离子的水了,其反应如下:
Ni+2Na+
2R-COONa+Ni2+→(R-COO)
2
漂洗废水中除含有Ni2+外,还有自来水中含有的Ca Z+、Mg Z+等其它阳离子,有如下反应:
Mg+2Na+
2R-COONa+Mg Z+=(RCOO)
2
Ca+2Na+
2R-COONa+Ca Z+=(RCOO)
2
在正常情况下,阳离子在交换柱内的分布如图：
从有机玻璃交换柱可以洁晰地吞到,树脂被压力水均匀地托起,被托起的树脂层与布水板之间距离约100毫米,随着吸附的进行,吸附了镍离子变成绿色的树脂交换带,明显地由下而上逐步推移。

当交换带移至交换柱三分之二处时,交换柱底部树脂颜色已很深,达到了饱和。

可将这一部分约交换柱四分之一的全饱和树脂,靠高位水箱的水压送至交换柱边上的再生柱中进行再生,同时将树脂储存斗中再生好的新鲜树脂排入交换柱中,这样交换柱上部始终保持一段新鲜树脂,故排出的水用一般分析方法验不出镍离子,可重新返冲洗槽回用。

因为树脂吸附了Ni2+后,体积缩小30多以上,为防止工作时树脂乱层,在最初使用阶段,应视树脂体积收缩情况,逐步向交换柱添加新鲜树脂,始终保持交换柱内树脂高度为1400毫米。

废水处理流程
弱酸性阳树脂对水中各种阳离子在浓度相同的情况下,对阳离子的交换顺序为: H+>Fe3+>A13+>Ca2+>Ni2+>K+>Na+
以上可以看出,弱酸性阳树脂对Ni2+的吸附顺序在Fe3+、A13+、Ca Z+的后面,但是当Ni Z+含量浓度超过其它离子浓度的情况下,Ni2+的交换势将高于其它离子,而吸附在交换柱的最低部。

所以为了能更好地去除Ni2+,应该降低冲洗水的用量,从而提高了废水中Ni2+的浓度,便于树脂的交换。

2.树脂的再生和树脂的输送
再生时,由于树脂收缩膨胀率较高,即树脂吃饱Ni2+后,体积缩小30-40%,当树脂再生转成Na+型后,又将恢复到原来的体积,所以再生柱内饱和树脂不能放满,一般只能放到再生柱的3/5之处,这样可以避免树脂转型后胀坏再生柱。

树脂再生时,先用再生树脂体积2倍的3N套用H
2SO
4
:溶液顺流再生,并直接
回收,NiSO
4·7H
2
O,洗脱液中硫酸镍约含200-250克/升,pH在3.5以上,再生反应
如下：
(R-COO)
2
Ni+2H+→2RCOOH+Ni2+
由于含少量钙、镁等离子,故还有以下反应:
(R-COO)2Ca+2H+→2RCOOH+Ca2+
(R-COO)2Mg+2H+→2RCOOH+Mg2+
以上反应可能使回收液中增加了Ca2+、Mg2+离子,少量Mg2+在镀镍槽里影响不大,反而具有一定的好处,而Ca2+则与SO
4
2-生成沉淀。

Ca2++SO
42-→CaSO
4
↓
所以为了除去Ca2+的积累,可以将回收的硫酸镍静置后沉淀除去,而利用其上部清液。

当套用再生液用完后,开始用1.5倍再生树脂体积4N的H
2SO
4
再生树脂,此液
经过再生柱后回到套用酸槽内,以备下次再生时先用。

待树脂全部再生后,用水正反冲洗洗净,然后用2倍再生树脂体积3％的NaOH溶液流过树脂,将树脂转成钠型(转成钠型后,Ni2+容易吸附交换)。

转型后的树脂体积将增加30％以上,这时用软水(或纯水)充分淋洗树脂,然后利用水箱与设备的液位差将树脂输送到再生柱上面的树脂储存斗中备用。

从而完成了废水处理、树脂再生以及树脂移动的·全过程。

[5]
四、结束语
随着新型大孔型离子交换树脂和离子交换连续化工艺的不断涌现,在镀镍废水深度处理、高价金属镍盐的回收等方面,离子交换技术越来越展现出其它方法难以匹敌的优势。

为了提高水的循环利用率和符合日趋严格的排放标准,预期的离子交换技术将与微机控制技术联用,使设备设计走向定型化、自动化,开创废水处理领域一片新天地。

参考文献：
[1] 李姣,杨春平,陈宏,等.络合剂对化学镀镍废水处理的影响[J].环境工程学报, 2011(8):1713-1717.
[2] 李春华.离子交换法处理电镀废水[M].北京:轻工业出版社,1989.104-105.
[3] 罗耀宗.移动床离子交换树脂处理含镍废水[J] 水处理技术1986.voL12
[4] 沈品华.电镀废水治理方法探讨[J].电镀与环保,1998,18(5):28-31.
[5] 万兴荣.离子交换法处理电镀含镍含铜废水[J] 环境科学。