陽膜電解法處理含鎳廢水

楊雨佳，黃紅纓，王 琪，范義春，周全法

（江蘇理工學院 化學與環境工程學院，江蘇 常州 213001）

陽膜電解法處理含鎳廢水

楊雨佳，黃紅纓，王 琪，范義春，周全法

（江蘇理工學院 化學與環境工程學院，江蘇 常州 213001）

采用陽膜電解法處理低濃度含鎳廢水。考察了電解質種類及其加入量、電解電流、電流密度、攪拌轉速、電解溫度和電解時間等對電解效果的影響。實驗結果表明，在電解質NaCl加入量為2.5 g/L、電解電流為0.10 A、電流密度為150 A/m2、攪拌轉速為800 r/min、電解溫度為35 ℃、電解時間為8 h的最佳條件下，處理Ni2+質量濃度為2 g/L的含鎳廢水，鎳析出率達到95.16%，電流效率為86.87%，單位質量能耗為5 254 kW·h/t。

陽離子交換膜；電解法；含鎳廢水；電解效果

電解法處理含鎳廢水存在酸度不易控制、析氫嚴重并伴生氫氧化物沉淀等問題［1］，影響鎳的回收。為此，工業上采用陰極隔膜法電解鎳，隔膜材料包括棉隔膜和復合隔膜［2-4］。該法雖可將陰陽極隔開，但無法根據需要分別控制陰陽極室的酸度。

離子膜分離技術已廣泛應用于環保［5-6］、電子、化工、冶金［7］、醫藥、生物、能源、仿生等領域。采用膜電解法電解鎳，可解決常規電解時遇到的問題。已有研究表明，采用單陰膜電解鎳效果較好，而用單陽膜處理低濃度含鎳廢水時因陽極液中的Na+進入陰極液而影響了電解效果［8］。

本工作在現有工藝的基礎上進一步對陽膜電解法處理低濃度含鎳廢水的工藝條件進行了優化，以提高含鎳廢水的處理效果。

1 實驗部分

1.1 材料和儀器

含鎳廢水：取自某電鍍廠翻槽時的鍍鎳廢液，主要成分（ρ，g/L）：硫酸鎳 210，氯化鎳 60，硫酸銨 50，pH 8.5。使用前用蒸餾水稀釋至Ni2+質量濃度為2 g/L。

pHS-3C型酸度計：上海儀電科學儀器股份有限公司；85-2B型恒溫磁力攪拌器：金壇市醫療儀器廠。

1.2 實驗裝置及流程

陽膜電解槽的實驗裝置見圖1。電解槽（100 mm×150 mm×120 mm）由聚丙烯材料制成，以鈦網為陽極，市售的泡沫鎳為陰極，離子膜為3361C型聚乙烯異相磺酸型陽離子交換膜，固定極板間距為5 cm。陽極液為濃度0.3 mol/L的NaOH溶液，陰極液為Ni2+質量濃度2 g/L的含鎳廢水。用稀硫酸調節廢水pH至4.0～4.5。在外加直流電場的作用下，因陽極液為強堿性，陽極以電解OH-為主反應，Na+透過陽膜進入陰極區；陰極液中的H+和Ni2+移動至陰極發生還原反應，并伴隨水的電解反應發生。電解質離子（電荷）的濃度決定電解液的電導率。一般情況下，電解液的濃度愈大，電阻愈小，電流愈大。當槽電壓為5 V時，初始電流較低，僅為50 mA，因此需在陰極液中加入電解質，控制適當的電流，在恒流下進行連續電解。

圖1 陽膜電解槽的實驗裝置

1.3 分析方法

根據GB 11910—1989《水質 鎳的測定 丁二酮肟分光光度法》測定Ni2+質量濃度［9］，計算鎳析出率；采用酸度計測定廢水pH；采用恒溫磁力攪拌器控制攪拌轉速。

按照式（1）計算電流效率（η，%）。

式中：ρ0和ρ分別為電解前后陰極液中Ni2+的質量濃度，g/L；V為陰極室中含鎳廢水的體積，L；I為電解電流，A；t為電解時間，h；K為電化學當量，g/（A·h），鎳的電化學當量為1.095 g/（A·h）。

