水和廢水處理- Forschen科學

全文

研究文章
EAFDS/石灰一體化係統在工業廢水中去除銅、錳的應用

Tedlaye Forsido1 *Rob I McCrindle2Jannie Maree1麗萃Mpenyana-Monyatsi1

1 南非茨瓦恩理工大學環境、水和地球科學係
 2 南非茨瓦恩理工大學化學係

*通訊作者:南非茨瓦恩理工大學環境、水和地球科學係Tedlaye Forsido電子郵件:tedlayef@yahoo.com


摘要

金屬汙染是影響環境和生物福祉的重大問題之一。銅和錳是對人體健康有害的最常見的金屬汙染物。已經提出並應用了幾種方法來處理工業廢水和去除有害金屬。最常見的處理方法之一是化學沉澱法。本研究是利用一種名為電弧爐爐渣(EAFDS)的鋼鐵工業固體廢物與石灰結合，從工業酸性廢水中化學沉澱銅和錳金屬，同時存在大量其他金屬。這項研究證明，僅使用EAFDS就可以大大去除目標金屬，並降低與采購其他昂貴化學品有關的成本。原液中Cu的濃度為47.2 mg/l。渣的濃度降至7.8 mg/l，去除率達81.7%。原液中Mn的濃度為120.8 mg/l，僅渣處理時Mn的濃度為12.0 mg/l。在加入少量Ca(OH)的情況下，兩種金屬的去除率達到99.7%。2．

關鍵字

銅;錳;金屬切削;治療;EAFDS;中和


簡介

人類活動正在以前所未有的水平和速度改變著環境[1,2]。人口過剩、汙染、氣候變化和相關的全球變暖、海洋酸化和森林砍伐都是人類活動的結果。雖然工業革命給人類帶來了積極的變化，但毫無疑問，與此同時;它還通過各種不必要的排放對環境產生了負麵影響[3-5]。工業過程在全球環境惡化方麵起著重要作用，甚至在工業化國家也是如此，對商品和服務日益增長的需求給環境和自然資源基礎帶來了更大的壓力[6]。

金屬或其他有害元素作為廢物釋放會造成水、空氣和土壤汙染等環境問題。水汙染對環境、人類、動物、魚類和鳥類都是有害的。被有害物質汙染或汙染的水，如用於飲用、農業、工業和娛樂等用途，是不適宜的。它還影響湖泊、河流等水體的審美質量和美感[7,8]。由於有害金屬的不可生物降解性和較長的生物半衰期，其在食物鏈中的積累會對人體健康產生重大影響[9-11]。因此，在將工業廢水排放到接收機構之前，必須對其進行處理。

水係統的一種常見汙染物是銅。銅是生命所必需的金屬之一;它是人體中僅次於鐵和鋅的第三種微量金屬。少量的銅對人體很重要，因為它有助於強健骨骼、健康皮膚和頭發;它也是血紅蛋白合成的組成部分，對內分泌腺的功能有良好的影響，參與酶合成和組織的發展。如果銅的含量高於規定的限度，就會產生毒性。

含大量銅的廢水對大多數植物都是劇毒的，對微生物、魚類和人類等多種生物都是有害的。過量的銅會破壞抗氧化酶功能，氧化修飾DNA和一種蛋白質，脂質氧化，激活氧化還原敏感基因，抑製體內鋅的消耗，並通過幹擾鐵運輸[14]引起貧血。它還會引起腎髒疾病、肝和腦損傷、胃痙攣、腹瀉、溶血、惡心和嘔吐以及上呼吸道問題。過量的銅還可能對眼睛和肝髒造成損害，導致細胞過程失衡，導致門克斯病、威爾遜病、阿爾茨海默病、帕金森病和朊病毒病[15]。世界衛生組織(世衛組織)確定飲用水中銅的濃度不應超過0.05 mg/l[16]。

錳(Mn)是12th地球上最豐富的元素。錳在自然界中廣泛存在。Mn作為過渡金屬，以五種以上的價態存在，但主要以Mn的形式存在2 +或錳3 +．在環境中，它主要以氧化的化學形式被發現，如MnO2或錳3.O4．錳對人類健康至關重要，對維持適當的功能和調節許多生物過程至關重要。它是各種酶活性中心的輔助因子，是正常發育、維持神經和免疫細胞功能、調節血糖和維生素等功能所必需的。

