《武汉工程大学学报》  2012年12期 25-27,31   出版日期：2013-01-11   ISSN:1674-2869   CN:42-1779/TQ

硫酸亚铁沉淀法处理含钒废水


0引言钒是一种非常重要的合金元素，随着我国经济的快速发展，许多行业对钒的需求也越来越大\[1\].含钒钢具有强度高、韧性大、耐磨性好等优点，因而广泛应用于机械、汽车、造船、铁路、桥梁等行业，各种钒的化合物也被用作化学反应的催化剂、颜料、油漆、玻璃和陶瓷生产用添加剂等\[2\].自然界中钒的含量甚至比锌、镍、铜、铅、锡、锑等金属还要高，但以高品位钒的独立矿物形式存在的却很少，通常伴生在钛磁铁矿、含钒热液矿脉、风化堆积残留矿、含钒铁矿、含钒磷矿等矿床中\[3-4\].因此钒矿进行冶炼时，必须用到多种化学试剂，虽然采用了新型的石煤钒矿湿法提钒工艺，仍有大量的含钒废水产生\[5-6\].钒主要以五价存在于废水中，各种价态钒的离子中，五价钒离子的毒性最大，且溶于水.可通过饮水、食物等途径进入人体，对人体健康产生影响，导致急、慢性中毒，对呼吸道有明显的刺激作用；钒化物对肾脏、神经系统、造血系统、心血管系统都有严重的损伤并导致明显的病理变化.因此，政府严格控制含钒废水的排放，处理后的废水也必须尽量回用.同时，钒也被列入《污水综合排放标准》中第一类污染物.目前，对含钒废水的处理分物理、生物和化学三种方法.物理法主要采用吸附和离子交换技术\[7-10\].吸附法由于受吸附剂吸附容量和价格的限制，仅仅适用于低浓度含钒废水的处理；离子交换法处理效果较好，但成本较高也导致其应用范围不大.生物法是一种较为理想的处理方法，成本低且无二次污染，但实际应用还有一定的难度.化学沉淀法在处理含钒废水的应用中最为广泛，如硫酸亚铁沉淀法、铁屑沉淀法和铵盐沉淀法等.硫酸亚铁沉淀法生成的沉淀絮体较小，沉降时间较长，需要进行改进；铁屑沉淀法虽然处理效果较好，但处理此种强酸性废水，会耗费大量的铁屑，反应后溶液的pH值会有很大变化，不利沉淀的产生；铵盐沉钒则要求钒溶液在90 ℃以上.因此，针对此废水的特点，选择硫酸亚铁沉淀法来进行处理.1试验材料和方法1.1试验试剂和仪器试剂：H2SO4、FeSO4、NaOH，Ca(OH)2及钽试剂(BPHA)为分析纯，购于天津市科密欧化学试剂有限公司；仪器：723N可见分光光度计(上海现科分光仪器有限公司)， PHS-3G型pH计(上海精密科学仪器有限公司).废水为湖北某钒矿提钒废水，废水中主要成分见表1.表1含钒废水的主要成分
Table 1The main ingredients of vanadium contained
waste water
pH值质量分数/(mg/L)VSO2-4CaMgMnFeZnPb2167.73212.3480.1323.465.4966.279.30.051.2试验原理由于废水中钒主要以VO2+的形式存在，具有一定的氧化性，加入的Fe2+ 部分被氧化为Fe3+，VO2+则被还原为VO2+及VO+，生成的Fe3+还可以与废水中的VO2+反应生成组成不定的钒酸铁水合物(xFe2O3·yV2O5·zH2O)而沉淀下来；而Fe2+和Fe3+还可作为钒酸盐的沉淀剂生成钒酸铁沉淀，将V2O5还原成VO2，再进一步生成VO2·xH2O水合物沉淀；在酸性条件下还原V2O5后，再将废水的pH值调至9.0时，剩余的Fe2+则可生成Fe(OH)2和Fe(OH)3沉淀，此沉淀为带电的胶体，在废水中为活性絮凝剂，可促进钒酸铁及VO2·xH2O水合物加速沉淀，形成暗绿色的沉淀混合物\[10-11\]. 1.3试验方法准确量取2份50 mL的含钒废水于烧杯中，一份稀释后测定吸光度计算钒的含量，另一份加入FeSO4溶液，反应一定时间后，加入一定量的NaOH调节pH值至产生絮凝沉淀，静置15 min后，离心分离，吸取上层清液，测定吸光度，再计算钒的含量，进而得到钒的去除率.去除率η计算方法如式(1)，试验流程见图1.η(%)=c0-c1c0(1)式（1）中，c0为原液V的含量，c1为处理后V的含量.图1含钒废水处理流程图
