高效回收鎳鹽化工污泥制取硫酸鎳的工藝研究

周盛兵　蘆　昱

（1.金湖縣環(huán)境監(jiān)測站，江蘇　淮安　211600；2.南京大學環(huán)境規(guī)劃設計研究院有限公司，江蘇　南京　210093）

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高效回收鎳鹽化工污泥制取硫酸鎳的工藝研究

周盛兵1蘆昱2

（1.金湖縣環(huán)境監(jiān)測站，江蘇淮安211600；
2.南京大學環(huán)境規(guī)劃設計研究院有限公司，江蘇南京210093）

摘要：本文以回收鎳鹽化工污泥中的鎳為目的，采用酸浸-沉淀-蒸發(fā)結(jié)晶工藝得到了較高純度的硫酸鎳產(chǎn)品。研究了含鎳污泥中鎳的最佳浸出條件，重點探討了浸出液中沉鐵和沉鎳的最佳pH，考察了水洗工藝對粗產(chǎn)品氫氧化鎳中雜質(zhì)的去除效果，最終通過加酸溶解、蒸發(fā)結(jié)晶制取了硫酸鎳。

關(guān)鍵詞：含鎳污泥；酸浸；沉淀法；回收；硫酸鎳

1　含鎳污泥簡介

含重金屬固廢主要來自于金屬冶煉、電鍍和化工生產(chǎn)等過程。電鍍、皮革行業(yè)在生產(chǎn)運行過程中會產(chǎn)生大量的含有Cu、Ni、Cr等重金屬元素的污泥［1］，其中含鎳污泥是一種不穩(wěn)定的危險廢物。例如，電鍍污泥是電鍍廢水處理后產(chǎn)生的固體廢棄物，含有多種重金屬元素。

固體廢棄物直接填埋，不僅破壞環(huán)境，危害人類健康，也會造成巨大的資源浪費。由于電鍍鎳具有高均勻性、高耐磨性、高耐蝕性等優(yōu)點，因此被廣泛地應用于工業(yè)生產(chǎn)。在我國《國家危險廢物名錄》（環(huán)發(fā)[1998]89號）的47類危險廢物中，含鎳電鍍污泥被列為第十七類危險廢物，它的無害化處理和資源化利用是目前備受矚目的焦點。

含鎳污泥中由于含有大量的鎳及其他重金屬，如果不對其進行處理，隨意的堆放，將會對土壤和地下水造成嚴重的污染［2，3］，進而對人體和環(huán)境造成損害。

研究表明，鎳可能引起皮膚炎癥、神經(jīng)衰弱和系統(tǒng)紊亂，而且鎳是一種可致癌物質(zhì)，可以導致肺癌［4，5］。此外，過量的鎳對植物也會造成危害，典型的就是鎳會導致植物葉片壞死［6，7］。盡管金屬鎳的毒性小，吞入大量的鎳也不會產(chǎn)生急性中毒，可由糞便排出。但經(jīng)常接觸鎳制品會引起皮膚炎。

本文針對含鎳污泥的成分和性質(zhì)，在查閱了大量文獻的基礎上，比較了各種鎳回收工藝的優(yōu)缺點，采用化學沉淀法研究鎳的回收效率。

表1　實驗儀器設備及型號

2　試驗材料

本課題污泥樣本取自昆山市某硫酸鎳生產(chǎn)工廠的化學沉淀污泥，表觀性狀為黃綠色塊狀，含水率為75.1%，經(jīng)烘干研磨后，過200目篩以備用。試驗中所用儀器如表1所示。

3　浸出試驗

3.1試驗步驟

3.1.1不同浸出濃度試驗。①準確稱取2g烘干研磨后的污泥分別加入20mL濃度為0.5、1.0、2.0、3.0、4.0mol/L 和5.0mol/L的硫酸，充分的攪拌后浸出液定容到100mL；②定容后的溶液再稀釋1萬倍，測定鎳的濃度。

3.1.2不同加酸量試驗。①準確稱取2g烘干研磨后的污泥按1中確定的濃度加入10、12、14、16、18mL和20mL硫酸，充分攪拌后定容到100mL；②定容后的溶液再稀釋1萬倍，測定鎳的濃度。

3.2浸出試驗結(jié)果

3.2.1最佳浸出硫酸濃度的確定。圖1為在不同濃度硫酸浸出時鎳的浸出率，從圖中可以看出，在硫酸濃度為2mol/L時達到浸出平衡（浸出率100%左右）。因此，確定2mol/L為最佳的浸出硫酸濃度。