膳食中錳的攝入對維持幾個重要的生理和生物學過程是必不可少的，包括生殖、發育和形成健康的軟骨和骨骼、能量代謝、尿素循環和抗氧化能力。錳在傷口愈合中也起著關鍵作用。錳存在於營養補充劑和複合維生素製劑[18]中。

盡管錳在低水平下是人體正常運轉的重要微量元素，但在高水平時它是有毒的。錳中毒的症狀包括幻覺、健忘和神經損傷。如果它在人體內的濃度超過一定水平，就會對大腦、肝髒、腎髒和神經係統造成損害。錳還會引起嚴重的生理紊亂，如帕金森病、肺栓塞和支氣管炎。慢性和急性暴露於錳也可能導致各種神經毒性症狀，包括認知、精神症狀、錐體外係體征、錳中毒、肌張力障礙和運動係統功能障礙[19]。

暴露於大量錳也令人擔憂，因為它可能導致生殖問題、免疫功能障礙、致突變性和致癌性。因此，世界各地的許多環境機構都對水中錳的濃度進行了限製。例如，美國環保局將飲用水中的錳含量定為0.05毫克/升。錳還影響海洋無脊椎動物的免疫係統。

大多數工業廢水，特別是金屬加工業產生的廢水，含有相當濃度的銅和錳。由於這些汙染物的影響，在排放到水體之前，需要通過廢水處理方法去除或降低到監管機構設定的濃度。工業廢水處理是指用於淨化生產活動中產生的副產物廢水的機製和過程。廢水處理方法多種多樣，操作特點各不相同。大多數治療方法的經濟劣勢與昂貴的設備、操作的複雜性和對熟練勞動力的需求有關[20]。因此，一種簡單而經濟有效的廢水處理方法將促進高效的廢水處理，並保護環境免受汙染[21]。治療的目的是消除對人類/動物健康和環境的任何當前或潛在威脅[22]。

主要的處理方法包括石灰沉澱、離子交換、活性炭吸附、膜處理和電解法，用於減少或去除廢水中的有害金屬，包括銅和錳。大多數這些方法往往涉及較高的資金和運營成本，並可能與產生二次廢物有關[23,24]。堿沉澱法是一種廣泛用於從酸性廢水中去除金屬的方法，方法是將pH提高到所需的水平，形成不溶沉澱物，如氫氧化物[25]。將pH值調整到所需水平後，溶解的金屬離子轉化為不溶性固相通過沉澱與沉澱劑如石灰等發生的化學反應通常，從溶液中析出的金屬以氫氧根[26]的形式存在。

石灰沉澱法是處理金屬濃度大於1000mg /L廢水最有效的方法之一。石灰沉澱法的其他優點包括工藝簡單，設備便宜，操作方便安全，使其成為從汙染廢水中去除金屬的流行方法[27]。

不同堿性物質如Ca(OH)2, CaCO3.采用NaOH、NaOH等提高酸性出水pH值。人們正在不斷地進行研究，以尋找具有成本效益、高效和易於使用的替代這些昂貴的化學品和方法。在本研究中，選取鋼鐵工業爐渣，電弧爐爐渣(EAFDS)作為堿的來源。鋼渣是一種亞鐵渣，是一種非金屬副產物，由矽酸鈣和鐵氧體與鐵、鋁、錳、鈣、鎂的熔融氧化物結合而成，與[28]鋼同時產生。鋼渣中含有大量的氧化鈣和氧化鎂[29]。因此，鋼渣屬於中堿性物質，其滲濾液pH值在8 ~ 10[30]之間。鋼渣的主要成分是(SiO)229.3%， MnO 2.7%， Cr2O3.8.8%,艾爾2O3.2.9%， CaO 49.6%， MgO 4.9%， Fe2O3.31.3%， FeO 2.9%， TiO20.7%)(31、32)。

極細的粉塵在電弧爐中通過金屬的汽化而形成，這些粉塵被收集在袋屋中。在典型的電弧爐操作中，大約2%的爐料轉化為粉塵，形成EAFDS[33]。在鋼鐵生產過程中產生的EAFDS由於含有大量可浸出的危險金屬化合物，如Zn、Ni、Cr和Pb，被大多數國家的法規列為危險廢物[34,35]。然而，由於其堿性，它可以用於中和和去除酸性廢水中的金屬。