按照式（2）計算單位質量能耗（E，kW·h/t）。

式中：U為槽電壓，V。

2 結果與討論

2.1 電解質種類對鎳析出率的影響

溶液的導電性對電解的效果影響很大。在攪拌轉速為800 r/min、電解溫度為35 ℃、電解時間為10 h的條件下，考察了兩種電解鎳常用的電解質NaCl和Na2SO4對鎳析出率的影響，實驗結果見圖2和圖3。由圖2和圖3可見：加入電解質后電解效果明顯增強，隨電解質加入量的增加，電解液導電性逐漸增加，鎳析出率逐漸增加；當NaCl加入量為2.5～4.0 g/L時，鎳的析出率較高；當Na2SO4加入量為15 g/L時，鎳的析出率最大。由于Na2SO4的摩爾質量遠大于NaCl，因此在相同質量條件下，NaCl中的Na+所帶電荷數高于Na2SO4，NaCl溶液的導電性更強，且陽膜電解避免了Cl2的產生。考慮經濟因素，以下實驗均選擇以NaCl作為電解質。

圖2 NaCl加入量對鎳析出率的影響

圖3 Na2SO4加入量對鎳析出率的影響

文獻［1，8］報道，陽膜比陰膜電解效果差的原因是，陽膜電解時陽極室中的Na+可透過陽膜進入陰極室，從而影響了鎳的還原。本實驗在陰極電解液中直接引入了Na+，使電解效果明顯提升，且電解效果的提高程度與電解質加入量有關。由此可見，增強溶液的電導性可提高陽膜電解法的處理效果。

2.2 電解電流對鎳析出率和電流效率的影響

在攪拌轉速為800 r/min、電解溫度為35 ℃的條件下，電解電流對鎳析出率和電流效率的影響分別見圖4和圖5。由圖4可見：增大電解電流、延長電解時間可增加鎳析出率；當電解時間為8～10 h時，因廢水中Ni2+含量降低，電解電流為0.10 A時的鎳析出率與其他電解電流條件下的鎳析出率接近。由圖5可見：減小電解電流，電流效率提高；當電解電流為0.10 A時，電流效率最高；延長電解時間，電流效率逐漸降低；當電解時間由8 h延長至10 h時，電流效率降低約15百分點，但鎳析出率較高且接近。綜合考慮，選擇電解電流為0.10 A，電解時間為8 h。在此條件下，鎳析出率為95.16%，電流效率為86.87%。

圖4 電解電流對鎳析出率的影響

圖5 電解電流對電流效率的影響

2.3 電流密度對鎳析出率和電流效率的影響

通過改變陰極面積改變電流密度。在NaCl加入量為2.5 g/L、電解電流為0.10 A、攪拌轉速為800 r/min、電解溫度為35 ℃、電解時間為8 h的條件下，電流密度對鎳析出率和電流效率的影響見圖6。由圖6可見：當電流密度由75 A/m2增至150 A/ m2時，鎳還原速率加快，鎳析出率和電流效率均上升，這是由于隨電流密度的增加，電壓升高（由4.85 V增至5.12 V），電極反應速率與電極電勢有關，僅通過改變電勢即可使反應速率改變多個數量級［10］；析氫反應和鎳還原反應存在競爭關系［11］，繼續增加電流密度，析氫反應加劇，導致攪拌作用不明顯，H+在電極附近出現濃差極化現象，通過電解水產生H2和OH－，OH－與Ni2+生成Ni（OH）2沉淀，抑制了Ni2+在陰極的還原，導致鎳析出率和電流效率均降低。因此，選擇150 A/m2為適宜的電流密度。

