【摘 要】本文所講述是一種自制的超細(xì)納米級電氣石粉制成的納米電氣石粉沉析軟化填料（簡稱NPS填料）對含銅鎳電鍍廢水小試試驗研究。通過小試試驗發(fā)現(xiàn)NPS填料對污水中銅鎳的去除效率通常為74%～78%，并隨著接觸過濾時間增長并沒有明顯的效率提升；而經(jīng)過過濾后其處理效率可達(dá)90%以上，一般采用5μm級別的過濾時銅鎳去除效率可提升至94%；一般在5～10min的接觸時間（水力負(fù)荷為44.4～88.8m?污水/（t填料·h））就可以滿足工業(yè)化使用要求。

【關(guān)鍵詞】納米 電氣石 銅鎳重金屬離子

1引言

電氣石是化學(xué)組成復(fù)雜的環(huán)狀結(jié)構(gòu)的硅酸鹽復(fù)鹽礦物，化學(xué)成分包括B2O3、SiO2、Fe3O4、A12O3、Li2O、MnO2、Na2O、MgO等。電氣石具有壓電性和熱電性兩種特征性狀，在溫度、壓力發(fā)生變化的情況下，能引起電氣石晶體的電勢差，使周圍的介質(zhì)發(fā)生電離，被擊中的電子附著于鄰近的水和氧分子并使它轉(zhuǎn)化為羥基自由基（·OH），進(jìn)而化合成為一水合羥基負(fù)離子（H3O2-）。

發(fā)生的負(fù)離子在水中等介質(zhì)中存在時具有較強的氧化和堿性，可以將還原性污染物質(zhì)凈化分解。因此，電氣石是一種很好的環(huán)境凈化材料，可以用于水中重金屬離子污染凈化以及還原性污染物質(zhì)的凈化。

在目前的各種應(yīng)用領(lǐng)域中，電氣石往往都是以粉體形態(tài)出現(xiàn)的。長期的實踐證明，粉體顆粒粒徑越小，其比表面積更大，其壓電性、熱電性發(fā)揮的效果將會更好。例如，在功能纖維中填充電氣石粉，要求中位徑小于或等于0.5μm，97%小于或等于3.0μm。[1-4]

本文用d50約等于100nm的納米級電氣石粉末復(fù)配燒結(jié)后制成的納米電氣石粉沉析軟化填料（以下簡稱NPS填料，Nano Particle Softening），并對某電鍍廢水中含銅鎳廢水中重金屬去除效果進(jìn)行小試試驗考察：①不同過濾方式實現(xiàn)的沉析凈化效率；②不同水力停留時間下的凈化效率。

本小試試驗所用的經(jīng)復(fù)配燒結(jié)而成的超細(xì)納米級電氣石粉是委托北京樂柏奇研究所加工，電氣石納米粉加工精度d50=100±15nm，以粘土做芯，表層用納米級電氣石粉末包裹0.5mm厚度結(jié)構(gòu)，并為加強電氣石粉末效果混合能量材料粉末高溫?zé)Y(jié)而成，其物理性質(zhì)為：顆粒粒徑4±0.25mm，干時堆積密度是：0.75t/m?，浸水瀝干后的堆積密度是：1.01t/m?，有效孔隙率為：38%，單顆填料球的比重為1.97。

2 NPS填料化學(xué)反應(yīng)機理

電氣石，又名托瑪琳（Tourmaline）是具有壓電效應(yīng)的一種天然礦物晶體，但是這些物質(zhì)在自然界狀態(tài)下極性抵消等原因而不能明顯的表現(xiàn)在其電能特性。采用納米級加工（d50≈100nm），在微觀角度情況下就可使其壓電性作用充分發(fā)揮出來，這樣能在材料外接壓力變化時（正壓或負(fù)壓均可），其表面由于存在的電子形成無數(shù)永久微電場。如果將其制作成粉狀，粉末間距極小，極小的間距另少量的正負(fù)靜電核產(chǎn)生出巨大的靜電能量場。這電場強度之大以至于能使NAP填料周圍的水分子發(fā)生微電解，產(chǎn)生帶正電的氫離子（H+）和帶負(fù)電的羥基，即氫氧基（·OH）。兩個氫離子（H+）得到電子補充后變成氫氣（H2↑）放入空氣中。剩下的羥基（·OH）與周圍的另一個水分子結(jié)合成羥基負(fù)離子（H3O2-）。

