一、膜分離法
膜分離技術(shù)作為21世紀(jì)最有發(fā)展前景的高新技術(shù)，它采用一張選擇性薄膜，借助外加推動(dòng)力作用，可實(shí)現(xiàn)溶質(zhì)與溶劑或溶質(zhì)與溶質(zhì)之間的分離、提純、濃縮目的。當(dāng)推動(dòng)力為濃度差加化學(xué)反應(yīng)時(shí)，膜過(guò)程為液體膜分離;當(dāng)推動(dòng)力為電位差時(shí)，膜過(guò)程為電滲析;當(dāng)推動(dòng)力為壓力差時(shí)，膜分離過(guò)程為微濾、超濾、納濾、反滲透。膜分離技術(shù)具有眾多優(yōu)點(diǎn)：1)分離精度高，可達(dá)納米級(jí)別;2)分離能耗低;3)常溫操作，無(wú)相變，勿需添加化學(xué)藥劑，無(wú)二次污染;4)設(shè)備可根據(jù)處理量靈活配置，占地面積小。膜分離技術(shù)在重金屬?gòu)U水資源化處理方面已得到一定應(yīng)用，隨著制膜材料的優(yōu)化及設(shè)備成本的降低，將會(huì)極大推動(dòng)膜分離技術(shù)在重金屬?gòu)U水領(lǐng)域的大面積推廣。
液膜技術(shù)
液膜通常是由有機(jī)溶劑、表面活性劑、流動(dòng)載體及內(nèi)水相組成，是一種很薄的液體膜(厚度為1~10μm)。它結(jié)合了膜分離與萃取的雙重優(yōu)勢(shì)，通過(guò)廢水中重金屬離子簡(jiǎn)單擴(kuò)散、選擇性絡(luò)合或螯合萃取反應(yīng)、選擇性滲透及膜內(nèi)相反萃這四個(gè)過(guò)程，以使廢水得以凈化，同時(shí)實(shí)現(xiàn)重金屬離子在膜內(nèi)相富集，再通過(guò)破乳以回收重金屬。液膜技術(shù)具有選擇性高、傳質(zhì)速度快、反應(yīng)溫和等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于低濃度重金屬?gòu)U水的富集與回收，在電鍍廠含Cr3+、Zn2+廢水已有處理。液膜按構(gòu)型和操作方式的不同,主要分為乳化液膜(emulsion liquid membrane , ELM) 和支撐液膜(supported liquid membrane , SLM)，如下圖1所示：
圖 1 液膜分類
2.電滲析技術(shù)
電滲析器由隔板、陰、陽(yáng)離子交換膜、電極、夾緊裝置等主要部件組成(結(jié)構(gòu)如下圖2所示)。處理重金屬?gòu)U水時(shí)，陽(yáng)離子膜只允許陽(yáng)離子通過(guò)，陰離子膜只允許陰離子通過(guò)，在電流作用下，電鍍廢水得到濃縮和淡化。電鍍廢水中常含Cu2+、Ni2+、Zn2+和Cr2+等金屬離子及氰化物等毒性較大的物質(zhì)，通過(guò)電滲析-離子交換或電滲析-反滲透組合工藝，既能實(shí)現(xiàn)資源的回收利用，又可以減少污染的排放。其中含鎳廢水處理技術(shù)最為成熟，已有成套工業(yè)化裝置。。電滲析法在重金屬?gòu)U水處理中具有技術(shù)可靠，操作費(fèi)用低，占地面積小，不產(chǎn)生廢渣的優(yōu)點(diǎn)。但電滲析需要要有足夠的電導(dǎo)提供電流效率，如鍍鎳廢水的處理，要求鎳鹽的濃度不能低于1.5g/L。
圖 2 電滲析器構(gòu)造
3.微/超濾技術(shù)
