含铁酸洗废液处理新工艺研究

赵峻德，郭浩，赵素芹，王玉曼，杨立芹，赵治巨*

科学研究

含铁酸洗废液处理新工艺研究

赵峻德1,2，郭浩1,2，赵素芹2，王玉曼1,2，杨立芹1,2，赵治巨1,2*

（1. 邢台学院 化学与化工学院， 河北 邢台 054001；2. 河北省功能高分子材料研发与工程应用技术创新中心，河北 邢台 054001）

采用混凝沉淀法对酸洗废液进行直接处理，利用重金属捕捉剂（CU3#）、高分子絮凝剂聚合氯化铝（PAC）和聚丙烯酰胺（PAM）进行配合去除废液中的铁离子，并通过改变实验参数（PAC和CU3#投入量、搅拌方式、温度等）探寻最佳去除工艺条件，同时考察了处理后的酸液可循环使用情况。结果显示：在不改变废液酸性条件下，每50 mL废液直接投加10 mL的7.5% PAC、1 mL的0.2%PAM的溶液、温度为35 ℃、搅拌方式为400 r·min-1快速搅拌5 min后再以150 r·min-1慢速搅拌5 min、CU3#的投加量为3 mL时，铁去除率达到最高为74.03%。同时处理后的酸液能够重复使用5次以上，达到酸洗废液循环再利用的目的。

酸洗废液；铁离子的测定；混凝沉淀法

随着我国钢铁工业快速发展，产量规模不断扩大，但在钢铁制造行业里被广泛应用的酸洗技术会导致大量水资源被消耗和污染，同时酸洗废液容易渗入土壤，会导致地下水重金属含量过高，这会对人类赖以生存的水资源和居住环境造成严重的破坏，危及人类生命健康［1-3］。目前我国电镀、拉拔、冶金等多种行业中普遍利用酸洗技术，每年排放的酸洗废液是其他国家的百倍［4-5］，酸洗废液的处理已成为亟待解决的水污染问题。

目前处理钢铁酸洗废液方法主要有化学法、物理法和生物法［6-7］。其化学法中的混凝沉淀法因其效率高、经济有效、适用领域广泛、操作便捷而成为最广泛应用的一种方法。有机高分子重金属捕集剂是化学法的延伸和拓展，因其具有反应效率高、污泥沉淀快、含水率低、残渣稳定以及选择性良好等优点，特别是对重金属浓度较高的废水处理也有明显效果，而成为国内外重金属废水处理研究的热点［8-9］。

本文采用混凝沉淀法，通过重金属捕捉剂（CU3#）、高分子絮凝剂聚合氯化铝（PAC）和聚丙酰胺（PAM）混凝联用，在不改变酸性条件下，用于直接处理高浓度铁离子酸洗废液，并通过改变实验参数，探究铁离子去除最佳工艺条件，同时考察处理后的酸液可循环使用情况，以达到酸洗废液循环再利用的目的，以期为该方法处理工业酸洗废水提供理论指导与技术支撑。

1 实验部分

1.1 仪器和试剂

721型分光光度计，TAS-990型原子吸收分光光度计，磁力加热搅拌器，电子天平，电热鼓风干燥器，酸式滴定管，锥形瓶，小烧杯，容量瓶，比色管，比色皿，量筒。盐酸，氨水)，磺基水杨酸，氢氧化钠，过硫酸铵，铁标准储备液，抗坏血酸，邻二氮菲，乙酸钠，盐酸（1∶1），PAC，PAM，CU3。

1.2 实验方法

1.2.1 铁离子测定

1）将酸洗液稀释至100 mL，用氨水及盐酸调节pH值，过硫酸铵作还原剂，以20％磺基水杨酸为指示剂，用配好浓度的EDTA溶液测定酸洗废液中的Fe2+离子质量浓度（g·L-1）。在强酸性条件下，Fe2+与磺基水杨酸根离子形成红紫色络合物，计算公式如下：

