高鹽鎳氨廢水凈化及深度脫除鎳技術(shù)

1、引言

作為鋰離子電池的核心材料，三元前驅(qū)體生產(chǎn)常采用氨堿配合濕法連續(xù)共沉淀法，以硫酸鎳(鈷、錳)為原材料，氨水為配合劑，氫氧化鈉為沉淀劑。其生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生大量廢水，主要成分為硫酸鈉、氫氧化鈉、氨氮、重金屬鎳等。隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保的越發(fā)重視，污染控制愈發(fā)嚴(yán)格，對(duì)此類廢水的治理提出了新的要求。根據(jù)《電池工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB30484-2013)要求，自2016年起，所有企業(yè)鎳的排放均滿足0.5mg/L的限值。

鑒于該廢水具有高鹽、含鎳、含氨氮等特性，目前主要采取解絡(luò)合精餾+MVR除鹽、硫化物沉淀+多效蒸發(fā)除鹽、硫化物沉淀+磷酸銨鎂除氨+冷凍結(jié)晶法、硫化物沉淀+磷酸銨鎂除氨+MVR除鹽等。對(duì)于高鹽含鎳氨廢水體系中鎳的凈化機(jī)理研究，主要集中在[Me]-H2O體系、NH3-H2O體系、[Me]-NH3-H2O體系等，而對(duì)于[Me]-NH3-Na2SO4-H2O體系鮮有報(bào)道。本文根據(jù)熱力學(xué)分析，結(jié)合PHREEQC熱力學(xué)模擬軟件，基于實(shí)際廢水處理工藝，分析高鹽鎳氨廢水處理過(guò)程中鎳的凈化機(jī)理，為此類廢水的治理提供理論依據(jù)。

2、廢水處理工藝

圖示為某企業(yè)三元前驅(qū)體生產(chǎn)廢水的處理工藝，采用“解絡(luò)合+蒸氨”工藝深度去除金屬鎳和氨氮。該廢水通過(guò)斜管沉降槽進(jìn)行預(yù)處理，大部分重金屬由于重力沉降作用，停留在沉降槽底部，溢流通過(guò)中間儲(chǔ)槽，泵入精密過(guò)濾器A，進(jìn)行過(guò)濾預(yù)處理，濾液通過(guò)中間儲(chǔ)槽，泵送至廢水線的廢水儲(chǔ)罐。精餾塔后，由于氨氮濃度降低至15mg/L，溶液中的重金屬離子轉(zhuǎn)變?yōu)槌恋?，再次通過(guò)精密過(guò)濾器進(jìn)行精濾，降低廢水中重金屬的含量，精濾液經(jīng)pH調(diào)節(jié)池降溫和調(diào)pH值6~9，然后外排。

因此，結(jié)合廢水的工藝及水質(zhì)特點(diǎn)，將鎳的沉淀過(guò)程分為三個(gè)階段：

(1)廢水預(yù)處理階段，即斜管沉淀→精密過(guò)濾器A，廢水成分為：Na2SO4含量60~80g/L，氨氮含量3~6g/L。

(2)汽提脫氨階段，即精餾塔→板框壓濾機(jī)，廢水成分為：Na2SO4含量60~80g/L，氨氮含量15mg-3g/L。

(3)深度凈化階段，即精密過(guò)濾器B，廢水成分為：Na2SO4含量60~80g/L，氨氮含量15mg以下，水溫80~100℃。

3、廢水體系熱力學(xué)分析

該高鹽含鎳氨廢水體系中存在的物質(zhì)有：Ni(NH3)i2+(i=0，1，2，3，4，5，6)、Ni(OH)j2-j(j=1，2，3)、NH3、NH4+、H+、OH-和H2O。假設(shè)溶液中氨氮濃度為[NH3]T，游離的二價(jià)鎳離子濃度為[Ni2+]T，根據(jù)電荷平衡及質(zhì)量守恒原理，可得出不同氨氮濃度下鎳離子與pH值的關(guān)系，如下圖2所示。

由圖2可知，在[NH3]T濃度0.01~0.4mol/L時(shí)，體系中[Ni2+]T濃度隨著[NH3]T含量的減少而減少。這是由于氨對(duì)Ni2+的配合作用，影響Ni2+與OH-的沉淀反應(yīng)。在體系pH值7~14時(shí)，[Ni2+]T濃度隨pH值的升高，先減少后逐漸增加。這是由于pH值的增加，體系中的鎳以Ni(OH)2存在；而隨著pH值的繼續(xù)增大，Ni(OH)2在氨水中反溶引起[Ni2+]T濃度增加。因此，該體系中[NH3]T濃度、pH值對(duì)[Ni2+]T起決定作用。

4、廢水體系PHREEQC軟件模擬分析

PHREEQC熱力學(xué)模擬軟件，是基于溶液化學(xué)中的反應(yīng)平衡、“質(zhì)量守恒”和“電子守恒”。水溶液化學(xué)反應(yīng)體系包括：初始溶液、氣固相、溶液中不同價(jià)態(tài)元素間的各類反應(yīng)、氣固相的溶解平衡等。初始溶液由各種價(jià)態(tài)的元素構(gòu)成，其定義為元素類別、元素的價(jià)態(tài)、元素的主要存在形式、元素的物質(zhì)量、溶液溫度、溶液pH值以及電子活度pe等。