微濾的過(guò)濾孔徑為0.1~10μm，多數(shù)為對(duì)稱膜，最常見(jiàn)的是曲孔型, 結(jié)構(gòu)類似于網(wǎng)狀海綿，另外還有一種毛細(xì)管型;也有非對(duì)稱膜，膜孔呈截頭圓錐體狀，過(guò)濾過(guò)程中原料液流經(jīng)膜孔徑小的一面， 進(jìn)人膜內(nèi)的滲透液將沿著逐漸加大的膜孔流出，這種結(jié)構(gòu)可促進(jìn)傳質(zhì)并防止膜孔堵塞。超濾膜孔徑為1nm~100nm，多為非對(duì)稱膜，由一層極薄的表皮層與一層較厚的海綿狀或指狀結(jié)構(gòu)的多孔層組成，前者其篩分過(guò)濾左右，后者起支撐作用。微/超濾膜按材質(zhì)可分為有機(jī)、無(wú)機(jī)兩大類，前者卷式、中空纖維式應(yīng)用較多(如下圖3所示)，后者主要以管式、板框式為主(如下圖4所示)。超/微膜由于孔徑較大，不能直接過(guò)濾重金屬離子，常作為預(yù)處理除懸浮物、膠體等粒子或大分子，因此要實(shí)現(xiàn)微/超濾對(duì)重金屬離子的有效濃縮，則必須重金屬離子進(jìn)行一定預(yù)處理，即使其轉(zhuǎn)化為粒徑大于膜孔徑的離子或粒子。因此，采用堿/硫化沉淀、膠束增強(qiáng)、絡(luò)合作用將重金屬離子進(jìn)行轉(zhuǎn)化，再結(jié)合微/超技術(shù)將重金屬進(jìn)行截留濃縮，得以凈化廢水，濃縮液采用電解或冶金手段將其回收。
圖 3 無(wú)機(jī)微/超膜
圖 4 陶瓷膜元件及裝置
4.納濾技術(shù)
納濾作為一種新型分離技術(shù), 有以下特點(diǎn)：一是截留分子量為200~1000， 介于反滲透膜和超濾膜之間;二是納濾膜對(duì)二價(jià)及多價(jià)離子的高效截留、濃縮甚至分離。納濾膜分離過(guò)程無(wú)化學(xué)反應(yīng), 無(wú)需加熱, 無(wú)相轉(zhuǎn)變, 不會(huì)破壞生物活性, 因而越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于飲用水的制備和廢水的處理。采用納濾技術(shù), 不僅可以使90%以上的廢水純化, 而且可同時(shí)使重金屬離子含量濃縮10倍, 濃縮后的重金屬具有回收利用的價(jià)值。如納濾膜對(duì)含鈾廢水的處理，由于空間位阻和電效應(yīng)的存在, 納濾膜對(duì)UO2(CO3)22-和UO2(CO3)34-截留分別達(dá)到98%和95%;納濾膜在pH越高條件下，對(duì)砷的去除率可達(dá)90%以上;納濾膜從混合鹽溶液中分離二價(jià)銅離子, 當(dāng)Na+濃度較低且存在離子H3O+時(shí), 銅離子幾乎全部被截留;當(dāng)控制不同的條件，可實(shí)現(xiàn)重金屬離子間的分離，如當(dāng)NaCl 濃度為0. 5mol/ L 時(shí),在溶液中鎘的主要存在形式是CdCl2 ，但是鎳并不以絡(luò)合形式存在而以Ni2+ 荷電方式存在，用帶正電的納濾膜處理，截留Ni2+ 而讓Cd2+ 自由通過(guò),即可以實(shí)現(xiàn)金屬之間的分離。同樣地，在硝酸體系中，亦可實(shí)現(xiàn)Cd2+ 與Cu2+ 的有效分離。
5.反滲透技術(shù)
反滲透(Reverse Osmosis，RO)膜孔徑小于200分子量，可截留所有分子、離子，只允許水分子透過(guò)，特別適用于稀溶液的濃縮處理。該技術(shù)借助于半透膜對(duì)溶液中溶質(zhì)的截留作用，在高于溶液滲透壓的壓力動(dòng)力下，是溶劑滲透通過(guò)半透膜，達(dá)到分離的目的。反滲透技術(shù)在電鍍領(lǐng)域已得到較好地應(yīng)用，據(jù)工業(yè)實(shí)踐證明，對(duì)于磷酸鋅電鍍廢水、銅氰電鍍廢水、含鎳廢水采用一級(jí)或二級(jí)RO可實(shí)現(xiàn)對(duì)重金屬離子99%以上的高效截留，水回收率達(dá)到90%以上。