其化學(xué)公式如下：

由于整個反應(yīng)中的產(chǎn)品是羥基自由基和氫氧根離子，因此整個水環(huán)境的pH值會急劇升高，所以造成水環(huán)境中的諸如鈣鎂銅鎳等金屬陽離子發(fā)生化學(xué)合成反應(yīng)形成氫氧化物金屬堿，且從水中析出并在事宜的條件下聚集凝聚成固態(tài)懸浮物，因此可以通過過濾和沉淀的方式進(jìn)行去除，從而實現(xiàn)水的軟化和重金屬離子的凈化。

3實驗?zāi)康?、原料、設(shè)備、試驗參數(shù)

3.1小試試驗?zāi)康?/p>

本小試實驗主要目的是考察NPS填料的重金屬離子的沉析凈化效果，通過數(shù)據(jù)確定適宜的接觸時間（HRT）并進(jìn)而確定合理的NPS填料的水力負(fù)荷范圍，同時解決處理過程中副產(chǎn)物水渣影響的問題。

其污水取自某大型金屬加工公司電鍍車間含銅鎳廢水。電鍍廠污水一般是生產(chǎn)線中的退水，生產(chǎn)用水為純凈水，故水中其含鈣鎂等常見堿金屬陽離子的含量極小，幾乎為零，可以忽略不計，污水中金屬陽離子一般以生產(chǎn)線中的重金屬銅鎳為主。

同時由于污水中含有少量的SS，因此為確保試驗的穩(wěn)定性，首先調(diào)節(jié)pH到中性，通過PAC投加20mg/L的絮凝沉淀的方式將水中的SS去除后制成試驗用水，而后再進(jìn)行小試試驗考察NPS填料的效果（如圖1）。

因此本實驗所采用的試驗原水為綜合池中經(jīng)過中和絮凝沉淀后的電鍍廢水上清液。

試驗裝置的小試運行參數(shù)為：廢水的過濾流速控制在0.8±0.1L/min之間，且濾罐的真空度調(diào)節(jié)為0.2±0.02MPa（保壓）之間穩(wěn)定勻速運行。

3.2小試工藝流程及試驗方案

本次小試擬采用試驗裝置的工藝流程如圖2。

本實驗裝置只有NPS保壓濾罐一處填裝納米電氣石粉沉析軟化填料，其中采用8組相互串聯(lián)的塑料濾罐，每個罐體長20cm直徑6cm填充量225gNPS填料，8組合計使用填料1.8kg。

流量可調(diào)節(jié)約0.6-1.0L/min，工作壓力0.35MPa，試驗機采用循環(huán)處理方式，即一遍遍的反復(fù)過水處理，根據(jù)每邊的流量可以算出其在填料中的水力停留時間（HRT），在不同的水力停留時間時，通過采樣化驗其中的水質(zhì)情況來判斷處理效果。

由于出水中含有大量的堿金屬氫氧化物水渣，而后續(xù)沒有絮凝沉淀工藝，出水水樣經(jīng)過過濾后再送檢測試銅鎳離子濃度。

3.3試驗步驟

首先，取綜合池原水一桶，投加氫氧化鈉溶液后將pH調(diào)整到中性后，投加20mg/LPAC絮凝劑和0.1mg/LPAM助凝劑，混凝1min，再沉淀30min后，取上清液10L作為“原水”。

然后，再采用試驗機一遍一遍地進(jìn)行“NPS負(fù)壓壓力過濾”。

最后，在指定次數(shù)試驗機出水水質(zhì)經(jīng)過過濾處理后再分析水質(zhì)，過濾方式分為快速濾紙、慢速濾紙過濾和0.45μm微孔濾膜過濾三種方法，以模擬在日常工程中的絮凝沉淀過濾工藝水質(zhì)效果。

