【摘 要】本文所講述是一種自制的超細(xì)納米級(jí)電氣石粉制成的納米電氣石粉沉析軟化填料（簡(jiǎn)稱(chēng)NPS填料）對(duì)含銅鎳電鍍廢水小試試驗(yàn)研究。通過(guò)小試試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)NPS填料對(duì)污水中銅鎳的去除效率通常為74%～78%，并隨著接觸過(guò)濾時(shí)間增長(zhǎng)并沒(méi)有明顯的效率提升；而經(jīng)過(guò)過(guò)濾后其處理效率可達(dá)90%以上，一般采用5μm級(jí)別的過(guò)濾時(shí)銅鎳去除效率可提升至94%；一般在5～10min的接觸時(shí)間（水力負(fù)荷為44.4～88.8m?污水/（t填料·h））就可以滿(mǎn)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?xún)煞N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(shì)差，使周?chē)慕橘|(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(shí)具有較強(qiáng)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(zhǎng)期的實(shí)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(huì)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(jí)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(jiǎn)稱(chēng)NPS填料，Nano Particle Softening），并對(duì)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(yàn)考察：①不同過(guò)濾方式實(shí)現(xiàn)的沉析凈化效率；②不同水力停留時(shí)間下的凈化效率。

本小試試驗(yàn)所用的經(jīng)復(fù)配燒結(jié)而成的超細(xì)納米級(jí)電氣石粉是委托北京樂(lè)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(jí)電氣石粉末包裹0.5mm厚度結(jié)構(gòu)，并為加強(qiáng)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(shí)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(jī)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(jí)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(lái)，這樣能在材料外接壓力變化時(shí)（正壓或負(fù)壓均可），其表面由于存在的電子形成無(wú)數(shù)永久微電場(chǎng)。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(chǎng)。這電場(chǎng)強(qiáng)度之大以至于能使NAP填料周?chē)乃肿影l(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(gè)氫離子（H+）得到電子補(bǔ)充后變成氫氣（H2↑）放入空氣中。剩下的羥基（·OH）與周?chē)牧硪粋€(gè)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(gè)反應(yīng)中的產(chǎn)品是羥基自由基和氫氧根離子，因此整個(gè)水環(huán)境的pH值會(huì)急劇升高，所以造成水環(huán)境中的諸如鈣鎂銅鎳等金屬陽(yáng)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(guò)過(guò)濾和沉淀的方式進(jìn)行去除，從而實(shí)現(xiàn)水的軟化和重金屬離子的凈化。

3實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原料、設(shè)備、試驗(yàn)參數(shù)

3.1小試試驗(yàn)?zāi)康?/p>

本小試實(shí)驗(yàn)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(guò)數(shù)據(jù)確定適宜的接觸時(shí)間（HRT）并進(jìn)而確定合理的NPS填料的水力負(fù)荷范圍，同時(shí)解決處理過(guò)程中副產(chǎn)物水渣影響的問(wèn)題。

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

同時(shí)由于污水中含有少量的SS，因此為確保試驗(yàn)的穩(wěn)定性，首先調(diào)節(jié)pH到中性，通過(guò)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(yàn)用水，而后再進(jìn)行小試試驗(yàn)考察NPS填料的效果（如圖1）。

因此本實(shí)驗(yàn)所采用的試驗(yàn)原水為綜合池中經(jīng)過(guò)中和絮凝沉淀后的電鍍廢水上清液。

試驗(yàn)裝置的小試運(yùn)行參數(shù)為：廢水的過(guò)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(yùn)行。

3.2小試工藝流程及試驗(yàn)方案

本次小試擬采用試驗(yàn)裝置的工藝流程如圖2。

本實(shí)驗(yàn)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(gè)罐體長(zhǎng)20cm直徑6cm填充量225gNPS填料，8組合計(jì)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(yàn)機(jī)采用循環(huán)處理方式，即一遍遍的反復(fù)過(guò)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(shí)間（HRT），在不同的水力停留時(shí)間時(shí)，通過(guò)采樣化驗(yàn)其中的水質(zhì)情況來(lái)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(méi)有絮凝沉淀工藝，出水水樣經(jīng)過(guò)過(guò)濾后再送檢測(cè)試銅鎳離子濃度。

