铁置换法处理含铜废水的实验研究*

黄 捷，王强胜，李建芬

（1.昆明理工大学环境科学与工程学院，云南昆明650500；2.武汉轻工大学化学与环境工程学院，湖北武汉430023）

铜是一种有较高应用价值的金属元素，主要应用于电线、导体、电极材料等[1]。糖精制品厂产生的废水中Cu2+含量极高，同时其有机物浓度大、酸度高、色度大。该酸性含铜废水排入环境后，会改变水体的pH 值，破坏水体自净能力，阻止或抑制微生物的生长，导致水体出现变臭等现象[2]。大量含铜废水如果不经处理被直接排入水体后，水中的铜不能被分解，相反还会在生物体内富集，Cu2+与人体中蛋白质结合会抑制生物酶的活性，从而毒害人体健康[3，4]。故含铜废水在排放前，如能回收利用其中的铜，不仅可解决铜的污染问题，而且可以节约资源，并且具有一定的经济效益。目前，比较成熟的含铜废水处理方法主要有化学法、物化法和生物法。而国内外对化学法处理含铜废水的研究较多，主要有化学沉淀法、置换法、电解法等[5，6]。置换法因其操作简单、能耗低、成本低等特点，受到了广泛的应用[7，8]。本文采用铁粉置换法处理含铜废水，并研究铁粉用量、反应时间、反应温度、溶液pH 值对铜置换率的影响，以探讨最佳的置换条件。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

721 型分光光度计；PHS-3C 数字酸度计；烧杯，比色管等。

EDTA 二钠盐；CuSO4·5H2O；NaAc；铁粉等，所用试剂均为分析纯。

1.2 方法

1.2.1 废水中Cu2+、Fe3+、H+的检测 含铜废水（湖北襄阳某糖精厂）Cu2+含量采用EDTA 分光光度法测定[9]，利用HAc-NaAc 缓冲溶液调节pH 值，EDTA二钠盐做显色剂，测得原废水中Cu2+的含量为10.66g·L-1。采用邻菲罗啉分光光度法测定废水中Fe3+含量[10]，利用NH3·H2O 和HCl 等调节pH 值，邻菲罗啉为显色剂，测得废水中Fe3+的含量10.07mg·L-1；H+浓度采用酸碱滴定法，测得原废水中H+的浓度为5.845mol·L-1。

1.1.2 铁粉置换废水中的铜 由于铁粉用量、反应时间、反应温度、pH 值都会影响废水中铜的置换率，故本文探讨了这4 个因素对铜置换率的影响。实验流程是：取新鲜废水，静置，吸取50mL 上清液于烧杯中，磁力搅拌并加入铁粉，控制一定的反应条件。反应结束后，过滤，测定滤液中铜的含量。同时将铜粉烘干并称量，计算置换率。

2 结果与讨论

2.1 铁粉用量对铜置换率的影响

计算铁粉的理论用量为0.4663g，由于副反应会消耗铁粉，实际用量要更大。实验中铁粉用量范围为100～800mg/50mL，反应时间30min，反应温度为常温，不调pH 值。实验结果见图1。

图1 铁粉的用量对铜置换率的影响Fig.1 Effect of iron dosage on recovery of copper

由图1 可知，随着铁粉用量的增加，铜的置换率先增大后基本不变。铁粉用量超过700mg/50mL时，铜置换率基本维持在98.3%左右。从节约成本方面考虑，实验中最佳的铁粉用量为700mg/50mL。

2.2 反应时间对铜置换率的影响

实验中铁粉用量700mg，反应温度为常温，不调pH 值，反应时间5～50min，实验结果见图2。

图2 反应时间对铜置换率的影响Fig.2 Effect of reaction time on recovery of copper

图2 表明，铜置换率随着时间的延长先增大，后基本保持不变。在5～15min 内，铜的置换率从38.5%增加到98.4%，在15min 后，铜置换率基本稳定在98.4%左右，这可能是置换出的铜粉附着在铁粉上，从而阻碍了铜离子与剩余铁粉的接触，导致铜的置换率不会有明显的增加。因此，最佳的反应时间为15min。

2.3 反应温度对铜置换率的影响

实验中反应时间15min，铁粉用量700mg，不调pH 值，控制不同的反应温度，实验结果见图3。

图3 反应温度对铜置换率的影响Fig.3 Effect of reaction temperature on recovery of copper

由图3 可知，反应温度对铜的置换率影响不大。随着反应温度的升高，铜置换率基本维持在97.3%左右。这说明反应温度对铜置换率基本无影响，从节省成本和能源方面考虑，最佳的反应温度为常温。

1.4 溶液pH 值对铜置换率的影响

Cu2+在pH 值大于4.2 时开始出现沉淀，因此，实验选取pH 值范围为1～5，实验中用HCl 和NH3·H2O 调节溶液的pH 值，其它反应条件相同，实验结果见图4。

图4 pH 值对铜的置换率的影响Fig.4 Effect of pH value on recovery of copper

由图4 可知，溶液的pH 值对铜置换率有很大的影响。溶液pH 值大于2 时，铜置换率随着pH 值的增加而增大；pH 值在2～4 时，铜置换率基本保持在98.1%左右；pH 值大于4 时，铜的置换率随pH值的增加反而下降。这是由于pH 值大于4 时，Cu2+会产生Cu（OH）2沉淀，使得铜置换率降低。因此，最佳的pH 值范围为2～4。

3 结论

本实验采用铁置换法处理含铜废水，利用HAc-NaAc 缓冲溶液调节pH 值，在pH 值为6 的条件下，以EDTA 作显色剂，用分光光度法测定溶液中的铜离子浓度，线性拟合良好。实验讨论了铁粉用量、反应时间、反应温度和溶液pH 值对铜置换率的影响。实验结果表明，铁粉用量在700mg/50mL，反应时间15min，反应温度选取常温，pH 值为2～4 时，铜置换率可最大，达到98%以上。此方法操作简便，成本低，铜回收效果好。

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［10］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，GB/T 23834.6-2009 硫酸亚锡化学分析方法（第6 部），铁含量的测定-邻菲啰啉分光光度法［S］.