回收廢舊材料除了節約自然資源，還節約能源，減少廢物數量以及空氣和水汙染物，減少溫室氣體[5]。在保護環境、發展綠色化學概念:利用可再生資源和改進水管理，包括回收生產[36]過程中產生的廢料方麵，廢水和固體廢物的循環利用受到工業界的嚴重重視。

本研究的目的和目標

這項研究的目的是開發一種具有成本效益和高效率的方法，用於處理工業廢水和利用另一種工業固體廢物去除錳和銅。選擇電弧爐爐渣(EAFDS)作為替代商品堿的材料，它是鋼鐵生產過程中產生的副產物。目標還包括:

•確定在鋼鐵生產過程中，電弧爐產生的副產物粉塵渣能否用於中和鋼鐵工業產生的酸性廢水

•確定工業酸性廢水中銅、錳的最佳去除條件

材料與方法
原料

本實驗所使用的化學試劑均為分析級，使用時未作進一步淨化處理。鹽酸來自SMM化學品供應商。NaOH從Ace化學供應商處購買，Ca(OH)2是從西格瑪采購的。

收集了以廢金屬為原料生產鋼鐵的不鏽鋼工業廢水和EAFDS。

設備

使用德國尼克766 Calimatic pH計測量整個過程中的pH值。用於攪拌的棒式攪拌器為IKARW 20數字攪拌器(德國)。ICP-OES (Spectroacros, AcrosFHS, Germany)用於測定金屬含量。

過程

這項研究使用了1L塑料燒杯和道路攪拌器。根據渣中堿的含量和流出液的酸度，用酸堿比3:2計算出有效中和所需的堿量。所有分析均為3個重複。

將一升的流出液倒入燒杯中，然後將計算出的渣量加入容器中。用棒式攪拌器以380轉的轉速連續攪拌。每隔10分鍾和30分鍾收集一次樣品，在接下來的61小時和每2小時收集一次樣品，直到96小時，繼續添加純石灰以達到目標pH值12.5。從每個樣本中共收集55個樣本並進行分析。每次采樣後，取其原來1L體積的含量。96小時後，繼續加入純石灰(Ca(OH))2)，在ph值9.5和12.5時又采集了兩個樣本。將pH值進一步提高到12.5所需的石灰量僅為6.5 g/L。

收集的樣品立即用Whatman 1號濾紙過濾。用下麵的方法分析酸堿度和酸度。采用ICP-OES (Spectroacros, Acros-FHS, Germany)測定金屬含量。

分析

爐渣在105℃烘箱中幹燥2小時，冷卻後粉碎成粉，通過孔徑300 μm的篩分。測定了渣中遊離石灰和總堿的含量。

測定渣中總堿為CaCO3.使用以下方法。取2.5 g幹碎篩渣稱入燒杯，加入100ml 1n HCl煮2分鍾。將溶液冷卻至室溫，用去氧水調至100ml，用Whatman 1號濾紙過濾。用1n NaOH滴定40 ml濾液至pH值7。

總堿含量為CaCO3.由質量和體積計算得到的公式如式

其中C1HCl, V的濃度是多少1HCl的體積，C2NaOH, V的濃度2NaOH的體積，V3.滴定後溶液的體積v4為樣品溶液的總體積，M為渣的質量。

總堿含量，即能與流出物中的酸發生反應的堿;用上述方法測定的礦渣中CaCO含量為92.4%3.．

用pH探頭直接測定了原廢水的pH值以及在該過程中所取的所有樣品的pH值。用pH計測定的原液pH值為0.64。加入EAFDS後，以380轉的轉速攪拌溶液。在10min內pH迅速上升至3.0，這可能是由於渣中存在水溶性遊離石灰。然而，當所有遊離石灰被消耗完後，pH值的增長放緩，在4小時後上升到3.1,6小時後上升到3.5,10小時後上升到7.5,12小時後上升到7.7，在24小時後達到8.1，在48小時後達到8.2，在96小時後達到8.7。