4.1 預(yù)處理階段廢水系統(tǒng)中鎳的形態(tài)分析

初始模擬條件：[NH3]T濃度300mmol/L；[Na2SO4]T濃度0.5mol/L；[Ni2+]T濃度5mg/L；水溫50℃。不同pH值下溶液中鎳的平衡濃度見(jiàn)圖3所示，鎳的形態(tài)分布曲線見(jiàn)圖4。

從圖3可知，pH值在11.0時(shí)，鎳開(kāi)始沉淀；在pH值為11.6時(shí)，[Ni2+]T濃度最低，為0.5mg/L。從圖4可知，pH小于11.6時(shí)，鎳主要以鎳氨絡(luò)合態(tài)Ni(NH3)22+、Ni(NH3)32+、Ni(NH3)42+、Ni(NH3)52+、Ni(NH3)42+存在；當(dāng)pH值大于11.6時(shí)，鎳開(kāi)始沉淀，形成Ni(OH)2(s)的沉淀，同時(shí)與OH-形成絡(luò)合態(tài)Ni(OH)3-，在pH值為13.1時(shí)，大約有96%的鎳以Ni(OH)2(s)的沉淀存在。因此，在此階段中，最低可將鎳沉淀至0.5mg/L。

4.2 蒸氨階段廢水系統(tǒng)中鎳的形態(tài)分析

初始模擬條件：[NH3]T濃度300mmol；[Na2SO4]T濃度0.5mol/L；[Ni2+]T濃度5mg/L；水溫90℃。水溫在90℃時(shí)，溶液的pH值最大不超過(guò)12.0，因此，在90℃時(shí)廢水體系鎳的沉淀模擬時(shí)，pH值的范圍為8.0~12.0。不同pH值下溶液中鎳的平衡濃度見(jiàn)圖5所示，鎳的形態(tài)分布曲線見(jiàn)圖6。

從圖5及圖6可知，在[NH3]T濃度為300mmol/L時(shí)，隨著pH值的升高，溶液中的鎳逐漸形成Ni(OH)2(s)沉淀，平衡鎳濃度逐漸下降，當(dāng)pH值大于8.7時(shí)，溶液中的鎳小于0.1mg/L，鎳主要以Ni(OH)2(s)沉淀存在，可實(shí)現(xiàn)廢水中鎳的深度脫除。

4.3 深度凈化階段廢水系統(tǒng)中鎳的形態(tài)分析

初始模擬條件：[NH3]T濃度1mmol；[Na2SO4]T濃度0.5mol/L；[Ni2+]T濃度2mg/L；水溫30℃。不同pH值下溶液中鎳的平衡濃度見(jiàn)圖7所示，鎳的形態(tài)分布曲線見(jiàn)圖8。

從圖7和圖8可知，隨著pH值的升高，溶液中的平衡鎳濃度先降低后升高，在pH值10.6~11.8之間，鎳平衡濃度小于0.1mg/L，pH值大于12.8時(shí)，鎳濃度超過(guò)1.0mg/L。因此，在此階段，廢水中的鎳可形成Ni(OH)2(s)沉淀，通過(guò)精密過(guò)濾器B過(guò)濾去除，最低可降低至0.1mg/L以下，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)廢水中鎳的深度脫除。

5、實(shí)際廢水水質(zhì)分析

該企業(yè)實(shí)際廢水廢水水質(zhì)見(jiàn)下表所示。由于檢測(cè)方法等原因，同時(shí)氫氧化鎳在沉淀的過(guò)程中，可通過(guò)自吸附作用去除一部分鎳，造成該體系中鎳的含量存在一定的波動(dòng)。但是，高鹽含鎳氨廢水體系中的鎳可通過(guò)pH值、溫度等調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)鎳的深度凈化，滿足廢水處理要求。

6、結(jié)論

(1)采用“解絡(luò)合+蒸氨”工藝，可實(shí)現(xiàn)金屬鎳和氨氮的深度去除。實(shí)際廢水經(jīng)“預(yù)處理+蒸氨+深度凈化”后，氨氮含量＜15mg/L，鎳含量＜0.5mg/L，滿足《電池工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB30484-2013)排放要求。

(2)根據(jù)熱力學(xué)分析，該體系中[NH3]T濃度、pH值對(duì)[Ni2+]T起決定作用。體系中[NH3]T濃度的越低，平衡時(shí)[Ni2+]T越低，有利于鎳的深度去除。由于存在Ni(OH)2在氨水中的返溶現(xiàn)象，[Ni2+]T濃度隨pH值的升高，先減少后逐漸增加。

(3)通過(guò)PHREEQC熱力學(xué)軟件模擬分析，[NH3]T濃度越低、溫度越高、[Na2SO4]T濃度越低，有利于鎳的深度處理。在預(yù)處理階段，理論上最低可沉淀至0.mg/L；在蒸氨和深度凈化階段，溫度90℃、[NH3]T濃度1mmol、[Na2SO4]T濃度0.5mol/L時(shí)，可使鎳脫除至0.1mg/L以下，實(shí)現(xiàn)鎳的深度處理。（來(lái)源：湖南艾布魯環(huán)保科技股份有限公司）