3.3試驗(yàn)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(yàn)機(jī)一遍一遍地進(jìn)行“NPS負(fù)壓壓力過(guò)濾”。

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

首先對(duì)其電鍍廢水進(jìn)行技術(shù)初探，通過(guò)反復(fù)12遍負(fù)壓“過(guò)濾”后。每3次過(guò)濾進(jìn)行取樣，并采用“不過(guò)濾”、“快速濾紙過(guò)濾（100μm精度）”、“慢速濾紙過(guò)濾（5μm精度）”、“微孔濾膜過(guò)濾（0.45μm精度）”分別進(jìn)行過(guò)濾后，在做銅鎳指標(biāo)的水質(zhì)分析。由于每次試驗(yàn)機(jī)水泵流量不同，因此需要根據(jù)當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)流量進(jìn)行記錄，并計(jì)算每次的水力停留時(shí)間，并作為設(shè)計(jì)依據(jù)。

3.4監(jiān)測(cè)項(xiàng)目：

本試驗(yàn)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(jì)進(jìn)行測(cè)量。

對(duì)原水及特定的HRT及其過(guò)濾方式的出水測(cè)定銅鎳離子濃度。同時(shí)檢測(cè)水流速并核算水力負(fù)荷及HRT。

4試驗(yàn)結(jié)果

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

小試實(shí)驗(yàn)結(jié)論：（1）銅鎳廢水經(jīng)NPS填料過(guò)濾后有明顯的去除效果。通過(guò)過(guò)濾方式不同發(fā)現(xiàn)其水中存在大量水渣，不過(guò)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(guò)過(guò)濾的方式進(jìn)行去除水渣，經(jīng)過(guò)過(guò)濾會(huì)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(guò)濾后銅的濃度之間的差距變化來(lái)看，停留時(shí)間越長(zhǎng)則銅水渣顆粒越大，幅度很大。且隨著處理時(shí)間的推移，并沒(méi)有得到有效的提升，基本上有5～10min的停留時(shí)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(shí)間增加到10min以后開(kāi)始出現(xiàn)緩步反彈的異常情況，這與實(shí)際工程堿性沉淀法去除銅鎳離子出現(xiàn)兩者難以同時(shí)降低至0.5mg/L的異常情況有些類(lèi)似，因此該技術(shù)HRT應(yīng)控制在10min以?xún)?nèi)的高效區(qū)。如按照HRT=5～10min計(jì)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(guò)濾去除，可以過(guò)濾精度為0.45μm。但對(duì)于生產(chǎn)而言，一般采用類(lèi)似于慢速濾紙的5μm級(jí)別的過(guò)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(guò)濾器、PPF過(guò)濾棉的過(guò)濾精度足可以滿(mǎn)足其要求。

5結(jié)語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)主要是通過(guò)對(duì)納米電氣石粉沉析軟化填料（NPS填料）的小試，測(cè)試其對(duì)含銅鎳電鍍廢水領(lǐng)域中的應(yīng)用參數(shù)。試驗(yàn)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(shí)間（水力負(fù)荷為44.4～88.8m?污水/（t填料·h））就可以實(shí)現(xiàn)約70～80%的銅鎳去除率，更長(zhǎng)的接觸時(shí)間沒(méi)有明顯的提升；而采用過(guò)濾的方式對(duì)水中銅鎳氫氧化物的水渣進(jìn)行過(guò)濾后，采用0.45μm微孔濾膜過(guò)濾后其去除效率可達(dá)94%，采用普通5μm濾紙過(guò)濾后銅鎳去除率均在90%以上基本可以滿(mǎn)足工業(yè)化應(yīng)用。

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作者簡(jiǎn)介：李璐（1981—），男，2004年大學(xué)本科畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）水資源與環(huán)境學(xué)院環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)，環(huán)境工程工程師。長(zhǎng)期從事環(huán)境工程污水處理、工業(yè)有機(jī)廢氣治理、水體修復(fù)及場(chǎng)地污染修復(fù)領(lǐng)域的新技術(shù)開(kāi)發(fā)及工程設(shè)計(jì)。