硼酸去除污泥中重金屬Ni

　　新密市城鎮(zhèn)污水廠污泥含水率高、有機(jī)質(zhì)含量多、富集了較多重金屬元素，由于這些重金屬的存在，限制了污泥的土地資源化利用，如果不合理控制，這些污泥施用于土地后將會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染。目前，去除污泥中的重金屬主要方法有化學(xué)法、生物法、植物修復(fù)法，以上三種方法都能夠減少重金屬在污泥中含量。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道可知較多學(xué)者對(duì)檸檬酸浸提污泥中的重金屬進(jìn)行了大量的研究，但是對(duì)于硼酸浸提污泥中重金屬Ni條件優(yōu)化還沒見相關(guān)系統(tǒng)的研究。本文通過化學(xué)試驗(yàn)研究了硼酸浸提污泥中重金屬Ni，確定出浸提時(shí)間、溫度、試劑濃度、pH對(duì)浸提率的影響趨勢(shì)，最后建立近似模型和優(yōu)化算法來確定優(yōu)化組合，以期能為城鎮(zhèn)污泥的重金屬去除供理論依據(jù)。

　　1、材料與方法

　　1.1 材料與設(shè)備

　　1.1.1 試驗(yàn)材料

　　實(shí)驗(yàn)用泥采自于新密市一城鎮(zhèn)污水處理廠脫水泵房，污泥采用風(fēng)機(jī)風(fēng)干后粉碎成粉末，在105℃的烘箱中烘3h至恒重，過100目專用篩，存干燥器中備用。

　　1.1.2 試劑與設(shè)備

　　試劑：硼酸、硫酸、碳酸、鹽酸、草酸、氫氧化鈉。設(shè)備：干燥箱、污泥粉碎機(jī)、天平、恒溫水浴搖床、數(shù)顯恒溫水浴鍋、超聲波清洗儀、原子吸收分光光度計(jì)。

　　1.2 試驗(yàn)方法

　　1.2.1 試驗(yàn)步驟

　　1.2.2 設(shè)計(jì)重金屬Ni浸提條件

　　(1)單因素試驗(yàn)。通過本試驗(yàn)篩選浸提試劑、浸提時(shí)間、浸提溫度、浸提濃度、pH因素比較好的范圍。浸提實(shí)驗(yàn)采用的溶劑為硼酸、硫酸、碳酸、鹽酸，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為3、6、9、12、15、18h，實(shí)驗(yàn)溫度為5、10、15、20、25、30℃實(shí)驗(yàn)濃度為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6mol/L，實(shí)驗(yàn)pH為1、2、3、4、5、6。

　　(2)正交復(fù)合試驗(yàn)?；趩我蛩貙?shí)驗(yàn)為前提，以實(shí)驗(yàn)時(shí)間、實(shí)驗(yàn)溫度、濃度、pH為研究對(duì)象，按L16(44)安排四因素4水平的正交復(fù)合試驗(yàn)，選擇適宜的浸提條件作為Ni浸提評(píng)價(jià)指標(biāo)，具體見下表。

　　1.3 測(cè)定方法

　　1.3.1 Ni的標(biāo)準(zhǔn)曲線制作采用原子吸收分光光度法

　　1.3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

　　重金屬Ni浸提率(%)：浸出酸液中NI的含量與污泥中Ni質(zhì)量的百分比。

　　2、結(jié)果與分析

　　2.1 單因素試驗(yàn)研究

　　2.1.1 實(shí)驗(yàn)試劑的選擇

　　稱取定量?jī)?chǔ)存的污泥粉末，放入到12個(gè)實(shí)驗(yàn)瓶中，每組三個(gè)，一共分為4組。對(duì)應(yīng)加入硼酸、硫酸、碳酸、鹽酸各200mL于實(shí)驗(yàn)瓶并調(diào)好pH，實(shí)驗(yàn)瓶加蓋后放在水浴搖床振蕩提取(避免搖碎)。在時(shí)間12h、溫度20℃、溶劑濃度為0.2mol/L、pH3條件下，研究Ni在不同試劑中的浸提率，如圖3所示。