（Fe3+）=0.1×56×/； （1）

（Fe2+）=0.1×56×/。 （2）

式中：（Fe3+）—酸洗液中 Fe3+的质量浓度，g·L-1；

（Fe2+）—酸洗液中 Fe2+的质量浓度，g·L-1；

—0.1 mol·L-1EDTA消耗量，mL；

—0.1 mol·L-1EDTA消耗量，mL；

56—铁的摩尔质量；

—所取酸洗液体积，mL。

2）利用抗坏血酸可将Fe3+全部还原，吸取酸洗废液调整到pH=2～9的范围内，进行比色测定。该过程的主要化学方程式如下：

4FeCl3+2NH2OH·HCl→4FeCl2+N2O+6HCl+H2O；

Fe2++3C12H8N2=［Fe(C12H8N2)3］2+(橙红色)。

具体操作如下：取5 mL稀释过的酸洗废液加到比色管中，加入定量的抗坏血酸、邻二氮菲溶液和乙酸钠溶液。以蒸馏水试剂作参比，用两通的比色皿在510nm波长下测其吸光度，并根据标准曲线求出样品中铁的质量浓度（μg·mL-1）。标准曲线的绘制结果如图1所示。

图1 标准曲线图（邻二氮菲分光光度法）

3）分别取不同质量浓度的铁标准溶液，用盐酸溶液稀释。选取设定的实验条件对仪器进行调整，进行系列溶液和样品的吸光度测定，根据标准曲线（图2）求出样品中铁的质量浓度（μg·mL-1）。

图2 标准曲线图（火焰原子吸收分光光度法）

1.2.2 混凝沉淀方法处理含高浓度铁离子酸洗废液

SS表示污水中不溶解的悬浮颗粒含量，是评价工业废水重要的水质指标，并且悬浮固体颗粒去除的强弱程度与絮凝性能的好坏、溶液浑浊度的大小有着紧密的联系。

选用铁离子质量浓度为165.85 g·L-1的盐酸酸洗废液为实验对象（溶液内其他离子含量极少，实验影响忽略不计），以Fe2+的去除率和SS的去除率为实验结果评价标准。用PAC、PAM进行混凝试验探究影响因素，最后选择最佳的实验条件下，将PAC、PAM与重金属捕捉剂（CU3#）配合使用，达到高效的絮凝沉淀效果。

取适量的废液于烧瓶中，用试管夹夹住烧瓶中间部，将其固定于恒温水浴锅中（温度恒定，并保证烧瓶里的液体能够完全被水浴浸泡）；将搅拌器从中间颈伸入，调节所设定的搅拌转速，将一定量的PAC和PAM稀释后混合，投入到其废液中，最后加入重金属捕捉剂（CU3），塞上两边瓶塞后，开始反应，反应10 min，待沉淀完全，取上清液检测铁质量浓度及SS质量浓度。为了验证处理后的废酸液重复利用情况，将实验条件设定为最佳工艺环境下并使得处理后的废液循环使用5次，通过计算铁离子去除率探究酸洗废液处理后循环再利用情况。

2 结果与讨论

2.1 不同铁质量浓度测定方法结果分析

不同检测方法下的Fe离子测定值如表1所示。

表1 不同检测方法下的Fe离子测定值

备注:（1）、（2）、（3）分别表示EDTA法、邻二氮菲分光光度法和火焰原子吸收分光光度法；a和b表示处理前和处理后。

与两种分光光度计测铁法相比较，EDTA法测定速度快且有很高的准确度，但配置铁标准溶液时添加的缓冲溶液会含有微量铁，测定前需要将酸洗待测液近万倍稀释，进而达到检测吸光度的最佳标准，并且铁含量越高稀释倍数越大，影响最终数据。张晋洁认为邻二氮菲分光光度法可以分别测出样品溶液中的亚铁和三价铁含量；火焰原子吸收分光光度法灵敏度高、受干扰物质影响较小，测定铁的范围也优于邻二氮菲分光光度法，但该方法只能用于测定总铁质量浓度［10］。所以确定强酸中的亚铁含量的方法中，EDTA法为最佳选取方法。

2.2 PAC投加量对去除铁离子效果的影响

在温度为20 ℃、匀速搅拌10min的条件下，PAC的投加量对亚铁去除率的影响如图3所示。随着PAC的投加量的增加，亚铁去除率先上升后下降，SS的去除率有微弱下降。这可能是由于在反应初期，与铁离子的质量浓度相比，PAC的含量较小，亚铁去除率低。随着PAC的含量增加，去除亚铁离子的能力随之升高，当PAC的投加量为10 mL时，亚铁离子去除率达到最大为42.12%。继续增加PAC的投加量，铁去除率反而降低，这可能是由于随着PAC的含量增加，溶液中出现较多矾花，导致絮凝剂对铁离子的絮凝效果和沉降性能均变差。

