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从含重金属废水中回收铅、汞的研究 ① 李 骞, 邓 蓬, 杨永斌, 姜 涛, 陈达佳 (中南大学 资源加工与生物工程学院,湖南 长沙 410083) 摘 要 在研究单一体系中铅/ 汞回收的基础上,采用分步硫化沉淀浮选法对含 Pb 2+ 、Hg 2+ 混合废水中铅/ 汞的分离回收进行了研 究。 试验结果表明向混合废水中加入 Hg 2+ 1.1 倍当量 Na2S,反应 12 min,加入丁黄药 45 mg/ L,浮选 5 min,浮选后的废水再加入 Pb 2+ 1.5 倍当量 Na2S,反应 12 min,加入丁黄药 25 mg/ L,浮选 5 min,铅和汞回收率均达 99.90%以上。 经该方法处理后的废水中残 余重金属含量均低于 GB8979-1996 一级标准。 浮渣中汞品位为 32.42%,铅品位为 83.25%,具有极高的资源回收价值。 关键词 废水; 硫化沉淀浮选法; 铅离子; 汞离子; 资源回收利用 中图分类号 X703文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2015.02.018 文章编号 0253-6099(2015)02-0075-05 Recovery of Lead and Mercury from Wastewater Containing Heavy Metals LI Qian, DENG Peng, YANG Yong⁃bin, JIANG Tao, CHEN Da⁃jia (School of Minerals Processing and Bioengineering, Central South University, Changsha 410083, Hunan, China) Abstract After an investigation on recovering lead and mercury from the single contamination system, fractional sulfide precipitation⁃flotation technique was adopted to separate lead from mercury in the mixed wastewater containing both Pb 2+ and Hg 2+ . The experiment included first precipitation for 12 minutes after adding Na2S with the dosage equivalent of 1.1 times the concentration of Hg 2+ , plus flotation for 5 minutes with 45 mg/ L butyl xanthate as the collector. The flotation wastewater was then floated for 5 minutes with 25 mg/ L butyl xanthate after adding Na2S with a dosage 1.5 times the concentration of Pb 2+ and further precipitated for 12 minutes. Results showed the recoveries of both lead and mercury exceed 99.90%. After the treatment, the contents of residual heavy metal ions are all lower than the primary standard of GB8979-1996. The flotation concentrate containing 32.42% of mercury and 83.25% of lead, is of high recycling value. Key words wastewater; sulfide precipitation⁃flotation; Pb 2+ ; Hg 2+ ; resources recycling 矿山、化工、电镀、制革等诸多行业产生的废水中 含有大量的重金属,这些重金属离子不经处理直接排 放进入生态系统中,将会被水生物吸收,破坏植物的生 长,进入食物链中危害动物甚至人类的生命[1],其中 铅、汞、铬、镉等重金属对人体健康危害尤为严重。 