◇ 山東 龐景元(學(xué)生)

鈣鹽混凝法處理含氟特種廢水

◇ 山東 龐景元(學(xué)生)

在學(xué)習(xí)鹵素性質(zhì)時(shí),老師曾講到飲用水中如果含有一定量氟的話,會(huì)使我們的牙齒和骨骼受損,引起氟斑牙或是氟骨病.那么如何除去水中的氟呢?化學(xué)課本中提到一個(gè)有效方法,加入鈣鹽,可以形成氟化鈣沉淀以除去水中的氟.沿著這個(gè)思路,筆者查閱了大量的科學(xué)文獻(xiàn),了解了水體中氟的來(lái)源和危害,嘗試了各種去除氟的有效措施.本文在分析水體中氟的來(lái)源和去除原理的基礎(chǔ)上,動(dòng)手搭建了簡(jiǎn)易的混凝除氟實(shí)驗(yàn)裝置,改變不同的藥劑投加量和不同pH條件下進(jìn)行混凝除氟實(shí)驗(yàn),得到了有意義的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

1 含氟特種廢水來(lái)源

隨著現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展,含氟礦物的開(kāi)采加工,氟化物的合成、金屬冶煉、鋁電解、玻璃、電鍍、化肥、農(nóng)藥、化工等領(lǐng)域,特別是近些年,高純度多晶硅生產(chǎn)過(guò)程中,侵蝕清洗廢水中都含有高濃度的氟離子,干法氟化鋁生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生大量含氟酸性廢水.現(xiàn)行的光伏電池,是一種新型的依靠太陽(yáng)能進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的光電器件,可以有效地將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能,屬于應(yīng)用前景廣闊的清潔能源之一,但是,其特殊的生產(chǎn)工藝中尤其是硅料清洗和電池制備過(guò)程中會(huì)用到HF等含氟物質(zhì),決定了該項(xiàng)目中存在一定量的氟對(duì)環(huán)境的污染.蓬勃發(fā)展的電子工業(yè)如彩色顯像管、集成電路工廠等的大量建設(shè),含氟廢水的排放總量每年以成萬(wàn)噸計(jì)的趨勢(shì)急劇增加,氟污染越來(lái)越嚴(yán)重.因此含氟廢水的治理也越來(lái)越受到人們的關(guān)注.

2 實(shí)驗(yàn)原理以及實(shí)驗(yàn)器材

目前,國(guó)內(nèi)外有關(guān)含氟廢水的處理方法較多,從成本、工藝成熟度和處理效果來(lái)講,吸附法、離子交換法、電滲析法、反滲透法等多用于對(duì)含氟廢水的深度處理.化學(xué)沉淀法應(yīng)用相對(duì)廣泛,其反應(yīng)機(jī)制是將適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)品投入到含氟的廢水中,使其與氟反應(yīng)生成氟化物沉淀,再經(jīng)過(guò)濾等方法將氟化物沉淀與廢水分離,從而達(dá)到除氟的目的.

本實(shí)驗(yàn)的主要實(shí)驗(yàn)原理為鈣鹽與氟離子結(jié)合形成氟化鈣沉淀的形式除去水中的氟.CaF2是白色的細(xì)小固體,常溫下難溶于水,20℃時(shí)其溶度積常數(shù)Ksp＝4×10－11,水中的溶解度為16.3mg·L－1,按氟離子計(jì)為7.9mol·L－1,因此當(dāng)離子積大于溶度積時(shí)會(huì)形成氟化鈣沉淀物.

主要實(shí)驗(yàn)裝置包含定時(shí)變速攪拌機(jī)、磁力攪拌器、酸度計(jì)、氟離子選擇性電極、參比電極等;實(shí)驗(yàn)試劑包含氟化鈉、無(wú)水氯化鈣、檸檬酸三鈉、氯化鈉、冰醋酸、醋酸鈉、氫氧化鈉、鹽酸等.