图3 PAC的投加量对去除亚铁离子的影响

2.3 温度对去除铁离子效果的影响

在投加10 mL的7.5％PAC和1 mL的0.2％PAM的溶液、匀速搅拌10 min的条件下，温度对去除铁离子的影响如图4所示。

图4 温度对去除亚铁离子的影响

从图4中可以看出，随着温度的升高，亚铁去除率先上升后下降，SS去除率基本不变，当温度为35 ℃时，亚铁去除率最大为47.39%。原因可能是随着温度的升高，分子热运动加剧，加快了溶液中离子间的相互传递，使得高分子聚合物吸附和捕捉阴、阳离子的效果加强。继续升高温度使得溶液中的悬浮物和絮凝物的沉淀受到阻碍，从而降低了铁的去除率。

2.4 搅拌方式对去除铁离子效果的影响

在温度为20 ℃条件下，向装有盐酸酸洗废液的 4个200 mL的烧杯中投加10 mL的7.5％PAC、1 mL的0.2％PAM，不同的搅拌方式对亚铁离子去除的影响结果如图5所示。随着搅拌方式的改变，亚铁去除率先下降后上升，SS去除率基本不变，在搅拌方式④的条件下，铁去除率最大为49.85%。高分子聚合絮凝剂在酸洗废液中先吸附和网捕游离的分子和悬浮物，再与溶液中的离子产生桥连反应。在慢速搅拌条件下，能够使絮体稳定的沉降，而持续稳定快速的搅拌使亚铁去除率降低。因此，为防止反应不充分，需要前期合理的快速搅拌，使得絮凝剂很快扩散到溶液中。

①—150 r·min-1慢速搅拌10 min；②—400 r·min-1快速搅拌10 min； ③—先150 r·min-1慢速搅拌5 min，然后以400 r·min-1快速搅拌5 min；④—先400 r·min-1快速搅拌5 min，然后以150 r·min-1慢速搅拌5 min。

2.5 CU3#投加量对去除铁离子效果的影响

在投加10 mL的7.5PAC和1 mL的0.2PAM的溶液、温度为35 ℃、搅拌方式为400r·min-1快速搅拌5 min后再以150 r·min-1慢速搅拌5 min条件下，CU3的投加量对去除亚铁离子的影响如图6所示。由图6可以看出，亚铁去除率随着CU3的投加量的增加先升高后下降，当CU3的投加量为3 mL时，亚铁去除率达到最高为74.03%。CU3的加入大大提高了对亚铁离子的去除性能，SS的去除率也有所增加。

图6 CU3#投加量对去除亚铁离子的影响

2.6 废酸液重复利用情况

考察了处理后的废酸液重复利用情况，结果如图7所示。当处理后的废酸液循环次数达到5次时，铁离子去除率基本保持不变，与第一次处理后的废酸液基本一致，故本实验处理后的酸液能够重复使用5次及以上，具有很好的可循环使用性。

图7 循环使用下去除亚铁离子的效果

3 结 论

本文采用混凝沉淀法对酸洗废液进行处理，利用重金属捕捉剂（CU3）、高分子絮凝剂聚合氯化铝（PAC）和聚丙烯酰胺（PAM）进行配合去除废液中的亚铁离子，并通过温度、搅拌方式、PAC投加量等条件的改变探寻最佳去除条件，在此基础上并比较了不同铁质量浓度测定方法的准确性及效果，结果表明：

1）EDTA滴定法最后的数据也会受人工误差和溶液中其他杂质的影响，但相比较其他两种测量方法，检测强酸中的铁离子质量浓度是最准确的。

2）利用高分子絮凝剂聚合氯化铝（PAC）和聚丙烯酰胺（PAM）处理酸洗废液的最佳工艺条件为：在不需改变废液酸性条件下，每50 mL废液直接投加10 mL的7.5%PAC和1 mL的0.2%PAM的溶液、温度为35 ℃、搅拌方式为400 r·min-1快速搅拌 5 min后再以150r·min-1慢速搅拌5 min，CU3的投加量为3 mL。在最佳条件下，铁去除率达到最高为74.03%；处理后的酸洗废液可循环使用5次以上，这将会大大降低工业废水的排放。