結果與討論
銅

含銅廢水的主要來源是水管的腐蝕、銅的開采和精煉、化肥工業、石油煉製、電鍍、油漆和染料工業、采礦和冶金、炸藥工業、農藥工業、金屬精加工、塑料、蝕刻、鋼鐵工業、電子材料衝洗和電鍍以及印刷電路工業。銅通常在大多數廢水中高濃度存在，因為它是許多工業應用中最常用的金屬之一。Cu有三種重要的氧化態，即0，+1,+2.然而，銅通常以二價陽離子的形式存在，通常在酸性條件下更容易流動，而在pH高於7時;它傾向於形成像碳酸銅和羥基碳酸鹽[39]這樣的礦物。

它被認為是環境中分布最廣的金屬汙染物之一。被銅汙染的水在排放到環境前必須經過處理，因為它具有毒性，即使濃度很低。為了改進更加環保和經濟有效的廢水處理方法，人們對開發新方法和方法的研究興趣越來越大。根據世界衛生組織的建議，在排入接收體之前，采礦和電鍍廢水中的銅濃度應低於2.0 mg/l，而美國環保局規定的上限為1.3 mg/l[41]。

銅在廢水中具有較高的遷移率，易形成絡合物進入環境。因此，去除廢水中的銅對控製廢水對人類、動物和環境的毒性具有重要意義。由於銅對生物的有害影響，必須從廢水中去除或減少銅以達到標準。涉及化學和物理過程的若幹技術，如化學沉澱、蒸發回收、溶劑萃取氧化/還原、混凝-絮凝、浮選、過濾、吸附、生物吸附、膠結、離子交換、膜技術、反滲透、生物處理、生物電化學係統和電化學處理技術已廣泛應用於銅汙染廢水排放到自然水體[41]前的處理。化學沉澱處理可以提供所需的汙水質量和較好的成本效益的整個過程[15]。氫氧根沉澱法具有簡單、成本低、操作方便等優點，是目前應用最廣泛的技術之一。

由於礦渣具有類似於氫氧化物的堿性性質，本研究的目的之一是找出它是否可以用作替代堿性來源，以去除工業酸性廢水中的金屬。由於銅在較高的pH值下會形成不溶沉澱物，因此對EAFDS進行了研究，看看它是否能夠將工業酸性廢水的pH提高到足以將銅作為沉澱物從廢水中去除。

出水銅濃度為47.2 mg/l。在將酸性流出液和EAFDS混合10分鍾後，pH升高到3，導致銅的濃度迅速下降，達到20.3 mg/l，在短短10分鍾內實現57%的去除。24 h後，溶液pH降至8.1，銅的濃度進一步降低至10.0 mg/l，去除率達78.8%。在加入Ca(OH)之前pH進一步增加到8.72進入反應混合物中。溶液中銅的濃度進一步下降到7.8 mg/l，去除率達到81.7%。Ca(OH)的加入2將pH值提高到9.5，從而從溶液中去除更多的銅。溶液中銅的濃度降至0.2 mg/l，去除率達99.6%。pH值增加到目標pH值12.5，銅的去除率降低到0.1 mg/l，最終從工業酸廢水中去除99.8%的銅。pH值對Cu濃度的影響見圖1。

圖1:pH值對銅濃度的影響。

錳

錳暴露通常與人類活動、地質豐富性和廣泛的工業適用性有關。錳礦被認為是一種重要的工業元素，在冶金和非冶金工業中都有應用。錳是全球第四大商業金屬，因為它在鋼鐵工業中有著重要的應用。全球錳的年利用率超過1.5萬噸，未來還可能上升。錳化合物的製造、其廣泛的工業應用和采礦活動已使錳成為一種重要的環境汙染物。錳化合物和錳廢物被排放到水中，成為水生環境中有毒的金屬汙染物[42]。

錳以氧化態的溶解和固體形式存在於水環境中+2，+3或+4 .受pH和氧化還原條件影響主要為氧化物、碳酸鹽和矽酸鹽[43]。

人們正在進行不同的研究，以開發有效的方法去除廢水中的錳。一些研究人員研究了錳在水中的分布和價態轉化。其他人則研究了使用細菌的曝氣和過濾、化學和/或生物氧化等去除方法。化學氧化、吸附、膜過濾和生物處理等技術已被用於去除水中的錳。廢水中的錳可被氯氧化，轉化為MnO2．混凝過程可以通過電荷中和去除Mn。其他方法如吸附、沉降和過濾也被使用。