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

3.1 試劑的配制以及實(shí)驗(yàn)設(shè)備

人工配制含氟水樣,含氟量為1500mg·L－1.

試劑的配置:CaCl2溶液(1mol·L－1),氟標(biāo)準(zhǔn)液(0.1mol·l－1),NaOH溶液(10%),HCl溶液(體積比為1∶1),總離子強(qiáng)度調(diào)節(jié)劑(TISAB).

TISAB的配制:氯化鈉(NaCl),0.10mol·L－1;醋酸(HAc),0.25mol·L－1;醋酸鈉(NaAc),0.75 mol·L－1;檸檬酸三鈉,0.001mol·L－1.pH＝5.0.

設(shè)備:氟離子選擇性電極1個(gè),電位計(jì)1臺(tái),飽和甘汞電極1個(gè),磁力攪拌器1臺(tái),測(cè)量用100mL燒杯1個(gè),攪拌磁子1個(gè),鑷子1個(gè),3L大廢液缸1個(gè),過(guò)濾裝置1套,500mL燒杯5個(gè),15mL刻度移液管1支,帶膠頭滴管的試劑瓶2個(gè).

3.2 氟標(biāo)準(zhǔn)曲線的測(cè)定

1)吸取10mL0.1mol·L－1的氟標(biāo)準(zhǔn)液至100 mL容量瓶中,加入10mL總離子強(qiáng)度調(diào)節(jié)劑(TISAB)后用蒸餾水定容到刻度線;2)采用逐級(jí)稀釋法,配成濃度為10－3、10－4、10－5及10－6mol·L－1氟離子溶液(逐級(jí)加入9mLTISAB即可);3)將標(biāo)準(zhǔn)溶液按濃度由低到高依次倒入燒杯中,插入氟離子選擇電極和參比電極,使用電磁攪拌器攪拌3min,靜置30s后開(kāi)始讀數(shù),30s一次,直至3min內(nèi)數(shù)值不變停止讀數(shù).

3.3 實(shí)驗(yàn)方法

1)在已編號(hào)的500mL燒杯中放入200mL廢水水樣;2)根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑诓煌琾H(4、5.5、7、8.5、10)下將CaCl2溶液投加在每個(gè)燒杯中;3)開(kāi)動(dòng)攪拌器,以相同的轉(zhuǎn)速進(jìn)行攪拌;4)攪拌結(jié)束后,把攪拌槳從水樣中提出來(lái),取下燒杯,每隔一定時(shí)間取濾液進(jìn)行分析.

3.4 用氯化鈣作為沉淀劑處理水樣

取5個(gè)已經(jīng)編號(hào)的燒杯,分別加入200mL廢水水樣,分別用10%NaOH溶液和體積比為1∶1的HCl溶液將pH分別調(diào)至4、5.5、7、8.5、10,1mol·L－1的CaCl2溶液投加量(按照沉淀200mL,1500mol·L－1的F－所需的物質(zhì)的量計(jì)算)分別為100%(8.1mL,即正好完全反應(yīng))、150%(12.15mL,即過(guò)量50%)、200%(16.2mL,即過(guò)量100%)、250%(20.25mL,即過(guò)量150%),快速攪拌20min,結(jié)束后,提起攪拌槳,靜置,分別取0、30、60、90、120min時(shí)的濾液進(jìn)行F－含量的測(cè)定分析.

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作

首先將氟離子濃度按照pF＝－lg(cF/(mol· L－1))進(jìn)行計(jì)算,為了使標(biāo)準(zhǔn)曲線呈直線狀態(tài),以pF作為橫坐標(biāo);不同氟離子濃度下測(cè)得的電位數(shù)值(mV)作為縱坐標(biāo),做出氟標(biāo)準(zhǔn)曲線(圖1),測(cè)定數(shù)據(jù)見(jiàn)表1.

