电解法处理含镍废水的研究

电解法处理含镍废水的研究
摘要：含镍废水不仅造成镍金属的浪费，并且带来环境污染。

本文通过配制硫酸镍溶液模拟含镍废水，采用电解法确定最佳阳极材料为钌涂层钛板，并研究了电解时间、电流强度和Ni2+浓度等因素对Ni2+的回收率的影响。

实验结果表明：在电解时间240 min，电流强度15 A，Ni2+浓度20 g/L，电解温度50 o C，pH值6，搅拌速率300 r/min的条件下，Ni2+的回收率为85.42 %，电流效率为52.16 %。

关键字：电解法；含镍废水；回收率；电流效率；
Study on electrolytic treatment of nickel - containing
wastewater
Abstract: Wastewater containing nickel not only causes waste of nickel metal, but also brings environmental pollution. In this paper, nickel sulfate solution was used to simulate nickel-containing wastewater. The best anode material was determined to be ruthenium-coated titanium plate by electrolytic method. The effects of electrolysis time, current intensity and nickel ion concentration on Ni2+ recovery were studied. The experimental results show that the recovery rate of Ni2+ is 85.42 %，and efficiency is 52.16 % under the condition of 240 min electrolysis time, 15 A amperage, 20 g/L，Ni2+concentration, 50 °C electrolysis temperature, 6 pH and stirring rate of 300 r/min.
Key words: Electrolysis method; Nickel-containing wastewater; Recovery rate; Current efficiency;
0引言
镍是一种似银白色且延展性良好的金属，由于其高度抗腐蚀性和抗腐蚀性[1]，被广泛用于电镀行业。

含镍电镀废水能够对人体造成巨大的健康危害，电解法处理废水具有效果好、效率高[2]等优点，本文通过硫酸镍溶液模拟电镀废水，以不锈钢为阴极，钌涂层钛板为阳极，分析了电解时间、电流强度和Ni2+浓度等因素对Ni2+的回收率的影响，得到其最佳工艺条件。

1实验材料及方法
1.1实验仪器及试剂
实验所用化学试剂包括：乙二胺四乙酸二钠（AR），硫酸镍（AR），醋酸钠（AR），二甲酚橙（AR），氢氧化钠（AR），盐酸（AR），硫
酸（AR），锌粉（AR），冰醋酸（AR）等。

实验所用仪器包括：PHS-3C型pH计、FA2204型电子天平、SHZ-A型水浴恒温振荡器、E3620A实验室用两路输出电源、自行设计的石英玻璃电解槽（20cm×10cm×12cm）等。

实验所用阳极材料包括钌涂层钛板、石墨和不锈钢，阴极材料为不锈钢，尺寸自行定制，极板布置为阴阳间隔，极距为20mm。

1.2实验原理
含镍废水电解时，主要发生以下反应[3]。

阳极发生H2O的分解反应：
2 H2O = O2↑+ 4 H + 4e-（1）
阴极发生Ni2+氧化反应：
Ni2+ + 2e- = N i↓（2）
2 H + 2e- = H2↑（3）
1.3实验方法
通过配制硫酸镍溶液模拟电镀废水，然后通过硫酸与氢氧化钠调节电解质溶液pH，石英玻璃电解槽置于水浴恒温振荡器，直流电源供电，搅拌混合电解液。

实验主要分析不同阳极材料、电解时间和电流强度等因素对废水中Ni2+回收率的影响，并探讨最佳工艺参数。

Ni2+浓度通过EDTA配位滴定法测定，并根据式（1）计算其回收率：
回收率=100%
×
C
C
-
C
t
0（1）式中：C0表示电解前的Ni2+浓度（g/L）；
C t表示电解t时刻Ni2+浓度（g/L）。

电流效率[4]同样作为评价指标，其计算公式为：
电流效率=100%
×
kIt
M1
（2）式中：M1表示实际上阴极析出Ni的质量（g）；k表示电化当量(1.095g/(A·h))；I表示电流强度（A）；t表示电解时间（min）。

2结果与讨论
2.1 不同阳极材料的影响
为了分析不同阳极材料的影响，钌涂层钛板、石墨和不锈钢为阳极，不锈钢板为阴极，Ni2+浓度15 g/L，pH值5.0、温度40 o C、电流强度15 A、电解时间210 min，Ni2+回收率曲线见图1。

回
收
率
（
%
）
时间（min）
图1 不同阳极材料对镍回收率的影响
由图1可知，三种阳极材料皆可以有效回收Ni 2+
，120 min 内Ni 2+
回收率大小顺序为：
不锈钢板<石墨<钌涂层钛板，表明钌涂层钛板的电解性能最佳；120 min 之后，Ni 2+
回收率
大小顺序为：石墨<不锈钢板<钌涂层钛板，石墨在电解的过程中出现溶解掉渣从而导致回收率增长下降，因此，最后选择钌涂层钛板作为阳极进行研究。

2.2 电解时间的影响
为了分析电解时间的影响，钌涂层钛板为阳极，不锈钢板为阴极，Ni 2+浓度15 g/L ，pH 值5.0、温度40 o C 、电流强度12 A 、间隔60 min 测定Ni 2+浓度，Ni 2+回收率曲线见图2。

