基于电化学浮选工艺处理含铜离子废水

华开强，曹思敏，徐乾德，王宇斌，田晓珍

（西安建筑科技大学资源工程学院，陕西西安710055）

含重金属离子的工业废水主要来源于电镀、采矿、选矿、金属冶炼和特种玻璃等化工产业[1]。世界卫生组织曾颁布公告指出重金属不仅有毒，而且有致癌作用，并能使正在发育的儿童造成畸形[2，3]。超标排放的重金属会污染水体和土壤，经过动、植物的吸收和富集可以通过饮食再转移到人体内引起慢性中毒[4，5]。重金属中Hg、Pb、Ni、Cr、Cd、Ag 为国标规定的第一类污染物[6]，而Cu、Zn、Mn 为第二类污染物[7]，其影响比第一类污染物质小。因此，重金属高效回收处理技术的研发日益受到重视[8]。在众多的重金属回收处理技术中，电化学预处理工艺是一种新兴的、对环境友好的、不引入二次污染的水处理技术[9，10]，利用该工艺进行含重金属离子的工业废水处理不仅能够高效处理并回收低质量分数的重金属废水，且其药剂来源非常广泛，不仅可以降低捕收剂的生产成本，还可以减少工业废水的处理费用，因而具有良好的经济效益[11]。研究采用含铜离子的溶液模拟矿山含Cu2+的废水，将电化学预处理、传统浮选工艺及重金属废水处理相结合，揭示不同电化学预处理条件对浮选药剂物化性质的影响， 并基于正交试验优化电化学浮选的药剂制度。既为我国重金属离子废水的处理及回收提供理论借鉴，又为电化学浮选技术在环境工程领域的应用提供理论依据，从而使重金属离子废液中的重金属离子资源得到高效利用，同时为其他种类废水的处理提供借鉴。

1 试验材料、设备及方法

1.1 试验材料及设备

试验使用的材料和设备分别见表1 和表2。

表1 试验材料表

表2 试验设备表

1.2 电化学预处理药剂试验

将配置成质量分数为1%的丁基黄药在电解槽内进行电化学处理，电化学预处理在不同极板间距、阳极材料、电解时间和和电流密度等条件下进行，待电化学预处理完成后，对溶液的物理化学性质进行检测。

1.3 模拟废水浮选试验

用五水硫酸铜分别配置不同质量分数的模拟含铜离子废水，并加入浮选药剂并调浆一定时间，然后向浮选机内通入空气并刮泡，将所得泡沫产品过滤、烘干、称重，最后结合矿浆中残留重金属离子质量分数计算中金属离子的回收率并对计算结果进行极差分析。

2 试验结果分析

2.1 电化学预处理试验

将配置好的丁基黄药溶液在电解槽内进行电化学预处理，并设置不同的预处理条件电流密度、极板间距、电解时间和电极材质等条件下进行，待电化学预处理完成后，对其进行电导率、pH 值检测，并对得到的实验结果进行分析。由于电导率可表征丁基黄药的电离程度，电离程度越大，其越容易与铜离子生成络合物，即在浮选中作用效果越好。相对于pH 值溶液电导率能更直观地表征丁基黄药在浮选中的作用效果，故研究以电导率为主要表征手段。

2.1.1 不同电化学预处理条件对丁基黄药溶液电导率的影响

不同电化学预处理条件对丁基黄药溶液电导率的影响如图1 所示。

图1 不同电化学预处理条件对丁基黄药溶液电导率的影响

由图1（a）可知，随着极板间距的增大，电导率先增大后减小，当极板间距为6 时，电导率达到最大值。由图1（b）可知，当分别以铜、铅、石墨、不锈钢作为阳极材料进行电化学预处理时，以石墨为阳极材料时，电导率最大。由图1（c）可知，延长电解时间，电导率先增大后保持不变，当电解时间为15min 时，电导率达到最大值。电解时间为10min 时，电导率最大，为最佳电化学处理条件。由图1（d）可知，电导率随着电流密度的增大先增大再减小又增大的趋势，当电流密度为0.15A 时，电导率达到最小值，之后随着电流密度的增大，电导率随之增大。

2.1.2 不同电化学预处理条件对丁基黄药溶液pH 值的影响

不同电化学预处理条件对丁基黄药溶液pH值的影响如图2 所示。

图2 不同电化学预处理条件对丁基黄药溶液pH 值的影响

由图2（a）可知，随着极板间距的增大，pH值变化不明显。由图2（b）可知，阳极材料为铜时，pH 值最小；阳极材料为不锈钢时，pH 值最大。由图2（c）可知，随着电解时间增大，pH 值先增大后减小，当电解时间为5min 时，pH 值最小，当电解时间为15min 时，pH 值最大；由图2（d）可知，随着电流密度的增大，pH 值先增大后减小，当电流密度为0.15A 时，pH 值达到最大值。对比图2 中（a）～（d）可知，在电化学预处理过程中，阳极材料和电解时间对丁基黄药溶液pH 值的影响较大，电流密度对丁基黄药溶液pH 值的影响较小，而极板间距对丁基黄药溶液pH 值的影响不明显。通过分析图1 和图2 可知，极板间距为6.5cm，阳极材料为石墨，电解时间为10min，电流密度为0.25A 时，丁基黄药的作用效果最好。

2.2 浮选试验结果

选用丁基黄药用量、2 号油用量、误差项、废水中Cu2+质量分数四个因素，采用4 因素3 水平的正交试验，并在适当范围内选定各因素的水平。正交因素及对应水平见表3，正交试验浮选的结果如表4 所示，极差分析结果如表5 所示。

表3 正交试验因素水平表

表4 正交试验安排及结果

由表4 可知，试验3 的条件下，铜离子回收率最低，达到13.64%，试验5 的条件下，铜离子回收率最高，达到63.64%。由此可见，当废水中Cu2+质量分数为40mg/L，丁基黄药（质量分数为1%）用量为16mL，二号油用量为40mg/L 时，铜的回收率最高为63.64%。

表5 不同浮选条件对Cu2+回收率的影响

由表5 可知，对于废水中Cu2+回收率来说，因素A 和因素D，即黄药用量和废水中Cu2+质量分数的极差较大，可见其对废水中Cu2+回收率影响较大；因素B，即二号油用量的极差较小，说明二号油用量对废水中Cu2+回收率影响较小。

3 结论

3.1 电化学预处理可通过丁基黄药的物化性质而提高其作用效果。当极板间距为6.5cm，阳极材料为石墨，电解时间为10min，电流密度为0.25A时，丁基黄药的作用效果最好。

3.2 电化学浮选试验中丁基黄药用量和废水中Cu2+质量分数对废水中铜的回收率影响较大，二号油用量对废水中Cu2+回收率影响较小。当废水中Cu2+质量分数为40mg/L，丁基黄药（质量分数为1%）用量为16mL，二号油用量为40mg/L 时，铜的回收率最高为63.64%。