圖6 電流密度對鎳析出率和電流效率的影響

2.4 攪拌轉速對鎳析出率和電流效率的影響

攪拌不僅可以降低濃差極化，而且可以避免Ni（OH）2的生成。當攪拌轉速較低時，攪拌不充分，導致陰極附近的pH的增幅較快，易生成Ni（OH）2，嚴重影響了電解鎳的效果［12］。研究結果表明，擴散層越厚，OH－的去除及H+的進入越受到抑制，為電極附近OH－的聚集創造了有利條件［13-14］，導致Ni（OH）2的生成。提高攪拌轉速，可降低擴散層厚度，有利于鎳的析出，同時使電流效率得到提高。在NaCl加入量為2.5 g/L、電解電流為0.10 A、電流密度為150 A/m2、電解溫度為35℃、電解時間為8 h的條件下，攪拌轉速對鎳析出率和電流效率的影響見圖7。由圖7可見：在無攪拌的條件下，鎳析出率只有11.00%；隨攪拌轉速的提高，鎳析出率增加；當攪拌轉速增至800 r/min時，鎳析出率和電流效率達到最大；繼續提高攪拌轉速，因對廢水的波動較大，在陰極附近的Ni2+難以沉積，導致鎳析出率和電流效率下降。因此，選擇800 r/min為適宜的攪拌轉速。

2.5 電解溫度對電流效率和單位質量能耗的影響

在NaCl加入量為2.5 g/L、電解電流為0.10 A、電流密度為150 A/m2、攪拌轉速為800 r/min、電解時間為8 h的條件下，電解溫度對電流效率和單位質量能耗的影響見圖8。由圖8可見：當電解溫度為35 ℃時，電流效率最高，能耗最低；繼續升高電解溫度，電流效率下降，能耗相應升高，這是由于析氫反應隨電解溫度的升高而加劇，與鎳還原反應競爭，同時在陰極附近出現大量Ni（OH）2沉淀，影響了鎳的還原，導致電流效率下降。因此，選擇35℃為適宜的電解溫度。

圖7 攪拌轉速對鎳析出率和電流效率的影響

圖8 電解溫度對電流效率和單位質量能耗的影響

2.6 小結

在電解質NaCl加入量為2.5 g/L、電解電流為0.10 A、電流密度為150 A/m2、攪拌轉速為800 r/ min、電解溫度為35 ℃、電解時間為8 h的最佳條件下，處理Ni2+質量濃度為2 g/L的含鎳廢水，鎳析出率達到95.16%，電流效率為86.87%，單位質量能耗為5 254 kW·h/t。

3 結論

a）采用陽膜電解法處理含鎳廢水。

b）在電解質NaCl加入量為2.5 g/L、電解電流為0.10 A、電流密度為150 A/m2、攪拌轉速為800 r/ min、電解溫度為35 ℃、電解時間為8 h的最佳條件下，處理Ni2+質量濃度為2 g/L的含鎳廢水，鎳析出率達到95.16%，電流效率為86.87%，單位質量能耗為5 254 kW·h/t。

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（編輯 王 馨）

Treatment of Nickel-Containing Wastewater by Electrolysis Process with Cationic Exchange Membrane

Yang Yujia，Huang Hongying，Wang Qi，Fan Yichun，Zhou Quanfa
（College of Chemistry and Environmental Engineering，Jangsu University of Technology，Changzhou Jiangsu 213001，China）

The wastewater containing nickel with low-concentration was treated by electrolysis process with cationic exchange membrane. The factors affecting the electrolysis effect were studied. The experimental results show that under the optimum conditions of NaCl dosage 2.5 g/L，electrolytic current 0.10 A，current density 150 A/m2，stirring speed 800 r/min，electrolysis temperature 35 ℃，electrolysis time 8 h and Ni2+mass concentration 2 g/L，the generation rate of nickel reaches 95.16%，the current eff ciency is 86.87% and the unit energy consumption is 5 254 kW·h/t.

cationic exchange membrane； electrolysis process；nickel-containing wastewater；electrolysis effect

X703.1

A

1006-1878（2015）06-0575-04

2015 - 05 - 26；

2015 - 08 - 06。

楊雨佳 （1990—），女，江蘇省蘇州市人，碩士生，電話 15806127361，電郵 mytrove119@qq.com。聯系人：王琪，電話 13861025500，電郵 qwhgx@163.com。

國家科技支撐計劃項目 （2014BAC03B06）；江蘇省產學研聯合創新資金項目 （BY2014038-08）；常州市應用基礎研究計劃項目 （KYZP13040） 。