二、沉淀法
眾所周知，重金屬?gòu)U水處理技術(shù)種類繁多，各種技術(shù)特點(diǎn)不一，適用范圍也存在較大差異。由于行業(yè)區(qū)別或同一行業(yè)不同工藝段的差異，所排放出的廢水都沒(méi)有完全相同的，因此，針對(duì)具體水質(zhì)，熟練掌握不同處理技術(shù)的適用特點(diǎn)，以合理選用不同的技術(shù)手段或者技術(shù)組合方式，顯得尤為關(guān)鍵。
此篇幅，重點(diǎn)向大家具體介紹沉淀法在重金屬?gòu)U水處理方面的適用性，如下：
1)中和沉淀法
中和沉淀法是最常用的重金屬?gòu)U水處理方法之一，它是通過(guò)加入堿(如石灰乳、燒堿等)以改變廢水pH值，使得OH-與金屬離子發(fā)生反應(yīng)以生成溶度積較小的重金屬氫氧化物沉淀。根據(jù)不同重金屬離子存在濃度及相應(yīng)氫氧化物溶度積差異可分步沉淀析出。
采用該方法需注意以下幾點(diǎn)：中和后pH若較高，需加酸調(diào)低pH以達(dá)排放要求;對(duì)于Sn、Pb、Zn、Al等兩性化合物，需嚴(yán)格控制pH,以防pH過(guò)高再次溶解;對(duì)于可能存在與某些重金屬生成絡(luò)合物的如鹵素、腐殖質(zhì)、氰根等陰離子，需在中和之前先進(jìn)行預(yù)處理;對(duì)于易生成膠體類細(xì)小顆粒，如Ni(OH)2，需加入絮凝劑方可沉淀析出。
該方法優(yōu)點(diǎn)為操作簡(jiǎn)單，設(shè)備投資小，適用范圍廣，當(dāng)pH調(diào)至10左右，能將大部分重金屬離子去除至達(dá)標(biāo)排放要求，但對(duì)于Cd、類金屬砷的去除一般很難滿足要求。其缺點(diǎn)也較為明顯，石灰乳法一步全沉淀污泥量大，重金屬品位低，難以回收，作為固體危險(xiǎn)廢棄物需另外處置，費(fèi)用高昂;而燒堿法處理費(fèi)用高，一般不被采納。
2)硫化沉淀法
該方法采用硫化劑(Na2S、NaHS、H2S等)與重金屬離子反應(yīng)生成溶度積比氫氧化物更小的金屬硫化物，反應(yīng)最佳pH在7~9。
相較中和沉淀法，其優(yōu)勢(shì)更為明顯，由于金屬硫化物溶度積更小，去除更為徹底，殘余重金屬離子較少，泥渣量也較少，生成的金屬硫化物易于回收再利用。其缺點(diǎn)為硫化物易形成膠體，顆粒小，難以沉淀，建議加入絮凝劑;殘留硫化劑在酸度較高條件下，易于生成有毒氣體硫化氫，造成二次污染，建議同時(shí)做好空氣凈化設(shè)施配套，或建議以相較于所要去除的重金屬具有更大溶解度的金屬硫化物替代常規(guī)鈉型硫化劑，可有效規(guī)避硫化氫的產(chǎn)生和殘余硫離子的產(chǎn)生。
3)還原—沉淀法
通過(guò)加入還原劑或電解法將重金屬離子置換為金屬單質(zhì)或低價(jià)態(tài)的金屬離子。如電鍍廢水中Cr6+的去除，就是通過(guò)加入還原劑還原為低毒Cr3+，再加堿中和沉淀去除;如銅、汞離子的去除，就是通過(guò)電解或還原方法將其相應(yīng)單質(zhì)以沉淀析出。
常用還原劑有NaHSO3、SO2、FeSO4、單質(zhì)Fe等。
該方法優(yōu)點(diǎn)為操作簡(jiǎn)單、能經(jīng)受大水量及高濃度重金屬離子的沖擊，效果明顯。其缺點(diǎn)為，耗材消耗大，處理成本高。
4)鐵氧體沉淀法