由 于重金属多为工业原料,废水处理后的重金属如果不 回收利用,不仅造成了资源浪费,还可能在环境中氧化 造成二次污染。 近年来,浮选法以处理时间短、费用低、可回收废 水中的有价重金属等优点引起了国内外广泛重 视[2-4],但浮选法逐一分离回收废水中多种重金属的 研究较少[5-6]。 本文采用硫化沉淀浮选法对单一含 Pb 2+ / Hg 2+ 废水中 Pb 2+ / Hg 2+ 的沉淀特性和沉淀物的浮 选特性进行了试验研究,并在此基础上,探索逐一回收 混合废水中铅、汞的适宜条件,为硫化沉淀浮选法综合 回收利用工业废水中的重金属提供依据。 1 试验材料及方法 1.1 试验材料及仪器 废水为用硝酸铅、氯化汞和超纯水自制的模拟 废水。 试验所用药品硝酸铅、氯化汞、硫化钠、氢氧化钠、 硝酸均为分析纯,丁黄药、2#油为工业纯,试验用水为 超纯水。 试验仪器主要有 pHS-3C 型 pH 计,艾卡欧洲之星 强力控制型搅拌机,XFD 型系列 0.75 L 单槽浮选机。 1.2 试验方法 取 0.75 L 废水,用氢氧化钠或硝酸调节 pH 值后缓 ①收稿日期 2014-10-19 作者简介 李 骞(1975-),男,甘肃静宁人,博士,副教授,主要从事矿物加工等研究。 第 35 卷第 2 期 2015 年 04 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.35 №2 April 2015 慢加入硫化钠溶液搅拌反应。 沉淀率 R 计算公式为 R = CO - C A CO 100% 式中 CO为原废水中重金属离子的初始浓度,mg/ L;CA 为沉淀后废水中残余的重金属离子的浓度,mg/ L。 硫化沉淀后的废水(未澄清)注入浮选槽中,调节 pH 值后,加入丁黄药和 2#油,浮选 5 min,回收浮渣。 用 ICP-AES 检测分析浮选后废水中残余 Pb 2+ 、Hg 2+ 浓度。 2 试验结果与讨论 2.1 重金属浓度对 Pb 2+ / Hg 2+ 沉淀的影响 初始 pH 值为 4 的含 Pb 2+ 废水加入 1.5 倍当量 (M 2+ +S 2- MS,实际用量与理论量的比值简称当 量)的硫化钠,初始 pH 值为 1 的含 Hg 2+ 废水加入 1.1 倍当量的硫化钠。 不同初始浓度 Pb 2+ / Hg 2+ 废水沉淀 效果如图 1 所示。 图 1 不同初始浓度 Pb 2+ / Hg 2+ 沉淀率 由图 1 可知,试验范围内初始浓度的 Pb 2+ / Hg 2+ 废 水,经硫化沉淀后废水中残余 Pb 2+ 浓度低于 1.0 mg/ L, Hg 2+ 浓度低于 0.05 mg/ L,沉淀效果受废水中初始离子 浓度的影响较小。 分别选择含50 mg/ L 的含 Pb 2+ 废水 和 20 mg/ L 的含 Hg 2+ 废水进行后续试验。 2.2 废水 pH 值对 Pb 2+ / Hg 2+ 沉淀的影响 含 Pb 2+ 废水加入 1.5 倍当量硫化钠,含 Hg 2+ 废水加 入 1.1 倍当量硫化钠,反应 12 min,pH 值对沉淀效果的 影响如图 2 所示。 由图 2 可知,pH=1 时,Pb 2+ 无明显沉 淀生成;当 pH=2~12 时,Pb 2+ 沉淀较好,但 pH>10 后, 沉淀率略有下降,其中 pH=2 时,Pb 2+ 沉淀率为 92.50%; pH 值为3~10 时,Pb 2+ 沉淀率趋于同一水平,都在 98.50% 以上。 含 Hg 2+ 废水受 pH 值的影响较小,当 pH=1~10 时,汞沉淀率在同一水平上,沉淀率保持在 99.90%左 右;pH>10 后,汞沉淀率开始下降。 