　　由圖3可知，在相同試驗(yàn)條件下硼酸與碳酸對(duì)重金屬Ni的浸提率較高，浸提率分別是70.88%和60.89%，硫酸和鹽酸對(duì)重金屬Ni的浸提能力較差。所以，后續(xù)試驗(yàn)采用硼酸浸泡污泥浸提重金屬Ni。

　　2.1.2 浸提時(shí)間

　　稱取定量?jī)?chǔ)存的污泥粉末，在溶液濃度0.2mol/L、實(shí)驗(yàn)溫度20℃、pH為3，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為6、9、12、15、18、21h的情況下，研究污泥中Ni的浸提率受時(shí)間的影響。由圖4中a可以看出，在6-15h范圍內(nèi)重金屬Ni的浸提率與時(shí)間成正相關(guān)，Ni的浸提率最高可以達(dá)到75.3%。15h以后Ni的浸提率趨于穩(wěn)定甚至?xí)档?，因此，確定適宜的浸提時(shí)間為15h。

　　2.1.3 浸提溫度

　　稱取定量?jī)?chǔ)存的污泥粉末，在實(shí)驗(yàn)時(shí)間為15h、實(shí)驗(yàn)溫度為10、15、20、25、30、35℃、濃度0.2mol/L、pH3的實(shí)驗(yàn)條件下，研究Ni的浸提率受溫度效果影響變化。由下圖可知，溶液中的Ni含量隨著溫度升高呈遞增趨勢(shì)，其原因?yàn)镹i熱運(yùn)動(dòng)速度隨溫度提高而加速，與硼酸酸進(jìn)行較多的有效結(jié)合。當(dāng)溫度提升到20℃時(shí)，Ni的浸提效率較之前有一定幅度的降低。綜合能源與成本方面考慮，確定溫度為20℃為浸提的合理溫度。

　　2.1.4 浸提pH

　　稱取定量?jī)?chǔ)存的污泥粉末，實(shí)驗(yàn)時(shí)間15h，溫度20℃，pH1、2、3、4、5、6，濃度0.2mol/L的實(shí)驗(yàn)條件下，實(shí)驗(yàn)研究pH對(duì)Ni的浸提效果影響。由圖4中c可以得出，硼酸浸提后的溶液中Ni的含量與pH值呈負(fù)相關(guān)。當(dāng)pH為1時(shí)，Ni的浸提率可以達(dá)到79%,隨著pH值遞增Ni的浸提效果逐漸降低，當(dāng)pH為6時(shí)，Ni的浸提率只有31%。其原因?yàn)椋嵝Чc浸提液中的質(zhì)子運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度有關(guān)。當(dāng)pH升高時(shí)，浸提液中所含的質(zhì)子數(shù)減少，從而導(dǎo)致質(zhì)子的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度下降。由圖4中c可以看出，pH為3時(shí)Ni的浸提率僅比pH為1時(shí)下降低3%左右，綜合考慮企業(yè)實(shí)際應(yīng)用中溶液的酸性太高會(huì)對(duì)企業(yè)相關(guān)設(shè)備系統(tǒng)造成一定的腐蝕作用，所以選擇pH值為3。

　　2.1.5 浸提濃度

　　稱取定量?jī)?chǔ)存的污泥粉末，在實(shí)驗(yàn)時(shí)間15h、溫度20℃，pH3、浸提濃度為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6mol/L的條件下，研究浸提溶液的濃度對(duì)NI的浸提效果的影響。由圖4中的d可以看出，在濃度為0.1-0.2mol/L情況下，Ni的浸提效果隨濃度的增加而遞增，0.3mol/L濃度時(shí)浸提率能達(dá)到為76%。所以選擇浸提液濃度選擇為0.3mol/L。