該方法在我國(guó)應(yīng)用已有幾十年，電鍍行業(yè)應(yīng)用較多。通過(guò)加入過(guò)量亞鐵鹽、加燒堿調(diào)pH至8~9產(chǎn)生共沉淀、充氧加熱至60~80℃轉(zhuǎn)化沉淀、固液分離以完成整個(gè)過(guò)程。如電鍍含鉻廢水處理可采用這種方法，它適用于重金屬種類繁多的廢水。
該方法具有設(shè)備投資小、操作簡(jiǎn)單，不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)為操作溫度高，能耗高、處理后鹽度高，不能處理含汞和絡(luò)合物廢水。
綜上所述，各種沉淀處理方法特點(diǎn)不一，適用范圍也不同，須靈活掌握，才能發(fā)揮它們各自的優(yōu)勢(shì)。
三、離子交換法
重金屬?gòu)U水來(lái)源于礦山采選、機(jī)械加工、鋼鐵及稀貴重金屬冶煉與部分化工企業(yè)所產(chǎn)生的廢水，具有不可降解性，未達(dá)標(biāo)排放對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重。
化學(xué)沉淀法對(duì)各種重金屬的處理實(shí)用性強(qiáng)，被普遍應(yīng)用，處理后出水大部分重金屬離子能達(dá)到行業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)，但若采用一步沉淀處理，則會(huì)產(chǎn)生大量的污泥，作為危險(xiǎn)廢物將難以處置。如工業(yè)廢水含0.1 g/L的Cu2 + 、Cd2 + 、或Hg2 + 能分別產(chǎn)生10倍、9倍和5倍重金屬鹽含量的污泥;如處理1 kg鉻酸鹽，則會(huì)產(chǎn)生6 kg污泥。
在采用堿法沉淀重金屬離子時(shí)，不適合處理水量大、濃度低的重金屬?gòu)U水，而離子交換樹(shù)脂法卻恰好能彌補(bǔ)這一缺陷，即不僅能深度地去除重金屬，而且能選擇性回收各種重金屬離子。
離子交換法是利用重金屬離子與離子交換樹(shù)脂發(fā)生離子交換,使廢水中重金屬濃度降低,從而使廢水得以凈化的方法。離子交換樹(shù)脂為顆粒性物質(zhì)，其結(jié)構(gòu)單元有三部分組成，即：不溶性的三維空間網(wǎng)狀骨架、連接在骨架上的功能基團(tuán)和功能基團(tuán)所帶的相反電荷的可交換離子。常用的離子交換樹(shù)脂有陽(yáng)離子交換樹(shù)脂、陰離子交換樹(shù)脂、螯合樹(shù)脂和腐植酸樹(shù)脂等。
陽(yáng)離子交換樹(shù)脂分為強(qiáng)酸性離子交換樹(shù)脂(R-SO3-)和弱酸性離子交換樹(shù)脂(R-COO-)。前者離解性強(qiáng)，適應(yīng)于在強(qiáng)堿和強(qiáng)酸條件下產(chǎn)生離子交換作用，可以交換所有金屬離子;后者離子性較弱，在低pH下難以離解和進(jìn)行離子交換，只能在堿性、中性或微酸性溶液中(如pH5～14)起作用，僅可交換弱堿性中的陽(yáng)離子如Ca2+、Mg2+，對(duì)于強(qiáng)堿中的離子如Na+、K+等無(wú)法進(jìn)行交換。陽(yáng)離子交換樹(shù)脂幾乎適用于所有重金屬陽(yáng)離子的去除，如Cu2+、Pb2+、Zn2+等重金屬陽(yáng)離子
陰離子交換樹(shù)脂分為強(qiáng)堿性離子交換樹(shù)脂(-NR3OH)和弱堿性離子交換樹(shù)脂(-NH2、-NHR、NR2)。同樣地，前者離解性強(qiáng)，適應(yīng)于在強(qiáng)堿和強(qiáng)酸條件下產(chǎn)生離子交換作用，可以交換所有陰離子;后者離子性較弱，只能在中性或酸性條件(如pH1～9)下工作。陰離子交換樹(shù)脂可適用于金屬絡(luò)合陰離子的吸附交換，如金屬氰化絡(luò)合陰離子、金屬氯化絡(luò)合陰離子、鉻酸根等的去除。