表1 氟標(biāo)準(zhǔn)曲線

圖1

由標(biāo)準(zhǔn)曲線的直線方程y＝48.3x＋5.6和相關(guān)系數(shù)R2＝0.9997可以看出,標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性相關(guān)性很高,可以進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的測(cè)定,并根據(jù)直線方程計(jì)算溶液中氟離子的含量.

4.2 含氟水樣的混凝處理結(jié)果

以CaCl2作為沉淀劑,在pH分別為4、5.5、7、8.5、10的條件下,再分別以100%、150%、200%和250%的投加量進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的電位數(shù)值在氟標(biāo)準(zhǔn)曲線上查出pF,然后根據(jù)pF＝－lg(cF/(mol·L－1))計(jì)算出處理后溶液中氟離子的濃度,從而獲得不同處理?xiàng)l件下溶液中所剩氟離子的含量.

在不同投加比下,以pH為橫坐標(biāo)、以F－濃度為縱坐標(biāo),分別作出靜置0、30、60、90、120min時(shí)所測(cè)得的溶液中F－的含量,得到如下實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

1)圖2為CaCl2的投加比為100%的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

圖2

由圖2可以發(fā)現(xiàn),在CaCl2的投加比為100%時(shí),隨著沉降時(shí)間和pH的增大,F－的含量逐漸減小.從時(shí)間上來(lái)看,沉降120min的處理效果較好;從酸度條件來(lái)看pH＝10時(shí)處理效果較好,且沉淀處理后含氟量小于0.5mol·L－1.

2)圖3為CaCl2的投加比為150%的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

圖3

從總趨勢(shì)上來(lái)講,隨著沉降時(shí)間的增加和pH的增大,F－的含量呈減少趨勢(shì).從時(shí)間上看,沉降60min的處理效果最佳;從酸度條件看,pH＝10的處理效果較好,混凝處理后含氟量小于0.5mol·L－1.

3)圖4為CaCl2的投加比為200%的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

圖4

4)圖5為CaCl2的投加比為250%實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

圖5

從總趨勢(shì)上來(lái)講,隨著沉降時(shí)間的延長(zhǎng)和pH的增大,F－含量呈減少趨勢(shì).從時(shí)間上看,沉降120min的處理效果最佳,但在沉降時(shí)間為60min時(shí),F－含量亦可降到0.5mol·L－1以下;從酸度方面看,pH＝10的處理效果最好,混凝處理后含氟量在0.1mol·L－1.

5 結(jié)論

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可發(fā)現(xiàn),隨著CaCl2投加量和堿度的增加,水中含氟量大為減少,且遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于工業(yè)廢水的排放標(biāo)準(zhǔn).根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果不難推測(cè),pH的控制條件為中性或堿性(pH≥7),CaCl2的投加比越大,沉降處理效果越好,但是試劑用量會(huì)加大,處理成本也將大大提高,比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用的條件是投加比為150%,沉降時(shí)間60min以上,即可獲得較好的處理效果.

本實(shí)驗(yàn)研究了高濃度含氟廢水的實(shí)驗(yàn)室混凝處理方法,有助于拓展和深化中學(xué)生對(duì)元素化學(xué)性質(zhì)的認(rèn)識(shí),更加深了中學(xué)生的環(huán)保理念.本實(shí)驗(yàn)中所用的簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)原理使學(xué)生深刻體會(huì)到自己所學(xué)最基本理論的實(shí)際應(yīng)用性和可操作性,同時(shí)對(duì)于拓展中學(xué)生動(dòng)手能力和解決實(shí)際問(wèn)題的能力大有裨益.

致謝:本文中的實(shí)驗(yàn)器材由青島理工大學(xué)環(huán)境學(xué)院化學(xué)實(shí)驗(yàn)室提供;本文得到了青島理工大學(xué)孫好芬老師的大力支持與輔導(dǎo).在此表示衷心感謝!

(作者單位:山東省青島市第十六中學(xué))