重捕剂法联合强化混凝去除煤化工浓盐水中重金属的实验研究

张 静

(忻州市环境保护研究所，山西 忻州 034000)

重金属捕集剂是一类含有P、N、S等配位原子的化合物[1]。近年来，一种新型的沉淀剂-重金属捕集剂开始在市场涌现，其可与重金属离子的空轨道形成配位离子以去除重金属。同时，经大量研究表明，重金属捕集剂可同时去除水中多种重金属，且使用重捕剂法去除重金属操作简便，成本低，对重金属的总去除效果好。为此，本文拟以某典型煤化工浓盐水为研究对象，利用重捕剂法联合强化混凝进行去除其重金属小试，以期为煤化工废水“零排放”和资源化提供新的途径。

1)实验原水。实验配水加入目标重金属离子总As、Cu2+、Ni2+，得实验原水总As为0.3 mg/L、Cu2+为0.5 mg/L、Ni2+为0.4 mg/L；同时，加入NaCl、NaNO3、Na2SO4和粗酚，得实验原水TOC、Cl-、Na+、SO42-、K+、NO3-质量浓度分别为220.0、4 597.9、8 346.0、3 726.9、101.0、431.5 mg/L。

2)实验药品。氢氧化钠(NaOH)，分析纯，天津科密欧化学试剂有限公司；氯化钾(KCl)，分析纯，天津基准化学试剂有限公司；无水硫酸钠(Na2SO4)，分析纯，天津天力化学试剂有限公司。

3)实验仪器。CN-GS型数显磁力搅拌加热锅，巩义宏华仪器设备工贸公司；JA2003精密电子天平，上海舜宇恒平科学仪器有限公司；TOC-VCPN型TOC测定仪，日本岛津公司。

首先，取200 mL实验原水于250 mL烧杯中，调节pH值。为了保证反应效果，调节水温于20 ℃；加入一定量的重金属捕集剂，置于磁力搅拌器上以1 000 r/min的转速反应10 min。加入一定量的絮凝剂聚合氯化铝(PAC)继续反应5 min。加入2 mL的助凝剂聚丙烯酰胺(PAM)并调整转速为500 r/min反应5 min。为较好地计算实验原水经处理后的重金属离子处理效果，在反应结束静置25 min后，取上清液测定其重金属离子浓度。

总砷(As3+/As5+)、Ni2+、Cu2+、Na+、K+、Ca2+浓度(mg/L)测定采用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)，酸碱浓度的测定选用酸碱滴定法，pH测定采用pH计，水温(℃)测定采用水温温度计，Cl-、SO42-、NO3-质量浓度(mg/L)测定采用离子色谱法，总有机碳(TOC)、总溶解固体(TDS)质量浓度(mg/L)测定分别采用TOC、TDS测定仪。

根据《危险废弃物浸出标准浸出毒性鉴别》(GB5085.3-2007)，结合现场某二级反渗透出水获得典型煤化工浓盐水水质分析，选传统化学沉淀法去除率低的As、Cu和Ni为目标重金属离子。

经研究，采用硫化物沉淀法，可与重金属发生电中和、吸附架桥，有效去除络合的重金属离子，尤其硫化物中TMT重捕剂(化学名为2,4,6-三巯基-1,3,5三嗪三钠盐)毒性较小，选用其作为沉淀剂对环境最友好[2]。因此，采用TMT-15、TMT-18B和TMT-18F药剂来处理煤化工浓盐水中的重金属。

实验分别投加3种不同的TMT类重捕剂2、4、6、8、10 mL，按照实验操作方法处理煤化工浓盐水中的重金属，结果如表1所示。

由表1可知，综合比较下3种重捕剂对实验原水中重金属离子的综合去除率效果TMT-18B>TMT-18F>TMT-15。

表1 三种不同重捕剂对重金属离子的去除效果

此外，通过大量的市场调研与咨询，结合3种不同的TMT类重捕剂市场价格，优先选用成本较低、含量较高的TMT-18系列重捕剂。同时，在使用TMT-15和TMT-18F时溶液呈橙红色，这种现象不利于处理后水的达标，可能需进一步进行澄清度的处理，而投加TMT-18B时上清液仍澄清，处理效果明显好于其他两种TMT类重捕剂。

因此，综合考虑处理效果和处理成本，选择处理效果较好、成本较低的重捕剂TMT-18B。同时，经实验，当TMT-18B投量为10 mL时，综合去除率达到最高，为69.37%。

经大量研究表明，对水中重金属离子的去除时，在投加重捕剂的基础上投加絮凝剂，有利于生成粗粒絮凝体，加速沉降。

为了进一步提高水中砷的去除率，实验在最佳重捕剂TMT-18B投量为10 mL的条件下，利用絮凝剂电中和、脱稳、吸附架桥或黏附卷扫等原理作用，分别投加4种絮凝剂：PAC、FeCl3、聚合硫酸铁(PFS)和FeSO4，探讨重捕剂法联合强化混凝对重金属离子的去除效果。投加量范围为1 mL～10 mL，梯度变化为1 mL，结果如表2所示。

由表2可知，含铁絮凝剂比原有絮凝剂PAC处理效果更好，且综合比较下，3种含铁絮凝剂中表现最好的是PFS，主要是因为其相对更提高了对原水中总As的去除率，综合去除率也最高。

表2 重捕剂法联合不同絮凝剂对重金属离子的去除效果

同时，对含有特征有机污染物粗酚的煤化工浓盐水而言，在去除水中色度及COD方面，PFS也优于无机絮凝剂FeCl3和FeSO4。此外，一般情况下，外投含铁絮凝剂的一个弊端是会增加出水中铁的浓度，且含铁絮凝剂加入后，铁离子发生水解，会使出水呈弱酸性。通过测定反应后上清液的铁浓度和pH可知，在相同絮凝剂投量下，上清液中铁浓度关系为FeCl3>PFS>FeSO4，选择絮凝剂PFS，出水铁浓度相对较低；絮凝剂FeSO4和PFS对水质pH影响低于FeCl3。

综上所述，实验确定最佳絮凝剂种类为PFS，其最佳投量为4 mL。

PAM 是一种线型高分子有机物，有“百业助剂”之称。相关研究显示，PAM可促使细小而松散的絮体变得粗大而密实，加快沉降速度。为此，实验在最佳重捕剂TMT-18B(10 mL)和最佳絮凝剂PFS(4 mL)下，探讨在不同助凝剂用量下对重金属离子的去除效果。投加量范围为0 mL～7 mL，梯度变化为1 mL，结果如第163页图1所示。

由图1可知，在重捕剂法联合强化混凝去除重金属的实验中，利用PAM絮凝、吸附、增稠、耐剪性、降阻及分散等性能，以及氢键、范德华力和静电力作用等，可改善絮体结构，从而进一步提高了对总As和Cu2+的去除率。同时，因PAM投量增加时包裹胶体，从而产生“胶体保护”，因此实验所得的助凝剂PAM的最佳投加量为4 mL。

图1 助凝剂投量对重金属的去除效果

综上所述，主要研究了重捕剂+强化混凝去除煤化工浓盐水中的重金属，结果显示，投加10 mL重捕剂TMT-18B、4 mL絮凝剂PFS、4 mL助凝剂PAM时，对所配得的总As为0.3 mg/L、Cu2+为0.5 mg/L、Ni2+为0.4 mg/L的实验原水中重金属的综合去除率达到最高为91.87%。因此，重捕剂法联合强化混凝去除煤化工浓盐水中重金属法值得进一步研讨和推广。