沉淀 Pb 2+ 和 Hg 2+ 的适宜 pH 值分别为 4 和 1。 图 2 废水 pH 值对 Pb 2+ / Hg 2+ 沉淀率的影响 含 Pb 2+ 废水在调 pH 值过程中,当 pH= 5~11 时, 废水中有明显的白色沉淀生成,但在 pH>11 后白色沉 淀又溶解消失。 因此,推断在 pH = 5~11 的废水中加 入硫化钠生成的沉淀物除了硫化铅外,还可能有其它 物质。 pH=4 与 pH= 7 的废水经沉淀后,取硫化沉淀 物进行铅物相分析,各组分如表 1 所示。 表 1 铅物相分析结果 pH 值 含量/ % 硫化铅氧化铅铅矾总铅 496.532.750.72100.00 783.8014.641.56100.00 Pb 2+ 与 Na2S 反应主要生成 PbS,可能伴随生成 PbSO4;与 OH-作用生成的沉淀物为 PbO 和 Pb5O8。 由 表 1 可知,pH=4 时,PbS 占总沉淀物的 96.53%;pH=7 时,PbS 占总沉淀物的 83.80%。 随着废水 pH 值升高, PbS 组分含量降低。 目前,铅冶炼的主要原料是硫化 铅,并且 PbS 等金属硫化物比 PbO 等金属氧化物更易 浮选。 另外,在酸性条件下,废水中生成的沉淀物颗粒 大于碱性条件下废水中生成的沉淀物颗粒。 以硫化物沉淀的化学热力学和化学平衡理论为基 础,对影响硫化物沉淀的两个主要因素 布朗斯太 特阴离子质子化、金属离子的水解进行探讨。 设金属离子初始浓度为 CM,加入 Na2S 的初始浓 度为 CS,平衡后,残余金属离子浓度为[M]T,含硫组 分的总浓度为[S]T,则平衡时满足下列关系[7] [M]T[S]T= K′SP,MS = K SP,MSαMαS (1) 式中 KSP,MS和 K′SP,MS分别为 MS 的溶度积和条件溶度 积;αM,αS分别为金属离子水解反应和 S 2- 加质反应的 副反应系数。 αM= 1 + β1[OH -] + β 2[OH -]2 + + βn[OH -]n αS= 1 + [H +] + [H+]2 又[S]T = C S - C M + [M]T 67矿 冶 工 程第 35 卷 代入式(1)得 [M]T(CS - C M + [M]T) = KSP,MSαMαS (2) 式(2)即为计算重金属离子残余浓度的基本关系 式,下面分 3 种情况进行讨论 1) 当 CS =C M 时,即重金属离子与硫化剂等当量 混合,[M]T=KSPαMαS。 2) 当 CS>CM时,即 Na2S 过量,由于[M]T比 CS 和 CM小得多,式(2) 括号中的[M]T可忽略,因此 [M]T =K SP,MSαMαS/ (CS -C M)。 3) 当 CS<CM时,即重金属离子过量,硫沉淀完 全,则 [M]T = C M - C S + [S]T= CM- CS+ KSPαMαS 由化学数据速查手册[8]可查得 Pb⁃OH、Hg⁃OH 配 位体配合物的稳定常数、KSP值及 S 2- 加质反应的副反 应系数数据。 由式(1)计算初始浓度为 50 mg/ L 的 Pb 2+ 和 20 mg/ L 的 Hg 2+ 分别加入 1.5 倍和 1.1 倍的硫 化钠,pH 值与沉淀后废水中残余 Pb 2+ 、Hg 2+ 的关系如 图 3 所示。 图 3 pH 值与金属离子残余浓度的关系 由图 3 可知,Pb 2+ 在 pH = 8~9 时残余浓度较低, Hg 2+ 在 pH=3~6 时残余浓度较低。 本文中含 Pb 2+ 废 水在 pH=4 时加入 Na2S,由于硫化钠溶液呈强碱性, 会影响废水的 pH 值,所以加入硫化钠后废水体系的 pH 值基本落在最佳 pH 值范围内。 含 Hg 2+ 废水虽然 不在最佳 pH 值范围内,但由图 2 可知,在 pH 值为 1 时,Hg 2+ 残余浓度也极低,而 Pb 2+ 的硫化沉淀效果较 差,且在此 pH 值下 Pb 2+ 也不与 OH-反应生成沉淀物, 故在此 pH 值下有利于 Pb 2+ 、Hg 2+ 的分步沉淀。 2.3 硫化钠用量对 Pb 2+ / Hg 2+ 沉淀的影响 Na2S 的水溶液呈强碱性,其用量不仅影响金属离 子的硫化沉淀效果,还会影响废水的 pH 值,是决定 Pb 2+ 、Hg 2+ 硫化沉淀浮选效果的关键因素。 