Hans Journal of Chemical Engineering and Technology
Vol.07 No.01(2017), Article ID:19599,9
pages
10.12677/HJCET.2017.71004
Study on the Application of Neutralization Method in the Treatment of Pickling Waste Liquid of Steel Cord
Ye Wang1, Lin He2, Qiong Xu1, Xin Zhou1, Chenpeng Mao1
1Qingdao Technological University, Qingdao Shandong
2Qingdao Municipal Environmental Protection Bureau Huangdao Branch, Qingdao Shandong
Received: Dec. 30th, 2016; accepted: Jan. 19th, 2017; published: Jan. 22nd, 2017
ABSTRACT
Taking the steel cord acid washing waste as raw material, we studied the neutralization method to remove the heavy metal ions in pickling waste liquid. The effects of NaOH, Ca(OH)2 and CaO on the removal of heavy metals from waste acid were studied by filtrate production, sludge yield and the residual amount of heavy metals in the filtrate. The results show that the neutralization method can remove the residual heavy metals Zn, Ni, Pb and Cr effectively. The optimal dosage of calcium hydroxide was 23%. The removal rates of iron, zinc, nickel, lead and chromium were 99%, 99%, 78%, 93% and 97%, respectively.
Keywords:Pickling Waste Water, Neutralization Method, Heavy Metal, Steel Cord
中和法在钢帘线酸洗废液处理中的应用研究
王烨1，贺琳2，许琼1，周芯1，毛晨鹏1
1青岛理工大学，山东 青岛
2青岛市环保局黄岛分局，山东 青岛
收稿日期：2016年12月30日；录用日期：2017年1月19日；发布日期：2017年1月22日
摘 要
以钢帘线酸洗废液为原料，研究中和法对酸洗废液中重金属离子的去除情况。选用NaOH、Ca(OH)2、CaO三种药剂，通过研究滤液产量、污泥产量、滤液中重金属残余量，考察中和法对废酸重金属去除效果。结果表明：中和法对酸洗废液中残留重金属锌、镍、铅、铬等去除效果较好。其中氢氧化钙处理效果最佳，最佳投药量为23%。此时铁、锌、镍、铅、铬的去除率分别为99%、99%、78%、93%、97%。
关键词 :酸洗废液，中和法，重金属，钢帘线
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1. 引言
钢结构、铁塔、钢帘线等产品生产过程中需要用盐酸或者硫酸对钢材金属表面进行酸洗除锈处理，由此产生大量的危险废物—酸洗废液 [1] 。
目前，关于酸洗废液的研究主要以综合利用为主，如王文生 [2] 等以轧钢酸洗废液为原料，制备廉价铁磁流体，邱慧琴等 [3] 通过在盐酸酸洗废液中添加少量的铝酸钙粉，得到聚合氯化铁铝(PFAC)，曾小君 [4] 等把过量的废铁屑加入到钢铁酸洗废液中，采用氯酸钠氧化法，制取聚合氯化铁溶液。在这些酸洗废液综合利用的研究中，均没有考虑酸洗废液中重金属的问题。对于重金属含量较高的酸洗废液不适于直接利用，必须采取措施去除重金属后再利用，或处置。中和法是酸洗废液处置的主要手段，但关于酸洗废液中和处置过程中，加碱药剂的选择、重金属离子净化效率等问题的研究较少。