圖1　不同硫酸濃度條件下鎳的浸出率

3.2.2最佳浸出硫酸用量的確定。結(jié)果如圖2所示，由于硫酸除了要中和污泥中的堿之外，還要提供一定的酸度，當硫酸用量為理論酸用量的1.6倍時，浸出率接近98%。因此，從鎳的浸出率和經(jīng)濟性考慮，選用加酸量16mL/g為最佳硫酸加入量。

圖2　不同硫酸用量條件下鎳的浸出率

4　分離提純試驗

4.1試驗步驟

4.1.1沉鐵試驗。①取4個100mL浸出液攪拌；②調(diào)節(jié)pH分別為3、4、5、6；③pH穩(wěn)定后繼續(xù)保持30min，抽濾，洗滌后定容至250mL，濾渣烘干；④定容后的濾液稀釋2萬倍，浸出液稀釋5萬倍后，測定Ni2+和Fe3+的濃度，濾渣測定固體成分；⑤分別計算溶液中Fe3+和Ni2+的沉淀率。

4.1.2沉鎳試驗。①取2L浸出液，在1中得到的最佳pH條件下，沉淀去除鐵離子，得到濾液，命名為溶液Ⅰ；②取100mL溶液Ⅰ攪拌器上，調(diào)節(jié)pH分別為7、8、9、10；③pH穩(wěn)定后繼續(xù)保持30min，抽濾，洗滌后定容至250mL，濾渣烘干；④定容后的濾液稀釋2萬倍，溶液Ⅰ稀釋5萬倍后，測定Ca2+、Mg2+和Ni2+的濃度，濾渣測定固體成分；⑤分別計算Ni2+、Ca2+、Mg2+的沉淀率。

4.2結(jié)果與討論

4.2.1沉鐵試驗。結(jié)果如圖3所示，可以看出鐵離子的沉淀率隨pH的上升而增大，pH＞4時，去除率就達到99%以上。鎳離子在pH上升到5以后，pH繼續(xù)升高，鎳離子的沉淀率有顯著的上升趨勢，并在pH=6時上升到了6%以上。因此，選擇pH=5作為沉淀去除鐵離子的最佳條件。

4.2.2沉鎳試驗。浸出液去除鐵離子后，得到的含鎳凈化液調(diào)節(jié)pH至7、8、9、10，將鎳離子沉淀，結(jié)果如圖4所示，隨著pH的升高，鎳離子的沉淀率逐漸增大。當pH達到9和10時，鎳離子的沉淀率則分別達到了99.65%和99.99%，表明該pH條件下鎳已基本沉淀完全，因此選擇pH=9作為沉鎳的最佳pH。

圖3　不同pH條件鐵和鎳的沉淀率

5　制備硫酸鎳

5.1試驗步驟

5.1.1水洗試驗。①稱取10g氫氧化鎳粗產(chǎn)品溶解于200mL水攪拌；②抽濾，得到的固體加入200mL水攪拌得到的濾液標記為溶液1；③重復步驟（2）4遍，分別得到溶液2、3、4、5；④得到的用溶液1、2、3、4、5分別測定Ca2+、Mg2+、Na+、Ni2+離子濃度，水洗前和最終水洗后烘干的氫氧化鎳沉淀則用XRF測定各組分組成。

圖4　不同pH條件下鎳離子的沉淀率

5.1.2溶解試驗。①根據(jù)水洗后強氧化鎳的XRF分析結(jié)果和以下方程式計算理論酸用量，為1g氫氧化鎳需要1mol/L的硫酸7mL；②取1g水洗后的氫氧化鎳于試管中，分別加入理論酸用量1.1、1.2、1.3、1.4倍的硫酸（1mol/L），超聲震蕩30min；③選擇能完全溶解的最小加酸量作為硫酸的最佳加入量。

5.1.3蒸發(fā)結(jié)晶試驗。①取20g水洗后的氫氧化鎳，加入溶解實驗中確定的最佳比例的硫酸，超聲震蕩；②保持溫度在90℃以上加熱，當燒杯中只剩少量溶液時，停止加熱，后室溫冷卻結(jié)晶2h；③抽濾，并用少量水沖洗所得晶體烘干；④測定所得晶體的組成成分和主要存在形式。

