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研究文章
EAFDS /石灰集成系统在工业流出物中除去Cu和Mn的应用

Tedlaye forsido１＊罗伯我McCrindle2珍妮·马雷1Lizzy Mpenyana-Monyatsi1

1 南非科技工业大学环境水与地球科
 2 科技，南非茨瓦尼大学化学系，

*通讯作者:Tedlaye Forsido，环境水和地球科学系，Tshwane理工大学，南非，电子邮件：tedlayef@yahoo.com


摘要

金属污染是影响环境和生物福祉的重要问题之一。铜和锰是对人类健康有害的最常见的金属污染物。已经提出并应用了几种方法来处理工业废水和去除有害金属最常用的处理方法之一是化学沉淀法。本研究是关于在存在大量其他金属的情况下，利用称为电弧炉尘渣（EAFDS）的钢铁工业固体废物，从工业酸性废水中化学沉淀铜和锰金属的应用与石灰一起使用。研究证明，单独使用EAFD可显著去除目标金属，并降低与采购其他昂贵化学品相关的成本。未经处理的废水中的铜浓度为47.2 mg/l。炉渣将浓度降低至7.8 mg/l，达到81.7%的去除率。ra中的锰浓度w废水为120.8 mg/l，仅使用炉渣可将其降至12.0 mg/l。添加少量Ca（OH）后，两种金属的去除率达到99.7%2．

关键词

铜;锰;金属切削;治疗;EAFDS;中和


介绍

人类的活动正在改变环境的环境和速度[1,2]。过度疏忽，污染，气候变化以及相关的全球变暖，海洋酸化和森林砍伐是人类活动的结果。虽然工业革命为人类带来了积极的变化，但毫无疑问;通过各种不需要的排放对环境产生负面影响[3-5]。即使在工业化国家，工业流程也在全球环境的退化中发挥了重要作用，越来越多地对货物和服务的需求增加了对环境和自然资源基础的压力[6]。

作为废物导致水，空气和土壤污染等环境问题，金属或其他有害元素的释放。水污染的影响可能对环境和人类，动物，鱼类和鸟类有害。如果出于饮酒，农业，工业和娱乐污染或受到不良物质污染的目的，水不适合。它还影响了湖泊，河流和其他水体的美学质量和美丽[7,8]。由于非生物降解性和长期生物半衰期进行消除，食品链中危险金属的积累将对人体健康产生重大影响[9-11]。因此，在将工业流出物释放到接收体之前，需要治疗工业流出物。

水系统中常见的污染物之一是铜。铜（Cu）是生命的基本金属之一；它是人体内含量仅次于铁和锌的第三大微量金属[12].少量铜对人体很重要，因为它有助于强健骨骼、健康皮肤和头发；它也是血红蛋白合成的一个组成部分，对内分泌腺功能有积极影响，参与酶合成以及组织的发育。如果铜的含量高于所需限值，它将成为有毒的。

含铜废水对大多数植物具有极高的毒性，对微生物、鱼类和人类等多种生物有害。过量的铜可破坏抗氧化酶功能，DNA和蛋白质的氧化修饰，脂质氧化，激活氧化还原敏感基因，抑制体内锌的消耗，并通过干扰铁运输[14]引起贫血。它还会导致肾脏疾病、肝脏和大脑损伤、胃痉挛、腹泻、溶血、恶心和呕吐以及上呼吸道问题。过量的铜还可能对眼睛和肝脏造成损害，细胞过程失衡导致门克斯病、威尔逊病、阿尔茨海默病、帕金森病和朊病毒病[15]。世界卫生组织(WHO)，测定饮用水中铜的浓度不应超过0.05 mg/l[16]。

锰(Mn)是12TH.地球上最丰富的元素。锰在自然界广泛存在。作为过渡金属，锰存在于五个以上的价态，但是主要是作为锰2+或锰3+．在环境中，它主要以氧化的化学形式存在，如MnO2或锰3.O.4．锰对人类健康至关重要，对维持适当的功能和调节众多生物过程至关重要。它作为多种酶活性中心的辅助因子，是正常发育、维持神经和免疫细胞功能、调节血糖和维生素等功能所必需的。

膳食中锰的摄入对维持若干重要的生理和生物过程至关重要，包括健康软骨和骨骼的繁殖、发育和形成、能量代谢、尿素循环和抗氧化能力。锰在伤口愈合中也起着关键作用。锰存在于营养补充剂和多种维生素制剂中。

虽然锰是一种重要的微量元素，在低水平下，对人体的正常功能，但在高水平下，它是有毒的。锰中毒的症状包括幻觉、健忘和神经损伤。如果人体中的浓度超过一定水平，就会对大脑、肝脏、肾脏和神经系统造成损害。锰还可引起严重的生理紊乱，如帕金森病、肺栓塞和支气管炎。慢性和急性暴露于锰也可导致各种神经毒性症状，包括认知、精神症状、锥体外系症状、锰中毒、肌张力障碍和运动系统功能障碍[19]。