首先對其電鍍廢水進(jìn)行技術(shù)初探，通過反復(fù)12遍負(fù)壓“過濾”后。每3次過濾進(jìn)行取樣，并采用“不過濾”、“快速濾紙過濾（100μm精度）”、“慢速濾紙過濾（5μm精度）”、“微孔濾膜過濾（0.45μm精度）”分別進(jìn)行過濾后，在做銅鎳指標(biāo)的水質(zhì)分析。由于每次試驗機水泵流量不同，因此需要根據(jù)當(dāng)時實驗流量進(jìn)行記錄，并計算每次的水力停留時間，并作為設(shè)計依據(jù)。

3.4監(jiān)測項目：

本試驗重金屬銅鎳指標(biāo)的數(shù)據(jù)采用北京普析通用儀器有限責(zé)任公司的TAS-900型原子吸收分光光度計進(jìn)行測量。

對原水及特定的HRT及其過濾方式的出水測定銅鎳離子濃度。同時檢測水流速并核算水力負(fù)荷及HRT。

4試驗結(jié)果

經(jīng)過測試，本電鍍廢水原水中含總銅為7.457mg/L、總鎳為8.474mg/L，通過NPS填料負(fù)壓過濾后按照設(shè)定階段取樣，并過濾測試，其出水pH均在10～11之間，并隨接觸時間提升有緩慢的提升。對過濾方式和接觸時間的檢測數(shù)據(jù)和計算結(jié)果整理如下（如表1、表2、圖3、圖4所示）。

小試實驗結(jié)論：（1）銅鎳廢水經(jīng)NPS填料過濾后有明顯的去除效果。通過過濾方式不同發(fā)現(xiàn)其水中存在大量水渣，不過濾僅考材料自身的截留吸附，則銅鎳的去除率僅有74～78%，可以通過過濾的方式進(jìn)行去除水渣，經(jīng)過過濾會提高到92～96%。（2）從總銅在反應(yīng)器內(nèi)采用快濾紙和慢濾紙過濾后銅的濃度之間的差距變化來看，停留時間越長則銅水渣顆粒越大，幅度很大。且隨著處理時間的推移，并沒有得到有效的提升，基本上有5～10min的停留時間就已經(jīng)有較高的去除效果。而金屬鎳離子早期去除率極高，但隨著接觸時間增加到10min以后開始出現(xiàn)緩步反彈的異常情況，這與實際工程堿性沉淀法去除銅鎳離子出現(xiàn)兩者難以同時降低至0.5mg/L的異常情況有些類似，因此該技術(shù)HRT應(yīng)控制在10min以內(nèi)的高效區(qū)。如按照HRT=5～10min計算，則相當(dāng)于NPS填料的水力負(fù)荷為44.4～88.8m?污水/（t填料·h）。（3）95%以上的水渣可以用微孔濾膜進(jìn)行過濾去除，可以過濾精度為0.45μm。但對于生產(chǎn)而言，一般采用類似于慢速濾紙的5μm級別的過濾精度系統(tǒng)的處理效率就可以達(dá)到90～94%，目前普通袋式過濾器、PPF過濾棉的過濾精度足可以滿足其要求。

5結(jié)語

本實驗主要是通過對納米電氣石粉沉析軟化填料（NPS填料）的小試，測試其對含銅鎳電鍍廢水領(lǐng)域中的應(yīng)用參數(shù)。試驗數(shù)據(jù)標(biāo)明，在0.2MPa的負(fù)壓狀態(tài)下，通常5～10min的接觸時間（水力負(fù)荷為44.4～88.8m?污水/（t填料·h））就可以實現(xiàn)約70～80%的銅鎳去除率，更長的接觸時間沒有明顯的提升；而采用過濾的方式對水中銅鎳氫氧化物的水渣進(jìn)行過濾后，采用0.45μm微孔濾膜過濾后其去除效率可達(dá)94%，采用普通5μm濾紙過濾后銅鎳去除率均在90%以上基本可以滿足工業(yè)化應(yīng)用。

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作者簡介：李璐（1981—），男，2004年大學(xué)本科畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)（北京）水資源與環(huán)境學(xué)院環(huán)境工程專業(yè)，環(huán)境工程工程師。長期從事環(huán)境工程污水處理、工業(yè)有機廢氣治理、水體修復(fù)及場地污染修復(fù)領(lǐng)域的新技術(shù)開發(fā)及工程設(shè)計。