初始 pH=4 的含 Pb 2+ 废水与初始 pH=1 的含 Hg 2+ 废水,加入不同 量的硫化钠,反应 12 min,Na2S 用量对 Pb 2+ / Hg 2+ 沉淀 效果的影响如图 4 所示。 图 4 Na2S 用量对 Pb 2+ / Hg 2+ 沉淀率的影响 由图 4 可知,Na2S 用量低于 1.0 倍当量时,Na2S 用量不足,废水中的 Pb 2+ / Hg 2+ 沉淀率都不高,都不能 完全沉淀,因此硫化钠用量应不低于 1.0 倍当量。 含 Pb 2+ 废水加入 1.5~3.0 倍当量 Na2S 时, Pb 2+ 去除率趋 于同一水平上,沉淀效果较好,当 Na2S 为 1.5 倍当量 时,Pb 2+ 沉淀率达到了 98.76%。 含 Hg 2+ 废水加入 1.1~ 3.0 倍当量 Na2S,废水中 Hg 2+ 沉淀率也在同一水平上, 当 Na2S 为 Hg 2+ 的 1.1 倍当量时,废水中的 Hg 2+ 沉淀率 达到了 99.80%。 加入过多的硫化钠不仅会浪费药剂, 而且处理后的废水中含有过量的 S 2- 、HS-等,出水 COD 偏高,造成二次污染,故沉淀 Pb 2+ 和 Hg 2+ 选择的 Na2S 当量分别为 1.5 倍和 1.1 倍。 2.4 反应时间对 Pb 2+ / Hg 2+ 沉淀的影响 初始 pH 值分别为 4 和 1 的含 Pb 2+ 废水和含 Hg 2+ 废水分别在硫化钠为 1.5 倍当量和 1.1 倍当量条件下 沉淀,反应时间对 Pb 2+ / Hg 2+ 沉淀效果的影响如图 5 所示。 图 5 反应时间对 Pb 2+ / Hg 2+ 沉淀率的影响 由图 5 可知,随着反应时间延长,重金属沉淀率增 大。 反应时间为 6 min 时,反应时间过短,沉淀反应进 行得不充分,残余重金属离子浓度较高;反应进行到 77第 2 期李 骞等 从含重金属废水中回收铅、汞的研究 12 min 时,重金属沉淀率较高,其中废水中残余 Pb 2+ 浓度为 0.53 mg/ L,残余 Hg 2+ 浓度为 0.04 mg/ L。 继续 延长反应时间,金属离子沉淀率没有明显变化,故选择 沉淀时间为 12 min。 2.5 浮选 pH 值对 Pb 2+ / Hg 2+ 回收率的影响 将上述沉淀条件下沉淀的含 Pb 2+ 和含 Hg 2+ 废水 (未澄清)注入浮选机中,调节 pH 值后,加入丁黄药和 2#油,浮选5 min。 浮选 pH 值对铅、汞回收率的影响如 图 6 所示。 图 6 浮选 pH 值对铅/ 汞回收率的影响 由图 6 可知,pH=5~10 时,铅回收率均保持在较 高水平;pH= 11 时,铅回收率明显下降。 根据离子吸 附假说,浮选 pH 值应大于 pKa(黄原酸的解离常数 Ka=110 -5 ),在高 pH 值下,捕收剂负离子与矿浆中的 OH-发生竞争吸附,阻碍了捕收剂在沉淀物表面的吸 附,这可能是铅在高 pH 值下回收率下降的原因之一。 汞回收率受 pH 值的影响较大,当 pH=1~4 时,汞回收 率随着 pH 值增大快速增加;在 pH=5~10 范围内回收 率基本保持不变,但在 pH>11 后略有下降。 故分别在 pH 值为 4 和 6 的条件下进行后续汞沉淀和铅沉淀 浮选。 2.6 丁黄药用量对 Pb 2+ / Hg 2+ 回收率的影响 不同丁黄药用量对 Pb 2+ / Hg 2+ 回收率的影响如 图 7 所示。 图 7 丁黄药用量对铅/ 汞回收率的影响 由图 7 可知,随着丁黄药用量增加,铅和汞回收率 都呈上升趋势,但丁黄药用量增加到一定量后,继续增 加药剂用量,重金属回收率几乎保持不变。 在丁黄药 用量为 25 mg/ L 时,处理后含铅废水中残余 Pb 2+ 为 0.56 mg/ L,铅回收率高达 98.80%。 在丁黄药用量为 40 mg/ L,浮选后含汞废水中残余 Hg 2+ 为 0.03 mg/ L, 汞回收率高达 99.85%。 丁黄药主要用于改善沉淀物 表面的疏水性,其用量直接影响浮选效果。 