5.2結(jié)果與討論

5.2.1水洗試驗。通過對比水洗前后氫氧化鎳的成分，如表2所示，通過水洗工藝，鎳、鈉、鎂降低到，但鈣離子、鐵離子和硅酸根離子等雜質(zhì)成分的比例反而有所增加。此外，硫酸根離子濃度從17.70%下降到10.13%，說明硫酸根單純的水洗工藝并不能完全將其去除。

5.2.2溶解試驗。經(jīng)試驗，不同硫酸用量對氫氧化鎳溶解的影響如圖5所示，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，當硫酸用量為理論酸用量（7mL/g）的1.1、1.2、1.3倍時，在試管底部有未完全溶解的氫氧化鎳，表明加入的酸量不能有效溶解氫氧化鎳沉淀，而當硫酸用量為理論酸用量的1.4倍時，氫氧化鎳完全溶解。因此，溶解氫氧化鎳的最小酸用量為理論酸用量的1.4倍，即每溶解1g氫氧化鎳需要9.8mmol硫酸。

表2　水洗前后氫氧化鎳XRF元素分析

圖5　不同硫酸用量氫氧化鎳的溶解狀況

5.2.3蒸發(fā)結(jié)晶試驗。氫氧化鎳粗產(chǎn)品經(jīng)溶解后的得到硫酸鎳溶液，溶液在90℃以上加熱蒸發(fā)至飽和后，室溫冷卻結(jié)晶2h，過濾烘干后得到了硫酸鎳晶體產(chǎn)品。表征了產(chǎn)品的物相和純度，結(jié)果分別如圖6和表3所示。從XRD圖譜（圖6）可以看出，晶體的主要成分六水合硫酸鎳。從表3可以看出，產(chǎn)品中雜質(zhì)的總量不超過1.0%，得到的硫酸鎳為酸式硫酸鎳，純度高于90.0%，其中鎳的純度為20.1%，基本達到工業(yè)硫酸鎳Ⅰ類合格品標準。

表3　硫酸鎳產(chǎn)品XRF成分分析

圖6　硫酸鎳產(chǎn)品XRD圖譜

6　結(jié)論

本文以回收鎳鹽化工污泥中的鎳為目的，采用化學沉淀工藝，制取硫酸鎳產(chǎn)品。在研究過程中，主要得到了以下結(jié)論。

①浸出過程的浸出率隨硫酸濃度的增加而增大，在硫酸濃度為2mol/L時達到平衡，選擇操作性最好的2mol/L為最佳浸出硫酸濃度，最佳硫酸量為8mL/g污泥。

②沉鐵試驗中，控制pH為5可以使鐵離子基本完全去除，且鎳離子的損失率較小；沉鎳試驗中，控制pH為9可以保證鎳較高的沉淀率和純度。

③得到的硫酸鎳產(chǎn)品能達到90%以上的純度和93%的回收率，得到的硫酸鎳主要成分為六水合硫酸鎳。

④該工藝可以實現(xiàn)含鎳污泥的減量化及資源化，且具有較好的經(jīng)濟效益。

參考文獻：

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［5］韋友歡，黃秋嬋，蘇秀芳.鎳對人體健康的危害效應及其機理研究［J］.環(huán)境科學與管理，2008（9）：45-48.

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［7］劉錚.微量元素的農(nóng)業(yè)化學［M］.北京：農(nóng)業(yè)出版社，1991：172.

中圖分類號：X781.1

文獻標識碼：A

文章編號：1003-5168（2016）01-0138-04

收稿日期：2015-12-27

作者簡介：周盛兵（1972-），男，工程師，研究方向：環(huán)境保護、自然生態(tài)建設、污染防治以及環(huán)境監(jiān)測。

Efficient Recovery of Nickel Salt Chemical Sludge from Nickel Sulfate Process Research

Zhou Chengbing1Lu Yu2
（1.Jinhu County Environmental Monitoring Station，Huai'an Jiangsu 211600；2.Nanjing University Environment Planning and Design Institute Co.Ltd.，Nanjing Jiangsu 210093）

Abstract:The purpose of this study is to recover nickel(Ni)from sludge containing nickel produced by nickel in?dustry using method of dissolution with sulfate acid,precipitation and crystallization by evaporation,and the high purity of nickel sulfate is obtained.Effects of concentration and amount of sulfuric acid on leaching of nickel were precipitated,and the optimum pH at when iron and nickel ion were investigated,the effect of washing with water on removing foreign ion was studied,afterwards,the precipitate was dissolved with sulfuric acid again and crystallized by evaporation.

Keywords:sludge containing nickel；acid leaching；precipitation；recovery；nickel sulfate