人们还担心接触大量的锰可能导致生殖问题、免疫功能障碍、致突变性和致癌性。因此，世界各地的许多环境机构都对水中的锰含量进行了限制。例如，美国环保局规定饮用水中的锰含量为0.05 mg/l。锰还影响海洋无脊椎动物的免疫系统。

大多数工业废水，特别是金属加工工业产生的废水，都含有相当高浓度的铜和锰。由于它们的影响，这些污染物需要通过废水处理方法去除或降低到监管机构设定的浓度，然后再释放到水体中。工业废水处理是指在生产活动中用来净化副产品废水的机理和过程。各种废水处理方法可用，其操作特点各不相同。大多数处理方法的经济缺点广泛地与昂贵的设备、复杂的操作和熟练的劳动力要求有关。因此，一种简单、经济的废水处理方法将促进废水的有效处理和保护环境免受污染。治疗的目的是消除任何目前或潜在的对人类/动物健康和环境的威胁。

主要的治疗方法，该方法已被用于减少或去除有害金属包括从流出物中铜，锰，包括石灰沉淀，离子交换，吸附到活性碳上，膜处理和电解方法。大多数这些方法通常涉及高资金和运营成本，并且可以与的二次废物[23,24]的生成相关联。碱沉淀是通过将pH提高至所需的水平广泛地用于从酸性流出物去除金属以形成不溶性沉淀物如氢氧化物[25]所述的方法。将pH调节至所需的电平后，将溶解的金属离子转化为不溶性固相通过与沉淀剂如石灰的化学反应。通常，从溶液中沉淀的金属是氢氧化物的形式[26]。

石灰沉淀是治疗金属浓度高于1000mg / L的污水的最有效方法之一。利用石灰沉淀的其他优点包括简单的过程，便宜的设备和方便和安全的操作，使其成为来自受污染废水的金属去除的流行方法[27]。

不同的碱性物质，如Ca(OH)2, CaCO3.，NaOH等用于提高酸性流出物的pH值。正在持续进行研究，以寻找具有这些昂贵的化学品和方法的成本效益，高效且易于使用的替代品。在这项研究中，选择钢铁工业防尘渣，电弧炉除尘渣（EAFDS）被选为碱来源。钢渣，一种铁渣，是非金属副产物，包括钙硅酸钙和铁氧体，与铁，铝，锰，钙和镁的熔融氧化物组成，与钢一起产生[28]。钢渣含有大量的游离钙和氧化镁[29]。因此，钢渣属于中碱性材料，其渗滤液pH值范围为8至10 [30]。钢渣的主要部件是（SIO229.3％，2.7 MNO％以下，Cr2O.3.8.8％，al2O.3.2.9%， CaO 49.6%， MgO 4.9%， Fe2O.3.31.3％，FeO的2.9％和TiO20.7%)(31、32)。

极细粉尘是在电弧炉中通过金属汽化而形成的，然后收集在布袋室中。在典型的电弧炉操作中，大约2%的炉料转化为粉尘，形成EAFDS[33]。钢铁生产过程中产生的EAFDS被大多数国家规定为危险废物，因为其中存在大量Zn、Ni、Cr和Pb等危险金属的可浸出化合物[34,35]。然而，由于其碱性，它可以用于中和和去除酸性废水中的金属。

除了节约自然资源还节省了能源的浪费材料的回收利用，减少了废物量以及空气和水的污染，并减少温室气体的[5]。回收废水以及固体废弃物已收到严重关注行业在保护环境的背景下，发展绿色化学的概念：利用可再生资源，改善水资源管理，包括回收利用生产过程中产生的废料[36]。

本研究的目的和目标

该研究的目的是开发一种成本效益和有效的方法，用于治疗工业流出物和使用另一种工业固体废物除去Mn和Cu。选择作为商业碱的替代物的材料是电弧炉灰尘渣（EAFDS），其是在钢制造过程中产生的副产品。目的还包括：

•为了确定除尘渣，可以应用由EAF产生的副产物，可应用于中和钢铁工业产生的酸流出物

•确定从工业酸性废水中去除铜、锰的最佳条件

材料和方法
原料

本实验所用化学品均为分析级，未经进一步提纯。盐酸从SMM化学品供应商处获得。氢氧化钠是从艾斯化学公司购买的而钙(氢氧化钙)2购自Sigma获得。

从以废金属为原料的不锈钢工业中收集废液和EAFDS。

设备

Knick pH仪766 Calimatic(德国)用于测量整个过程的pH值。用于搅拌的棒式搅拌器为德国IKARW 20数字式搅拌器。采用ICP-OES (Spectroacros, AcrosFHS, Germany)测定金属含量。