　　2.2 正交試驗(yàn)結(jié)論

　　通過各種單因素試驗(yàn)，現(xiàn)選取較適宜的浸提濃度、浸提時(shí)間、浸提溫度及pH進(jìn)行一系列的正交試驗(yàn)，結(jié)論下表如所示。

　　由表2結(jié)果可知，當(dāng)試驗(yàn)組合為A0B1C2D2即：采用濃度0.2mol/L的硼酸、浸提15h、浸提溫度20℃、pH3時(shí)，Ni的浸提率最高可達(dá)75.6%。通過計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算處理分析，建立硼酸浸提Ni的分析模型：

　　結(jié)合數(shù)學(xué)中的優(yōu)化算法，確定為A0B1C3D2是最優(yōu)水平組合。即實(shí)驗(yàn)條件為：實(shí)驗(yàn)浸提溶液濃度0.2mol/L、實(shí)驗(yàn)時(shí)間15h、實(shí)驗(yàn)溫度25℃、pH為3時(shí)，硼酸對(duì)Ni的浸提效果最好。

　　2.3 數(shù)學(xué)模型方差分析

　　根據(jù)優(yōu)化原理，不同輸入變量之間存在相互依存與制約的關(guān)系，與輸出變量之間也有一定關(guān)系。通過貢獻(xiàn)量分析，尋找對(duì)優(yōu)化目標(biāo)影響最大的設(shè)計(jì)變量[4]。由圖5可知，溫度變量對(duì)Ni的浸提率影響最大;其次為濃度和時(shí)間;其余設(shè)計(jì)變量的貢獻(xiàn)較小。圖中顯示：當(dāng)貢獻(xiàn)量為正時(shí)，表示可以提高Ni的浸提率;當(dāng)貢獻(xiàn)量為負(fù)時(shí)，表示可以降低Ni的浸提率。由于AB、AC、AD、BC、BD、CD(設(shè)計(jì)變量之間交互作用)對(duì)Ni的浸提率Y的貢獻(xiàn)率非常小，所以只需分析A、B、C、D對(duì)Y的主效應(yīng)。由圖6可知，設(shè)計(jì)變量在不同水平范圍對(duì)NI浸提率的影響。其中A(浸提濃度)與C(浸提溫度)在2-3之間對(duì)Y較為敏感，彼此之間具有負(fù)比例關(guān)系;B(浸提時(shí)間)和D(pH值)在0-1范圍內(nèi)對(duì)Y較為敏感。在這個(gè)范圍內(nèi)，彼此成正比例關(guān)系。

　　2.4?驗(yàn)證性試驗(yàn)

　　稱取定量?jī)?chǔ)存的污泥粉末，在優(yōu)化水平組合A0B1C3D2條件下開展驗(yàn)證性試驗(yàn)，結(jié)果見表3。

　　通過驗(yàn)證試驗(yàn)可知，在優(yōu)化條件下污泥中的重金屬Ni浸提率三次都能夠達(dá)到了較高水平，均值為81.4%,較優(yōu)化前Ni的浸提率提高了7.1%。

　　3、結(jié)論

　　通過一系列的單因素及正交試驗(yàn)得到結(jié)論如下：

　　(1)硼酸的浸提效果最好，對(duì)重金屬Ni的去除性能依次為：硼酸?碳酸?硫酸?鹽酸，浸提率分別是70.88%、60.89%、44.25%、31.70%;

　　(2)硼酸浸提濃度0.2mol/L、pH3、時(shí)間15h、溫度20℃時(shí)，重金屬Ni的浸提率最高可達(dá)76.0%;

　　(3)優(yōu)化水平組合為A0B1C3D2，即硼酸濃度0.2mol/L，浸提時(shí)間15h，浸提溫度25℃，pH3時(shí)，重金屬Ni的浸提率達(dá)到81.4%，比優(yōu)化前提高了7.1%;

　　(4)硼酸可以有效浸提污泥中的重金屬Ni，可以逐步在實(shí)際應(yīng)用中推廣。(來源：中原環(huán)保新密水務(wù)有限公司)