華開強(qiáng)，曹思敏，徐乾德，王宇斌，田曉珍

（西安建筑科技大學(xué)資源工程學(xué)院，陜西西安710055）

含重金屬離子的工業(yè)廢水主要來源于電鍍、采礦、選礦、金屬冶煉和特種玻璃等化工產(chǎn)業(yè)[1]。世界衛(wèi)生組織曾頒布公告指出重金屬不僅有毒，而且有致癌作用，并能使正在發(fā)育的兒童造成畸形[2，3]。超標(biāo)排放的重金屬會污染水體和土壤，經(jīng)過動、植物的吸收和富集可以通過飲食再轉(zhuǎn)移到人體內(nèi)引起慢性中毒[4，5]。重金屬中Hg、Pb、Ni、Cr、Cd、Ag 為國標(biāo)規(guī)定的第一類污染物[6]，而Cu、Zn、Mn 為第二類污染物[7]，其影響比第一類污染物質(zhì)小。因此，重金屬高效回收處理技術(shù)的研發(fā)日益受到重視[8]。在眾多的重金屬回收處理技術(shù)中，電化學(xué)預(yù)處理工藝是一種新興的、對環(huán)境友好的、不引入二次污染的水處理技術(shù)[9，10]，利用該工藝進(jìn)行含重金屬離子的工業(yè)廢水處理不僅能夠高效處理并回收低質(zhì)量分?jǐn)?shù)的重金屬廢水，且其藥劑來源非常廣泛，不僅可以降低捕收劑的生產(chǎn)成本，還可以減少工業(yè)廢水的處理費(fèi)用，因而具有良好的經(jīng)濟(jì)效益[11]。研究采用含銅離子的溶液模擬礦山含Cu2+的廢水，將電化學(xué)預(yù)處理、傳統(tǒng)浮選工藝及重金屬廢水處理相結(jié)合，揭示不同電化學(xué)預(yù)處理?xiàng)l件對浮選藥劑物化性質(zhì)的影響， 并基于正交試驗(yàn)優(yōu)化電化學(xué)浮選的藥劑制度。既為我國重金屬離子廢水的處理及回收提供理論借鑒，又為電化學(xué)浮選技術(shù)在環(huán)境工程領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論依據(jù)，從而使重金屬離子廢液中的重金屬離子資源得到高效利用，同時(shí)為其他種類廢水的處理提供借鑒。

1 試驗(yàn)材料、設(shè)備及方法

1.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

試驗(yàn)使用的材料和設(shè)備分別見表1 和表2。

表1 試驗(yàn)材料表

表2 試驗(yàn)設(shè)備表

1.2 電化學(xué)預(yù)處理藥劑試驗(yàn)

將配置成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的丁基黃藥在電解槽內(nèi)進(jìn)行電化學(xué)處理，電化學(xué)預(yù)處理在不同極板間距、陽極材料、電解時(shí)間和和電流密度等條件下進(jìn)行，待電化學(xué)預(yù)處理完成后，對溶液的物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行檢測。

1.3 模擬廢水浮選試驗(yàn)

用五水硫酸銅分別配置不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的模擬含銅離子廢水，并加入浮選藥劑并調(diào)漿一定時(shí)間，然后向浮選機(jī)內(nèi)通入空氣并刮泡，將所得泡沫產(chǎn)品過濾、烘干、稱重，最后結(jié)合礦漿中殘留重金屬離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算中金屬離子的回收率并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行極差分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 電化學(xué)預(yù)處理試驗(yàn)

將配置好的丁基黃藥溶液在電解槽內(nèi)進(jìn)行電化學(xué)預(yù)處理，并設(shè)置不同的預(yù)處理?xiàng)l件電流密度、極板間距、電解時(shí)間和電極材質(zhì)等條件下進(jìn)行，待電化學(xué)預(yù)處理完成后，對其進(jìn)行電導(dǎo)率、pH 值檢測，并對得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。由于電導(dǎo)率可表征丁基黃藥的電離程度，電離程度越大，其越容易與銅離子生成絡(luò)合物，即在浮選中作用效果越好。相對于pH 值溶液電導(dǎo)率能更直觀地表征丁基黃藥在浮選中的作用效果，故研究以電導(dǎo)率為主要表征手段。

