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化学实验室重金属废水的处理
日期：2024-04-29 19:30
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摘要：
化学实验室重金属废水的处理
本文分为两部分。部分提出了一种利用泥土（以及其中的腐殖质）还原和吸附铬的实验方法，讨论了这种方法在实验室含铬(VI)废水的处理中的可行性及可操作性。**部分主要从综合处理的角度，讨论了实验室中含铬、汞、铅等废水的处理方法，提出一种综合处理、反复利用的思路。
关键词 实验室、废水处理、无机化学、环境保护
一、导言
在浦口校区大学一年级的学生实验中，含有重金属离子及其配合物的废水是主要的污染物。目前，这些废水未经任何处理即直接排放，对周边环境造成了不小的损害。
我们认为，在建立一套较为完善的废水处理系统之前，尝试以可行性强、操作简单的化学方法降低重金属污染是值得考虑的。对此，主要的思路有两条，一是降低污染物毒性后排放，二是将金属回收利用。本文从这两个角度出发，分为两部分。部分针对铬这一主要的污染物，尝试了以含腐殖质的泥土还原并吸附铬(VI)，将其排放形式转变为低毒的铬(III)的实验方法。**部分则论述了具体的实施方法，希望能尽量减少排放物的污染，或者利用不同实验的废料废水相互作用，创造各种金属的回收条件。
二、淤泥处理铬(VI)废水的实验方法
泥土中所含的腐殖质能将六价铬还原为三价，并与之形成有机配合物而吸附[1]。为此我们设计了如下的实验：
目的：验证泥土对含铬(VI)的废水中铬(VI)的去除能力
原理：（可能之原理）在酸性条件下，利用铬(VI)的氧化性将泥土中的还原性有机物氧化，使之转化为铬(III)。铬(III)又能与泥土中的某些成分络合继而被泥土吸附。终排放的废水中铬(VI)含量显著减少。
原料：淤泥二份（分别取自明湖湖底以及运动馆前水渠），实验室重铬酸钾回收液（约0.016M），硫酸及氢氧化钠溶液。
仪器：722型分光光度计，实验室常用无机玻璃仪器
步骤：
- 淤泥在90℃下烘干4小时备用。
- 把重铬酸钾回收液稀释50倍左右备用。此时重铬酸钾浓度约为0.094mg/L。
- 取100mL稀释液，置于250mL锥形瓶中，并用硫酸调整pH值至1左右。在不同的条件下还原吸附稀释液中的铬(VI)，然后分析溶液中剩余的铬(VI)的含量。
- 分析方法：滤出还原吸附后的溶液，用氢氧化钠溶液调整pH值至8左右，过滤除去沉淀，然后以分光光度法，在366nm波长处测定铬(VI)的含量。处理条件及测定结果见下表。
表 1 明湖淤泥处理效果
条件 | 吸光度 | 去除率 |
2g/0.5h | 1.287 | 12.3% |
2g/1.0h | 1.236 | 15.7% |
2g/2.0h | 1.216 | 17.1% |
8g/2.0h | 0.098 | 93.3% |
原始液(~36mg/L) | 1.467 |
表 2 效果对比
条件 | 吸光度 | 去除率 |
2g(1) | 1.284 | 13.2% |
4g(1) | 0.980 | 33.8% |
4g(2) | 1.200 | 18.9% |
8g(1) | 0.050 | 96.6% |
8g(2) | 0.049 | 96.7% |
原始液(~36mg/L) | 1.480 |
标注(1)的样品取自水渠，标注(2)的样品取自明湖。处理时间均为1小时。
结果显示：
1、泥土对铬(VI)确有去除作用，但对其去除铬(VI)的具体机理尚不清楚，我们认为可能的机理是泥土中的还原性物质（可能主要是腐殖质）在酸性条件下还原了铬(VI)，同时泥土中另一些物质（可能是有机物）与铬(III)形成了易被吸附的配合物。
2、 就相同的淤泥来说，处理时间的不同将导致结果的差异，但时间的影响并不十分显著。
3、不同来源的泥土在相同条件下处理的结果存在差异。从水渠中取得的淤泥处理效果稍好。从淤泥形成的环境来看，该样品（取自芦苇丛底部，有较多有机物沉积）腐殖质含量较高，还原能力较强。
4、泥土的质量并不与铬(VI)的去除率呈线性关系，但可以观察到的是，泥土的用量对处理效果有决定性影响。用量越大，其对铬(VI)的去除率也就显著升高。
5、在泥土过量(8g)的情况下，两种样品均能取得令人满意的去除率。可见，该方法对泥土的要求并不会太高，从而具有较强的可行性。