回收率（%）
时间（min ）
图2 电解时间对镍回收率的影响
由图2可知，Ni 2+
回收率随着电解时间的
增加呈现先急速增加后上升缓慢的趋势，240 min 之后上升幅度明显降低，基本可以忽略不计，因此电解时间选择240 min 。

2.3 电流强度的影响
为了分析电流强度的影响，钌涂层钛板为
阳极，不锈钢板为阴极，Ni 2+浓度15 g/L ，pH 值5.0、温度40 o C 、电流强度分别为5 A 、10 A 、15 A 、20 A 和25 A ，电解时间240 min ，Ni 2+回收率与电流效率曲线见图3。

电流强度（A ）
回收率（%）
电解效率（%）
图3 电流强度对镍回收率的影响
由图3可知，回收率随着电流强度的增加呈现不断上升的趋势，而电解效率呈现先增加后下降的趋势，电流强度为15 A 时，电解效率达到峰值40.27 %。

这是因为增大电流能够加快溶液中离子定向运动速率[5]，电流强度大于15 A 后，阴极析出氢气明显增加，因此电流强度选择15 A 。

2.4 Ni 2+浓度的影响
为了分析Ni 2+浓度的影响，钌涂层钛板为阳极，不锈钢板为阴极，Ni 2+浓度分别为10 g/L 、15 g/L 、20 g/L 、25 g/L 和30 g/L ，pH 值5.0、温度40o C 、电流强度15 A ，电解时间240 min ，Ni 2+回收率与电流效率曲线见图4。

镍离子浓度（g/L ）
回收率（%）
电解效率（%）
图4 Ni 2+浓度对回收率和电流效率的影响 由图4可知，回收率和电流效率随着电流强度的增加呈现先上升后下降的趋势，Ni 2+浓度为20 g/L 时，两者皆达到最大，回收率为电流效率65.29 %，电流效率为40.03 %。

Ni 2+浓度较低时，浓差极化为回收率与电流效率较低的主要原因；随着Ni 2+浓度增加，浓差极化得到缓解，两者出现上升的趋势；Ni 2+浓度达到一定限度时，H +竞争增加导致两者出现下降的趋势[6]。

因此，Ni 2+浓度选择20 g/L 。

2.5 温度的影响
为了分析温度的影响，钌涂层钛板为阳极，不锈钢板为阴极，Ni 2+浓度20 g/L ，pH 值5.0，温度分别为20 o
C 、30 o
C 、40 o
C 、50 o
C 和60
o
C ，电流强度15 A ，电解时间240 min ，Ni 2+
回收率与电流效率曲线见图5。

温度（o C ）
回收率（%）
电解效率（%）
图5 温度对回收率和电流效率的影响
由图5可知，回收率和电流效率随着温度的升高呈现不断上升的趋势，表明升高电解液温度有利于Ni 2+的析出。

其原因可能是温度提高有利于电解液中离子的扩散，进而降低浓差极化引起的析镍过电位。

综合考虑，电解温度选择50
o
C 。

2.6 pH 值的影响
为了分析pH 值的影响，钌涂层钛板为阳
极，不锈钢板为阴极，Ni 2+浓度20 g/L ，pH 值分别为3.0、4.0、5.0、6.0和7.0，温度50 o C ，电流强度15 A ，电解时间240 min ，Ni 2+
回收率与电流效率曲线见图6。

pH
回收率（%）
电解效率（%）
图6 pH 值对回收率和电流效率的影响
由图6可知，回收率和电流效率随着pH
值的升高呈现先上升后下降的趋势。

当pH 值为6，两者达到最大，回收率为电流效率80.14 %，电流效率为49.21 %。

pH 值由3上升到6时，电解液中H +降低有利于Ni 2+的析出，pH 值为7时，电解液中出现少许Ni(OH)2沉淀，导致回收率和电流效率下降。

因此，最佳的电解pH 值为6.0。

2.7搅拌速率的影响
为了分析搅拌速率的影响，钌涂层钛板为阳极，不锈钢板为阴极，Ni 2+浓度20 g/L ，pH 值5.0，温度50 o C ，电流强度15 A ，电解时间240 min ，设置不同的搅拌速率，Ni 2+回收率与电流效率曲线见图7。

搅拌速率（r/min ）
回收率（%）
电解效率（%）
图7 搅拌速率对回收率和电流效率的影响
由图6可知，随着搅拌速率的增大，回收
率和电解效率具有一定幅度的提高，其原因在于
搅拌不仅能够加速离子运动，及时补充阴极的
Ni 2+，有效地降低浓差极化[7]，而且能够加速氢
气的逸出。

因此，电解过程中搅拌速率选择300
r/min 。

3结论
利用硫酸镍溶液模拟电镀废水，采用电解法电解能够有效的回收废水中Ni 2+。

对比钌涂层钛板、石墨和不锈钢三种阳极材料，确定最佳的阳极材料为钌涂层钛板。

通过分析电解时间、电流强度和Ni 2+浓度等因素对Ni 2+的回收率的影响，得到最佳工艺条件：电解时间240 min ，电流强度15 A ，Ni 2+浓度20 g/L ，电解温度50o C ，pH 值6，搅拌速率300 r/min ，在此条件下，Ni 2+的回收率为85.42 %，电流效率为52.16 %。

参考文献
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