丁黄药加 入量太少,吸附在沉淀物上的丁黄药不够,沉淀物可浮 性不好,浮选不完全;随着丁黄药用量增加,沉淀物对 丁黄药的吸附量达到饱和,此时浮选回收率最大;达到 饱和用量后继续增加丁黄药用量,重金属回收率保持 不变,多余的丁黄药还会对水体造成污染,故分别选用 25 mg/ L 和 40 mg/ L 丁黄药浮选铅沉淀和汞沉淀。 2.7 混合金属离子的分步沉淀⁃浮选研究 金属离子只有从液相体系中析出,生成固态结晶, 才能有效浮选处理废水,回收重金属。 硫化铅溶度积为 8.010-28,硫化汞溶度积(黑色)为 1.610-52,由此可知, 金属离子的沉淀顺序为先汞后铅。 重金属离子沉淀完 全与否,主要取决于 Na2S 的加入量和酸度(即 pH 值) 的影响。 根据初始 pH 值对 Pb 2+ 、Hg 2+ 沉淀效果试验可 知,在 pH=1 时,Hg 2+ 沉淀效果较好,Pb 2+ 几乎不沉淀。 因此,控制废水中的 Na2S 浓度,Pb 2+ 、Hg 2+ 可分步形成 硫化沉淀,实现 Pb 2+ 、Hg 2+ 的逐一沉淀浮选分离。 初始 pH=1,含50 mg/ L Pb 2+ 和20 mg/ L Hg 2+ 的混 合废水,加入 Hg 2+ 1.1 倍当量 Na2S,反应 12 min 后,注 入浮选机,加入丁黄药 40 mg/ L 和 2#油 18 mg/ L,浮选 5 min;回收浮渣后的废水调节 pH=4,加入 Pb 2+ 1.5 倍 当量 Na2S,反应 12 min 后,加入丁黄药 25 mg/ L 和 2# 油 9 mg/ L,浮选 5 min。 试验结果见表 2。 表 2 铅、汞分步沉淀浮选试验结果 浮选次数 残余离子浓度/ (mgL -1 ) Hg 2+ Pb 2+ 一段浮选0.0247.95 二段浮选0.010.15 由表 2 可知,一段浮选后废水中残余 Pb 2+ 浓度为 47.95 mg/ L,Hg 2+ 浓度为 0.02 mg/ L,铅和汞回收率高 达 99.90%,渣中汞品位为 32.42%。 混合 Pb 2+ 、Hg 2+ 废 水比单一含 Hg 2+ 废水的浮选效果好,这是因为溶液中 的 Pb 2+ 在汞沉淀物的表面吸附,增强了硫化物的疏水 性,起到了活化汞沉淀的作用,使硫化物的可浮性 变好。 二段浮选后,废水中残余 Pb 2+ 浓度为 0.15 mg/ L, Hg 2+ 浓度为 0.01 mg/ L,且二段浮渣全部为铅化合物, 87矿 冶 工 程第 35 卷 不含汞化合物,此时铅品位高达 83.25%。 采用分步硫化沉淀浮选法处理含重金属废水,处理 后出水的Pb 2+ 、Hg 2+ 含量分别在0.20 mg/ L 和0.02 mg/ L 以下,符合 GB8979-1996污水综合排放标准 [9]的一 级标准(总铅离子浓度不高于 1 mg/ L,总汞离子浓度 不高于 0.05 mg/ L)。 3 结 论 1) 采用分步硫化沉淀浮选法处理含重金属废水, 处理后出水的 Pb 2+ 、Hg 2+ 含量分别在 0.20 mg/ L 和 0.02 mg/ L 以下,符合 GB8979-1996污水综合排放标 准的一级标准(总铅离子浓度不高于 1 mg/ L,总汞离 子浓度不高于 0.05 mg/ L)。 2) 影响硫化沉淀浮选效果的主要因素有废水 pH 值、硫化钠用量和捕收剂用量。 初始 pH 值为 1 的混 合废水,加入 Hg 2+ 1.1 倍当量 Na2S,40 mg/ L 丁黄药, 浮选后的废水调节 pH 值至 4,加入 Pb 2+ 1.5 倍当量 Na2S,25 mg/ L 丁黄药,浮选回收废渣,废水中铅和汞 回收率均在 99.90%以上。 3) 硫化沉淀浮选法具有金属离子沉淀完全、沉淀 可浮性好、能实现选择性回收多种有用成分的优点。 浮渣中铅品位为 83.25%,汞品位为 32.42%,经脱水后 的浮渣可得到回收,实现了资源的综合利用,因而具有 良好的经济效益和环境效益。 参考文献 [1] 梅光泉. 重金属废水的危害及治理[J]. 微量元素与健康研究, 2004,21(4)53-56. 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