錳可以通過物理、化學和生物過程或這些方法的組合從廢水中去除。通常情況下，錳(II)離子是通過化學方法從廢水中氧化為MnO去除的2或從水中析出碳酸錳。Mn可以通過氧化去除，因為Mn (IV)化合物是不溶的。由於Mn (II)在堿性介質中會氧化為Mn (IV)，因此必須找到一種能將工業酸性廢水的pH值提高到所需pH值的材料。

選用EAFDS是因為它所含的總堿含量高。原液中Mn的濃度為120.8 mg/l。Mn的濃度下降非常緩慢，直到13小時後pH達到7.9。錳的去除率降至55 mg/l，達到54.5%。pH值超過8.0後，濃度大幅下降，在pH值8.7時達到12 mg/l，未添加Ca(OH)2去除率達90.1%。加入純石灰後，從溶液中去除更多的Mn。當pH為9.5時，溶液中Mn的濃度為0.4 mg/l，去除率為99.7%。然而，當pH進一步增加到12.5時，濃度沒有變化，仍然保持在0.4 mg/l[45,46]。pH值對Mn濃度的影響見圖2。

圖2:pH值對Mn濃度的影響。

結論

本研究研究的處理方法是化學沉澱法，這是中和和去除廢水中有害金屬的最常見的處理方法之一。由於用於中和和去除金屬的化學物質需要成本，目的是找到一種具有類似商業昂貴化學物質性質的替代物質。研究選用的材料為電弧爐爐渣(EAFDS)。這種材料是鋼鐵製造業產生的副產品，通常被認為是廢物，被處理到垃圾場，導致環境汙染，對公司的處理費用和潛在有用的化學物質的損失。

對EAFDS的組成進行了研究，表明其含有豐富的堿，可作為水處理的來源。因為滲濾液主要由金屬氧化物組成，所以是堿性的。這一特性被用於處理鋼鐵工業的工業酸排出物，其中含有相當高濃度的各種危險金屬。

研究表明，在鋼鐵生產過程中產生的EAF粉塵渣可以用於中和鋼鐵工業的酸性廢水。單用爐渣可以中和pH為0.64的高酸性出水，24小時內有效地將pH提高到8.1以上，96小時後有效地提高到8.7以上。因此，EAFDS可用於中和工業排出的酸性廢水。該工藝簡單，無需為該工藝購買堿。

僅使用爐渣可顯著降低目標金屬銅和錳的濃度，銅和錳的去除率分別超過84%和90%。為了達到更好的去除水平Ca(OH)2將pH提高到目標值12.5。由於EAFDS已經將溶液的pH值提高到堿性範圍內，因此所需的石灰量非常少，節約了與石灰相關的成本。加入石灰可以進一步去除金屬;Cu和Mn的去除率分別為99.7%和99.7%。

考慮到EAFDS是一種作為廢物產生的材料，應用範圍有限，特別是在工程和建築領域，使用它作為堿的來源具有顯著的優勢。與大多數用於酸性水處理的化學物質不同，它沒有很大的成本。它也不需要複雜的過程或機械，隻通過徹底的混合工作。因此，這一過程節省了成本，特別是對鋼鐵行業，因為它是製造過程的副產品，隨時可供使用。

確認

作者要感謝茨瓦恩科技大學為研究提供的便利

遵守道德標準

沒有生物或影響生物福祉或環境的過程進行。

利益衝突

作者聲明沒有任何利益衝突。

資金狀況

所有資金由茨瓦恩理工大學提供。


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條信息

文章類型:研究文章

引用:Forsido T, McCrindle RI, Maree J, Monyatsi ML(2020)應用EAFDS/石灰集成係統去除工業廢水中的銅和錳。國際J水廢水處理6(3):dx.doi.org/10.16966/2381-5299.164

版權:©2020 Forsido T，等人。這是一篇開放獲取的文章，根據創作共用署名許可協議(Creative Commons Attribution License)發布，該協議允許在任何媒體上不受限製地使用、分發和複製，前提是注明原作者和來源。

出版的曆史:

  • 收到日期:2020年2月29日

  • 接受日期:2020年3月13日

  • 發表日期:2020年3月20日