本文以钢帘线酸洗废液为研究对象，根据重金属离子净化效率、处理成本等因素优化加碱种类、控制参数，以期为酸洗废液中和处置法的实际应用提供参考。
2. 试验部分
2.1. 废酸指标
试验用酸洗废液取自青岛某钢帘线厂酸洗废液，各指标含量见表1。
2.2. 实验主要仪器和试剂
1) 试验用主要仪器见表2。
2) 试验主要用试剂见表3。
2.3. 污泥比阻测定原理与方法
主要仪器：污泥比阻测定装置，装置简易图参见图1。
Table 1. Quality indicators of waste acid
表1. 废酸指标
Table 2. The main instruments used in the experiments
表2. 试验用主要仪器
Table 3. The main chemical reagents used in the experiment
表3. 试验所用的主要化学试剂
1—滤液计量管 2—布氏漏斗 3—压力调节阀 4—真空压力表 5—缓冲罐 6—真空泵
Figure 1. Determinational installation diagram of sludge specific resistance
图1. 测定污泥比阻的装置简图
污泥比阻计算公式为：
(2-1)
式中：
α—污泥比阻(s2/g)；
p—过滤压力(g/cm2)；
F—过滤面积(g/cm2)；
μ—滤液粘度(g/(cm∙s))。
需要在实验条件下求出b及C。
b的求法。可在定压下(真空度保持不变)通过测定一系列的t~V数据，用图解法求斜率(见图2)。
C值的求法：
(2-2)
式中：
Ci——100 g污泥中的干污泥量；
Cf——100 g滤饼中的干污泥量。
2.4. 实验原理
中和法的基本原理是通过添加化学沉淀剂，使水中离子状态的重金属离子转变为难溶的重金属化合物。通过过滤将泥水分离，将重金属化合物转移到污泥沉淀中。操作简便，处理水量大，去除范围广、效率高。
2.5. 实验方案
1) 采用干投法，将三种药剂分别以固体形态投加到酸洗废液中，根据最终滤液pH确定投加量的梯度。pH范围确定为6.50~9.50。
2) 针对干投法产生的污泥首先测定污泥比阻。过滤得滤液测pH，经过预处理后测滤液中重金属含量。
3. 结果与讨论
3.1. 药剂投加量对pH影响
由图3中可以看出将废酸液调制中性范围，三种固体药剂的使用情况，其中Ca(OH)2的投加量最大，变化范围为22%~23%；NaOH的投加区间为17%~18%；CaO投加量最少，在13%~14%。pH值都随药剂投加量的增加而增加，三种药剂投加后，与酸洗废液剧烈反应，放出大量的热，有液体飞溅。反应过程中氧化钙易于结块，难以溶解，实验过程中发现氧化钙的反应速率明显低于其余两种药剂。
3.2. pH对污泥、滤液各指标影响
pH变化对各指标的影响情况如下表4所示。
综合表中分析指标可以看出，加入NaOH药剂时的滤液产生量较其余两种药剂大，而污泥产量较大的是使用Ca(OH)2作为中和药剂时。该中和法处理酸洗废液所得污泥为无机污泥，污泥比阻值均小于0.4 × 109 s2/g，属于易过滤污泥。该方法产生的废水盐度较大，极易结晶析出。研究滤液中的盐分，对于不含有害成分的滤液，可以通过工业企业的高盐管道直接排入到海水中，而如果液体中含有能够在水环境或动植物体内蓄积，对人类健康产生长远不良影响的有害物质是，必须采取一定的措施使其达到排放标准后再进行排放。
3.3. 滤液中重金属残余量研究
3.3.1. pH对滤液锌含量的影响
针对三种不同药剂，不同pH与锌离子浓度变化关系曲线如图4所示。
Figure 2. The diagram graphic method for b
图2. 图解法求b值示意图
Figure 3. The pH value of filtrate varied with the dosage of reagent
图3. 滤液pH随药剂投加量的变化情况
Figure 4. Changes of zinc ion concentration with pH
图4. 锌离子浓度随pH变化情况
Table 4. Table of the corresponding index changes of three kinds of reagents
表4. 三种药剂各指标变化分析表