2.1.1 不同電化學(xué)預(yù)處理?xiàng)l件對丁基黃藥溶液電導(dǎo)率的影響

不同電化學(xué)預(yù)處理?xiàng)l件對丁基黃藥溶液電導(dǎo)率的影響如圖1 所示。

圖1 不同電化學(xué)預(yù)處理?xiàng)l件對丁基黃藥溶液電導(dǎo)率的影響

由圖1（a）可知，隨著極板間距的增大，電導(dǎo)率先增大后減小，當(dāng)極板間距為6 時(shí)，電導(dǎo)率達(dá)到最大值。由圖1（b）可知，當(dāng)分別以銅、鉛、石墨、不銹鋼作為陽極材料進(jìn)行電化學(xué)預(yù)處理時(shí)，以石墨為陽極材料時(shí)，電導(dǎo)率最大。由圖1（c）可知，延長電解時(shí)間，電導(dǎo)率先增大后保持不變，當(dāng)電解時(shí)間為15min 時(shí)，電導(dǎo)率達(dá)到最大值。電解時(shí)間為10min 時(shí)，電導(dǎo)率最大，為最佳電化學(xué)處理?xiàng)l件。由圖1（d）可知，電導(dǎo)率隨著電流密度的增大先增大再減小又增大的趨勢，當(dāng)電流密度為0.15A 時(shí)，電導(dǎo)率達(dá)到最小值，之后隨著電流密度的增大，電導(dǎo)率隨之增大。

2.1.2 不同電化學(xué)預(yù)處理?xiàng)l件對丁基黃藥溶液pH 值的影響

不同電化學(xué)預(yù)處理?xiàng)l件對丁基黃藥溶液pH值的影響如圖2 所示。

圖2 不同電化學(xué)預(yù)處理?xiàng)l件對丁基黃藥溶液pH 值的影響

由圖2（a）可知，隨著極板間距的增大，pH值變化不明顯。由圖2（b）可知，陽極材料為銅時(shí)，pH 值最小；陽極材料為不銹鋼時(shí)，pH 值最大。由圖2（c）可知，隨著電解時(shí)間增大，pH 值先增大后減小，當(dāng)電解時(shí)間為5min 時(shí)，pH 值最小，當(dāng)電解時(shí)間為15min 時(shí)，pH 值最大；由圖2（d）可知，隨著電流密度的增大，pH 值先增大后減小，當(dāng)電流密度為0.15A 時(shí)，pH 值達(dá)到最大值。對比圖2 中（a）～（d）可知，在電化學(xué)預(yù)處理過程中，陽極材料和電解時(shí)間對丁基黃藥溶液pH 值的影響較大，電流密度對丁基黃藥溶液pH 值的影響較小，而極板間距對丁基黃藥溶液pH 值的影響不明顯。通過分析圖1 和圖2 可知，極板間距為6.5cm，陽極材料為石墨，電解時(shí)間為10min，電流密度為0.25A 時(shí)，丁基黃藥的作用效果最好。

2.2 浮選試驗(yàn)結(jié)果

選用丁基黃藥用量、2 號油用量、誤差項(xiàng)、廢水中Cu2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)四個(gè)因素，采用4 因素3 水平的正交試驗(yàn)，并在適當(dāng)范圍內(nèi)選定各因素的水平。正交因素及對應(yīng)水平見表3，正交試驗(yàn)浮選的結(jié)果如表4 所示，極差分析結(jié)果如表5 所示。

表3 正交試驗(yàn)因素水平表

表4 正交試驗(yàn)安排及結(jié)果

由表4 可知，試驗(yàn)3 的條件下，銅離子回收率最低，達(dá)到13.64%，試驗(yàn)5 的條件下，銅離子回收率最高，達(dá)到63.64%。由此可見，當(dāng)廢水中Cu2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40mg/L，丁基黃藥（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%）用量為16mL，二號油用量為40mg/L 時(shí)，銅的回收率最高為63.64%。

表5 不同浮選條件對Cu2+回收率的影響

由表5 可知，對于廢水中Cu2+回收率來說，因素A 和因素D，即黃藥用量和廢水中Cu2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)的極差較大，可見其對廢水中Cu2+回收率影響較大；因素B，即二號油用量的極差較小，說明二號油用量對廢水中Cu2+回收率影響較小。

3 結(jié)論

3.1 電化學(xué)預(yù)處理可通過丁基黃藥的物化性質(zhì)而提高其作用效果。當(dāng)極板間距為6.5cm，陽極材料為石墨，電解時(shí)間為10min，電流密度為0.25A時(shí)，丁基黃藥的作用效果最好。

3.2 電化學(xué)浮選試驗(yàn)中丁基黃藥用量和廢水中Cu2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)對廢水中銅的回收率影響較大，二號油用量對廢水中Cu2+回收率影響較小。當(dāng)廢水中Cu2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40mg/L，丁基黃藥（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%）用量為16mL，二號油用量為40mg/L 時(shí)，銅的回收率最高為63.64%。