螯合離子樹(shù)脂法區(qū)別于上述所述陰陽(yáng)離子交換樹(shù)脂法，其離子交換作用是通過(guò)化學(xué)鍵力，而不是通過(guò)范德華力靜電吸附作用力。螯合離子交換樹(shù)脂是借助具有螯合能力的基團(tuán)，通過(guò)螯合作用能對(duì)特定離子進(jìn)行選擇性吸附并進(jìn)行離子交換的樹(shù)脂。因此，它適用于含有雜質(zhì)離子較多的復(fù)雜重金屬?gòu)U水的處理，可選擇性地回收高附加值、高品質(zhì)的貴重金屬離子。
四、電解法
電解法結(jié)合了氧化還原化學(xué)法、絮凝和吸附技術(shù)三者優(yōu)勢(shì)，不僅可去除Hg2+、Cu2+、Cr6+、Pb2+、Cd2+等典型重金屬離子，而且同時(shí)除去其他陰離子污染物，如CN-等。
電解法除重金屬離子的基本原理是利用金屬的電化學(xué)性質(zhì)，在有外加直流電的條件下，重金屬離子(Mn+)在電解槽的陰極放電沉積，從相對(duì)高濃度的溶液中分離出來(lái)，廢水中還原性較強(qiáng)離子(如Cl-)或陽(yáng)極材料本身(如單質(zhì)鐵)在陽(yáng)極放電，從而達(dá)到去除廢水中有害重金屬的目的，同時(shí)，沉淀在電解槽底或沉積在陰極板上的重金屬具有一定的回收價(jià)值。
當(dāng)溶液中存在多種陽(yáng)離子或陰離子時(shí)，陰極上放電的先后順序是：Ag+>Hg2+>Fe3+>Cu2+>Pb2+>Sn2+>Fe2+>Zn2+>H+>Al3+>Mg2+>Na+>Ca2+>K+;用石墨、金、鉑等還原性很弱的材料制做的惰性陽(yáng)極上放電的先后順序是：S2->I->Br->Cl->OH->含氧酸根>F-，而用鐵、鋅、銅、銀等還原性較強(qiáng)的材料制做活性陽(yáng)極時(shí)，則先于其他金屬或陰離子放電。
相較于化學(xué)沉淀法及物理吸附法等傳統(tǒng)技術(shù)，電解法具有如下優(yōu)勢(shì)：
1)可同時(shí)處理多種污染物。如氰化鍍銅廢水經(jīng)過(guò)電解處理，CN-在陽(yáng)極被氧化的同時(shí)，Cu2+在陰極被還原沉積。
2)對(duì)于電鍍廢水尤為適用，如鍍鉻、鈍化、酸洗、鉻酸陽(yáng)極化、鍍銅等各種含鉻、含銅等重金屬?gòu)U水。鑒于電解法與電鍍工藝的相似性，電鍍企業(yè)的工人易于熟練掌握操作。
3)幾乎不消耗化學(xué)藥劑，無(wú)二次污染，廢液量少，處理后水便于回用。如酸性含鉻廢水、堿性含氰廢水可直接電解處理，無(wú)需添加酸、堿調(diào)節(jié)pH環(huán)境。
4)特別適用于高濃度重金屬?gòu)U水的處理，重金屬回收價(jià)值高，可實(shí)現(xiàn)廢水100%達(dá)標(biāo)排放，無(wú)濃縮液產(chǎn)生。
5)電解裝置緊湊，占地面積小，節(jié)省一次投資，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。可通過(guò)調(diào)節(jié)槽電壓和電流，可適應(yīng)水量與水質(zhì)變化沖擊。
但電解法也有它的不足之處，即：電耗和可溶性陽(yáng)極材料消耗較大，副反應(yīng)多，電極易鈍化;不適于低濃度重金屬?gòu)U水處理，不能將重金屬濃度降到很低，且電流效率低。
來(lái)源:重金屬?gòu)U水資源化處理
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