随pH的升高，Zn2+浓度呈现不同程度的降低，在整个pH变化范围内，氢氧化钙的处理效果最好，当pH为8.52时，锌离子最低浓度为4.32 mg/L。氢氧化钠药剂使用时，最低浓度可达4.38 mg/L，氧化钙使用时最低浓度为6.43 mg/L。Zn(OH)2是两性氢氧化物，在强碱条件下会继续与OH−反应而溶解，所以当pH过大以后，锌离子浓度反而升高。
3.3.2. 滤液pH对铁含量的影响
pH与铁离子浓度变化关系曲线如图5所示。
由图可看到，铁离子浓度随着pH的升高而减小，三种药剂对比来看，仍然是氢氧化钙固体作为药剂时处理效果最好。氢氧化钙对应的处理效果中，最低浓度可以达到25.7 mg/L，相对于原液中的高浓度铁离子，该方法已经达到了将近99%的去除率。
3.3.3. pH对铅含量的影响
pH与铅离子浓度的变化关系曲线如图6所示。
从图中可以看出，对于铅离子的去除情况，NaOH药剂处理效果最佳，Ca(OH)2次之。总体来说三种药剂对于铅的去除效果还是很好的，利用氢氧化钠的最低浓度可达0.558 mg/L，氢氧化钙最为药剂使用时，浓度最低为0.568 mg/L，氧化钙对应的最低浓度为0.875 mg/L。
3.3.4. pH对铬离子含量的影响
pH与铬离子浓度变化关系曲线如图7所示。
对于铬离子的去除情况，三种物质作为对比药剂来看，氢氧化钠的处理效果最优，Ca(OH)2相对于
Figure 5. Changes of iron ion concentration with pH
图5. 铁离子浓度随pH变化情况
Figure 6. The change of lead ion concentration with pH
图6. 铅离子浓度随pH变化而变化的情况
Figure 7. Changes of chromium ion concentration with pH
图7. 铬离子浓度随pH变化而变化情况
CaO来说去除情况较好。金属铬的氢氧化物同样呈现了两性金属氢氧化物的特点，铬浓度也先随pH的升高而减低，当pH继续升高，铬浓度也有所上升。NaOH、Ca(OH)2、CaO三种药剂对应的铬离子浓度最低点分别为1.04 mg/L、1.39 mg/L、1.44 mg/L。
3.3.5. pH对镍含量的影响
pH与镍离子去除情况的变化关系曲线如图8所示。
三种药剂综合比较来看，镍离子浓度都随着pH的增加而减小，pH值在7.00~8.00之间时，NaOH的处理效果更好。但是在该实验过程中不易控制利用NaOH将pH调节到8.00~9.00。当pH继续增加，氢氧化钙对于镍离子的处理效果要优于氧化钙，最低浓度可以达到5.88 mg/L，相对于原酸洗废液27.100 mg/L的浓度来说，仍具有较高的去除率，为滤液进一步处理减轻负荷。
Figure 8. The change of Ni ion concentration with pH
图8. 镍离子浓度随pH变化情况
Table 5. Summary of the usage of each drug
表5. 各药剂最佳处理情况汇总
综上所述，在分别使用三种药剂作为中和剂的情况下，一方面可以调节改变废酸液的pH使其达到排放标准，同时生成沉淀污泥的形式去除溶液中重金属元素。通过综合前面的实验结果，进一步分析得到各种药剂的最佳处理效果汇总表5如下。
4. 结论
1) 利用碱性药剂与酸洗废液进行中和反应，对滤液中重金属含量进行测定分析。Ca(OH)2、NaOH、CaO三种药剂最佳投加量分别为23%、19%、15%，对铁、锌离子的去除率均能达到98%以上。
2) 对于滤液中镍离子，NaOH药剂处理效果较好，去除率为84%，比其余两种药剂高。
3) Ca(OH)2、NaOH对于铅和铬两种金属元素的去除率为93%、97%，处理效果要优于CaO。
文章引用
王 烨,贺 琳,许 琼,周 芯,毛晨鹏. 中和法在钢帘线酸洗废液处理中的应用研究
Study on the Application of Neutralization Method in the Treatment of Pickling Waste Liquid of Steel Cord[J]. 化学工程与技术, 2017, 07(01): 22-30. http://dx.doi.org/10.12677/HJCET.2017.71004
参考文献 (References)
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