特别的是，我们尝试以10克泥土直接处理50毫升未经稀释（0.016M）的废水，以目测（浓度太高无法分光）判断，至少去除了50%。据此推测，可能存在这样一个平衡，即去除的铬(VI)的量与原始废水浓度正相关。
6、我们曾对处理后的废水进行测试，结果显示，除铬(VI)几乎被除尽外，水中铬(III)含量也很少，我们推测，剩余的铬进入了泥土中。
三、实验室废水处理过程
1、 排放
排放是一种较为方便的处理方式。优点是操作简单，设备以及条件要求不高，故经济性较好。相应的缺点在于，虽然可以很大程度上减少污染，但无法完全消除。
以铬(VI)为例，前一部分已经说明淤泥处理重铬酸钾污染的可行性。据我们统计，浦口校区大一实验共计600人左右，使用后排放的洗液以及滴定剂共含有2~2.5千克重铬酸钾。按照实验结果的标准，8克泥土可以处理含约10~20毫克重铬酸钾的废水，一年的泥土需求量将在2~2.5吨（约1~2立方米）之间。为此，可以建设小规模的处理池，首先收集重铬酸钾废液，贮于池中，再投入足量的淤泥（由实验数据可见，为保证效果，且鉴于淤泥易于获得，应予过量投放）。加入适量硫酸酸化，再放置一定时间（由于一学年的废水可以同时处理，故处理时间十分充裕，可以在长期放置的情况下使之完全反应）。
基于另一实验事实，即处理效果与初始浓度正相关，铬浓度越高，相同质量的淤泥对其处理效果就相对越好。为此，我们在实际处理中可以不对废水进行如实验般的稀释，而可以采取多级处理的方案，逐步降低废水中铬浓度，以取得更佳的效果。
关于使用硫酸可能造成成本过高的问题，我们认为，由于铬(VI)在酸性条件下方显强氧化性，故任何以化学处理（还原方式）为主的处理方法都有一定的耗酸量，所以这方面的成本是难以避免的。
另一相关问题在于此法实施以后产生的含铬泥土如何处理。此种泥土含有较多的铬。大部分铬(VI)已被还原，故毒性已大大降低，污泥的总量大概二至三吨。由于其为固体形态，量又不大，便于集中和运输，可以直接交由南京的专业污染物处理点进一步处理。
2、 回收
以实验室现有的条件，较简便的金属回收方法是将金属离子以氢氧化物的形式沉淀分离。这就要求与上述淤泥处理完全不同的方法。
首先考察各种金属离子的排放形式：铬（重铬酸钾，硫酸铬）；汞（氯化汞，氯化亚汞）；铅（EDTA合铅(II)）；铜（EDTA合铜，硫酸铜），等等。其中，氯化汞和硫酸铬属于共同排放。
通过计算得知，每年实验中排放氯化汞（重铬酸钾法测铁）约0.5千克，排放铅离子（锡青铜中铅锡的测定）1~2千克，数量也相当可观。
总体的处理思路是，对于高价阴离子，先将其还原为低价阳离子；而对EDTA配离子则可先行置换。为此我们考虑以硫酸亚铁胺为还原剂——在大一上期的化学制备实验中，产生了大量的硫酸亚铁胺。由于纯度的原因用途十分有限。因此可以用来还原重铬酸钾。还原后的溶液中含有铁(III)及铬(III)离子。从它们氢氧化物的溶度积可以知道，铁(III)及铬(III)离子的沉淀条件分别是PH=3~4以及PH=8~9，因此可以使用廉价的石灰调整PH值，先将高铁沉淀分离（待作他用），再将铬(III)沉淀回收。
由此产生的氢氧化铁以盐酸溶解后，可以用于置换EDTA合铅、铜中的铅和铜。这里，EDTA合铁(III)的稳定常数是EDTA金属配合物里的，所以置换可以完成。而且由于铁本身的毒性极小，几乎不造成污染，故EDTA合铁可以直接排放。而置换出的铅、铜同样以沉淀的形式回收。
至于硫酸铜、氯化汞、硫酸铬，都具备直接沉淀的条件，不再赘述。
回收的各种金属可以再度利用。
总的来说，沉淀回收法的原理较为简单，可操作性也很强，对污染的消除效果相当不错。成本虽然较排放法为高，但考虑到金属的回收再利用，以及消除环境污染的具体效果，这些支出还是可以接受的。
3、 处理以外的一些要求
为达到降低以及消除污染的目的，首先必须将实验产生的各种金属离子尽量分类集中。这个工作比较繁。我们认为，可以在实验室建立一套相应的制度，例如：要求同学们在实验过程中自觉将各种废水分类集中，将工作量分摊，就成为一件易于办到的事。而与之对应的，需要实验室提供收集、贮存各种废水的容器和场所。每学期或者学年结束后，可以开展学生实践，由学生处理本学期或学年收集的废水，教学和实践、探索相结合。减少污染，保护环境，需要老师和同学共同努力。
四、结语
本文对重金属废水的处理提出了一些建议和思路。虽然这些方法在理论上是基本可行的，但具体实施起来可能还有我们没有考虑到的问题或困难，还须多作探讨。废水处理是一个复杂的问题，方法还要在实践中不断完善。
