含氟廢水的化學(xué)改良方法
隨著我國(guó)工業(yè)的發(fā)展,含氟廢水的排放量不斷增加。部分地區(qū)水源氟含量超過(guò)1mg/L,造成區(qū)域性水質(zhì)氟中毒。氟是一種微量元素。相關(guān)研究表明,如果每升水含氟量?jī)H為0.4~0.6毫克,對(duì)人體無(wú)害,而如果每升水含氟量大于1.5毫克,則會(huì)給人體帶來(lái)不良影響,也稱高氟水,嚴(yán)重者會(huì)引起氟中毒。因此,國(guó)家多年來(lái)一直嚴(yán)格控制含氟廢水的排放。
對(duì)于含氟廢水的處理,許多學(xué)者一直在進(jìn)行研究。目前,工業(yè)上廣泛采用F-沉淀法。這種方法是在排出的廢水中加入石灰進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)(F與Ca2+反應(yīng))生成氟化鈣沉淀,從而可以去除F-。這種方法的處理成本對(duì)大多數(shù)企業(yè)來(lái)說(shuō)相對(duì)較低,容易被企業(yè)接受。但發(fā)現(xiàn)僅用F沉淀法處理的廢水氟濃度不能穩(wěn)定達(dá)到一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)的要求,相關(guān)人員期待進(jìn)一步研究輔助石灰沉淀法的工藝,進(jìn)一步降低氟濃度。除了石灰沉淀法,還有其他方法,如電滲析法和離子交換樹(shù)脂法。但這兩種方法的缺點(diǎn)是處理成本高,除氟效率低,仍難以推廣使用。本文從另一個(gè)角度對(duì)多氟離子沉淀法進(jìn)行了研究,并對(duì)工藝進(jìn)行了改進(jìn),提高了CaF2的沉淀轉(zhuǎn)化效率。
1.實(shí)驗(yàn)
1.1實(shí)驗(yàn)背景
化學(xué)方面的研究表明,CaCO3等鈣鹽晶格能高,水合能低,導(dǎo)致溶解度低,所以幾乎不溶于水。根據(jù)學(xué)者們過(guò)去的研究,已知CaX2(X=Cl,Br,I)全部溶于水,但CaF2幾乎不溶于水,如表1所示。因此,本文選擇CaCl2作為處理劑,對(duì)純水和氟化鈉配制的溶液(模擬含氟廢水)進(jìn)行處理。傳統(tǒng)的方法是將Ca(OH)2直接投入到含氟廢水中。本文以CaCl2代替Ca(OH)2作為控制變量,以避免Ca(OH)2本身對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響,同時(shí)將CaCl2投加到含氟廢水中使其沉淀。本文的改進(jìn)方法是先在含氟廢水中加入適量晶種,然后加入CaCl2進(jìn)行反應(yīng)。接下來(lái),將圍繞是否播種的變量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較。
1.2實(shí)驗(yàn)過(guò)程
為了控制單一變量,兩組實(shí)驗(yàn)中含氟廢水和氯化鈣溶液的參數(shù)相同。用純凈水和氟化鈉配制含氟濃度為2g/L的含氟廢水的1L,每組實(shí)驗(yàn)取300mL。用純水和CaCl2配制Ca2+濃度為1g/L的1L CaCl2溶液,同樣兩組實(shí)驗(yàn)各取300mL,使含氟廢水和CaCl2溶液的PH為中性,反應(yīng)物不發(fā)生二次酸堿反應(yīng)。根據(jù)表1,本文的實(shí)驗(yàn)適用于24℃的實(shí)驗(yàn)室。
第一組實(shí)驗(yàn),模擬傳統(tǒng)的石灰沉淀法,將300mL含氟廢水和300ml CaCl 2溶液混合在同一個(gè)燒杯中,如圖1A,開(kāi)始計(jì)時(shí),在計(jì)時(shí)期間進(jìn)行連續(xù)攪拌。
第二個(gè)實(shí)驗(yàn),先將20克晶種放入300毫升含氟廢水的燒杯中,攪拌一會(huì)兒,然后將300毫升CaCl2溶液倒入含氟廢水的燒杯中,如圖1A所示,開(kāi)始計(jì)時(shí),計(jì)時(shí)期間繼續(xù)攪拌。
每組進(jìn)行4次實(shí)驗(yàn),并探究?jī)山M之間化學(xué)反應(yīng)時(shí)間的差異。計(jì)時(shí)分別為1分鐘、2分鐘、3分鐘和4分鐘。計(jì)時(shí)結(jié)束后,停止攪拌,過(guò)濾的方法是將一張A4紙卷成漏斗狀,放在漏斗的內(nèi)表面,靠近漏斗。如圖1B所示,A4紙卷的漏斗口應(yīng)保持在0.5毫米左右,過(guò)濾后,用烘干機(jī)將A4紙和沉淀物烘干。兩組實(shí)驗(yàn)的干燥時(shí)間為
根據(jù)化學(xué)反應(yīng)原理,溶解度較高的氯化鈣可與含F(xiàn)-的溶液復(fù)分解生成溶解度較低的沉淀?;瘜W(xué)反應(yīng)方程式如下:
所以反應(yīng)后的沉淀主要是CaF2,其中第二個(gè)實(shí)驗(yàn)的沉淀也有實(shí)驗(yàn)前加入的晶種。
兩組在相同的時(shí)間和相同的條件下進(jìn)行四個(gè)不同反應(yīng)時(shí)間的實(shí)驗(yàn),反應(yīng)時(shí)間為攪拌時(shí)間。以時(shí)間為橫坐標(biāo),重量為縱坐標(biāo),記錄并統(tǒng)計(jì)四次實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)。通過(guò)兩種實(shí)驗(yàn)方法獲得的CaF2重量隨反應(yīng)時(shí)間的變化如圖2所示:
第一組沉淀CaF2的重量為:
其中m是干燥后測(cè)得的實(shí)際重量數(shù)據(jù),m紙是A4紙的重量。
第二組沉淀CaF2的重量為:
其中,m晶種是第二次實(shí)驗(yàn)中加入的晶種的重量。
1.3結(jié)果分析
從圖2可以看出,在相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和條件下,(1)在相同的沉淀反應(yīng)時(shí)間內(nèi),第二組加晶種的實(shí)驗(yàn)多于第一組不加晶種的實(shí)驗(yàn);(2)再次比較兩條曲線,隨著反應(yīng)時(shí)間的增加,兩組實(shí)驗(yàn)中沉淀轉(zhuǎn)化子的重量差異較大。因此,向含氟廢水中依次加入晶種和CaCl2可以促進(jìn)CaF2沉淀的形成,即可以有效提高CaF2的沉淀轉(zhuǎn)化效率。進(jìn)一步探究原因是晶種形成晶核,能促進(jìn)晶種表面同晶型的F晶體,加速與Ca2+的沉淀反應(yīng)。
2.結(jié)論
含氟廢水對(duì)環(huán)境和人體有害。國(guó)家嚴(yán)格限制含氟廢水的排放。工業(yè)的發(fā)展也要求環(huán)保工業(yè)處理廢水。主要探討了加入氯化鈣和晶種對(duì)廢水中氟的去除效果,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法具有效率高、效果好的優(yōu)點(diǎn),可為環(huán)保行業(yè)處理含氟廢水提供參考。CaF2用途廣泛,這種產(chǎn)品經(jīng)過(guò)含氟廢水處理后可以重復(fù)使用,包括玻璃、搪瓷、釉料等。(來(lái)源:東莞匯豐環(huán)保科技有限公司)
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