3）利用高分子絮凝剂聚合氯化铝（PAC）和聚丙烯酰胺（PAM）处理酸洗废液，为快速去除大部分酸洗废液中的铁离子提供了可行途径，同时为混凝剂的应用提供了廉价原料，具备较好的经济效益和环境效益。

［1］冯凡让，胡元娟，彭娟，等.PCB线路板厂镀镍车间含镍清洗废水的处理［J］.电镀与环保，2019，39（4）：74-78.

［2］唐剑昭. 钢铁盐酸酸洗废液资源化利用：电解法制备纳米氧化铁的研究［D］. 杭州：浙江大学，2017.

［3］钟景.钢铁盐酸酸洗废液的资源化利用［J］.中国资源综合利用，2021，39（5）：58-60.

［4］杨世迎，薛艺超，王满倩.络合态重金属废水处理：基于高级氧化技术的解络合机制［J］.化学进展，2019，31（8）：1187-1198.

［5］费贤明，朱洪亮，杨志萍，等. 水中重金属离子电富集样品处理技术［J］. 理化检验（化学分册），2015，51（5）：605-608.

［6］孙秀萍，高朝勇.有机高分子重金属捕集剂研究进展［J］.环境生态学，2020，2（7）：85-88.

［7］张兰河，万洒，陈子成，等.高分子絮凝剂处理高浓度化妆品原料生产废水研究［J］.化工学报，2020，71（8）：3730-3740.

［8］黄唯，刘凤平，黄秋萍.基于铋膜/Cu3(BTC)2修饰电极对铅离子的测定［J］.轻工科技，2021，37（5）：34-36.

［9］李嘉，王刚，管映兵等.2种新型重金属絮凝剂复配处理含铜废水［J］.工业水处理，2020，40（1）：33-36.

［10］张晋洁.火焰原子吸收分光光度法与二氮杂菲分光光度法测定水体中总铁方法对比［J］.山西农业科学，2008（6）：76-77.

Study on a New Treatment Process of Ferric Pickling Waste Liquid

1,2,1,2,2,1,21,2,1,2*

（1. College of Chemistry and Chemical Engineering, Xingtai University, Xingtai Hebei 054001, China;2. Hebei Functional Polymer Materials Research and Development and Engineering Application Technology Innovation Center, Xingtai Hebei 054001, China）

The treatment of pickling waste liquid was studied by coagulation precipitation method. The suitable method for measuring iron mass concentration in steel pickling waste liquid was explored, and the iron mass concentration in pickling waste liquid was determined. The iron ion in waste liquid was removed by using heavy metal capture agent (CU3) ,polymer flocculant polyaluminum chloride (PAC) and high molecular flocculant polyacrylamide (PAM). And the influence of PAC and PAM dosage, temperature and other factors on the flocculation effect was explored, the best process was selected to achieve the purpose of recycling pickling waste, and the recycle condition of the treated acid solution was investigated. The best process conditions obtained in the experiment were as follows: for every 50mL waste liquid, 10mL 7.5% PAC and 1mL 0.2% PAM, reaction temperature 35℃, stirring method 400 r·min-1rapid stirring for 5 minand then 150 r·min-1slow stirring for 5 min. , CU3#dosage 3mL. Under these conditions, the conversion rate of Fe2+reached 74.03%. The treated acid could be reused more than 5 times to achieve the purpose of recycling the pickling waste liquid.

Pickling waste liquor; Determination of iron ion; Flocculation method

TQ085

A

1004-0935（2022）04-0445-05

河北省高等学校科学研究项目（项目编号：ZD2018311、ZD2020417）；中央引导地方科技发展基金项目（项目编号：206Z1402G）；邢台市科技局科技计划项目（项目编号：2018ZC031、2018ZC227、2019ZC007、2019ZX07、2019ZZ023）。

2021-10-07

赵峻德（1999-），男，河北省唐山市人，2021年毕业于邢台学院，研究方向：功能材料。

郭浩（2000-），男，河北省张家口市人，研究方向：功能材料。

赵治巨（1981-），男，副教授，博士，研究方向：功能材料。