Fig.1The treating flow chart of vanadium
contained waste water1.4分析方法按照国家标准GB-T 15503-1995中规定的废水中钒的测定方法-钽试剂(BPHA)萃取分光光度法进行分析.第12期关洪亮，等：硫酸亚铁沉淀法处理含钒废水
武汉工程大学学报第34卷
2结果与分析2.1反应时间对钒去除率的影响废水中钒的浓度为167.7 mg/L，加入15 mL 5 000 mg/L的硫酸亚铁溶液，考查反应时间对钒去除率的影响，结果如图2所示.图2反应时间对去除率的影响
Fig.2The effect of reaction time on the removing rate由图2可以看出，随反应时间延长，钒去除率提高；但当反应时间超过30 min时，继续延长反应时间，钒去除率变化不大，因此反应时间为30 min较适宜.2.2搅拌速率对钒去除率的影响搅拌速率对废水中V的去除效率也有一定的影响，通过搅拌，可以加速传质过程，加快扩散速度，从而提高反应速率\[12\].从图3可以看出，当搅拌速率从100 r/min增加到800 r/min时，去除效率并没有明显变化，可能因为传质扩散并非氧化还原反应的控制步骤，因此，本实验的搅拌速率定在100 r/min.图3搅拌速率对V去除率的影响
Fig.3The effect of pH on the removing rate
at different stirring speed2.3废水的pH对V去除率的影响在废水pH为1.68，加入15 mL 5 000 mg/L的硫酸亚铁溶液，反应30 min，用NaOH调节废水的pH值，考察沉淀过程中废水的pH对V去除率的影响，结果如图4所示.由图可以看出，沉淀的pH越大，V的去除率越高，但是当沉淀pH为9时，去除率达到95％，综合去除率和经济效果考虑，最佳沉淀pH为9.0.图4沉淀过程中pH对V去除率的影响
Fig.4The effect of pH on the removing rate during
precipitation2.4温度对V去除率的影响在化学反应中，温度对反应的速率等有一定的作用.在废水pH为1.68时，加入15 mL 5 000 mg/L的硫酸亚铁溶液，反应30 min条件下，考察在30、40、50、60 ℃温度下对V去除率的影响.结果如图5所示.图5温度对V去除率的影响
Fig.5The effect of temperature on removing rate从图中可以看出，一定范围内升高温度温度对V去除率影响不大，可能只是加速了反应速率.因此室温下操作即可.2.5硫酸亚铁用量对V去除率的影响不同的FeSO4 用量对V去除率有一定的影响，废水的pH值为1.67，反应时间为30 min，沉淀pH为9，考察硫酸亚铁用量对V去除率的影响，结果如图6所示.图6硫酸亚铁用量对V去除率的影响
Fig.6The effect of amount of FeSO4 on the
removing rate从图中可以看出，硫酸亚铁用量越大，去除效果越好，但是当用量超过19 mL时，去除率随硫酸亚铁用量的增加提高不明显.从经济效果来看，最佳用量为19 mL.此时去除率可达到94.6%.此时处理后的水的含钒质量浓度为9.08 mg/L.3结语针对某钒矿冶炼废水的特点，提出了用FeSO4和NaOH处理此类废水的方案，废水中，当废水中钒的质量浓度为167.7 mg/L，废水的pH在1.67，取废水50 mL，用5 000 mg/L的硫酸亚铁19 mL硫酸亚铁还原，反应时间30 min后，再用NaOH/Ca(OH)2调节废水的pH为9.0沉淀含钒化合物，钒的去除率可达96%以上，为后续的含钒废水处理达标排放奠定基础.