程序

这项研究进行了使用1L塑料烧杯和道路搅拌器。2：基于在炉渣碱含量的量和流出物的酸度，碱进行有效的中和所需要的量使用碱度的3酸度比算出。所有分析一式三份进行。

在烧杯中测量一升流出物，并将计算出的熔渣量添加到容器中。使用棒式搅拌器以380 rpm的转速连续搅拌内容物。每隔10分钟和30分钟采集一次样品，接下来的61小时每小时采集一次样品，每2小时采集一次样品，直到96小时，然后继续添加纯石灰，以达到12.5的目标pH值。从每个样本中总共收集并分析了55个样本。每次取样后，将含量补充至原来的1L体积。96小时后，通过添加纯石灰（Ca（OH））继续该过程2）在pHS 9.5和12.5处收集另外两个样品。将pH升高至12.5所需的石灰量仅为6.5g / l。

采集的样品立即用Whatman 1号滤纸过滤。用下面给出的方法对pH和酸度进行了分析。采用ICP-OES (Spectroacros, Acros-FHS, Germany)测定金属含量。

分析

炉渣在105°C的烘箱中干燥2小时，冷却后粉碎成粉末，并通过300μm孔径筛进行筛分。炉渣中游离石灰和总碱的含量测定如下。

渣中的总碱被确定为Caco3.用下面的方法。将2.5 g干燥粉碎和筛过的渣称入烧杯，加入100ml 1hcl煮沸2分钟。将溶液冷却至室温，用去离子水配制至100ml，用Whatman No. 1滤纸过滤。用1n NaOH滴定滤液40ml至pH 7。

总碱含量以CaCO3.从等式给出的质量并使用公式体积计算

其中C1是HCl，V的浓度1盐酸，C的体积2NaOH，V的浓度2NaOH的体积V3.滴定溶液的体积V4为样品溶液的总体积，M为渣的重量。

总碱含量，这是能够与流出物中酸反应的碱金属;在使用上述方法确定的炉渣中为92.4％作为Caco3.．

用pH探针直接测定废水的pH值以及所有在处理过程中采集的样品的pH值。用pH计测定的原水pH为0.64。加入EAFDS后，以380rpm搅拌溶液。pH值在10分钟内迅速上升到3.0，这可能是由于渣中存在水溶性的游离石灰。然而,pH值增加减慢一旦所有游离石灰消耗,四小时后升至3.1 3.5 6小时后,7.5十小时后,7.7后12小时的搅拌和24小时后达到8.1,8.2经过48小时的搅拌和8.7后96小时。

结果和讨论
铜

含铜废水的主要来源有水管的腐蚀、铜的开采和提炼、肥料工业、石油提炼、电镀、油漆和染料工业、采矿和冶金、炸药工业、农药工业、金属加工、塑料、蚀刻、钢铁工业、电子材料冲洗、电镀及印刷电路行业[37]。由于铜是许多工业应用中最常用的金属之一，所以通常在大多数废水中发现高浓度的铜。铜有三种重要的氧化态，即0，+1和+然而，Cu常见于二价阳离子并且通常在酸性条件下更具移动性，而在pH值以上;它倾向于形成Cu碳酸酯和羟基碳酸盐（碳酸酯）[39]。

它被认为是环境最广泛的金属污染物之一。由于其毒性特性，甚至在低浓度下，必须对用Cu污染的水污染铜污染，例如毒性，甚至在[38]。为了提高更环保且成本效益的废水处理方法，促进了开发新方法和方法的研究兴趣[40]。在挖掘进入接收体之前，Cu浓度应小于2.0mg / L在挖掘和电镀废水中，如世卫组织所示，虽然USEPA设定了1.3 mg / L [41]的限制。

在废水中，Cu显示出高迁移率，并且通过形成复杂的化合物可以轻松进入环境。因此，来自废水的Cu除去具有抑制对人类，动物和环境的毒性的重要意义。由于其对生物的有害影响，应从废水中除去或减少铜，以符合标准。涉及化学和物理方法的几种技术，如化学沉淀，蒸发回收，溶剂萃取氧化/还原，凝血 - 絮凝，浮选，过滤，吸附，生物吸附，胶结，离子交换，膜技术，反渗透，生物处理，生物电化学系统和生物电化学系统电化学处理技术通常用于治疗用Cu之前污染的废水，在排出到天然水体之前[41]。化学沉淀处理可提供所需的质量污水，其具有更高的成本效益总体过程[15]。氢氧化物降水是由于其简单性，低成本和操作易操作性最广泛的技术之一。

由于渣具有类似于氢氧化物的碱性，这项研究的一个目的是发现它可以用作碱度的替代来源，以除去来自工业酸性流出物的金属。由于Cu在更高的pH下形成不溶性沉淀，因此研究了EAFDS，看看它是否可以提高足够高的工业酸性流出物的pH以将Cu从流出物中除去作为沉淀物。

原废水中铜的浓度为47.2 mg/l。将酸性废水与EAFDS混合10分钟后，将pH提高到3，导致铜浓度迅速下降，达到20.3 mg/l，仅10分钟就能去除57%的铜。24h后，pH降至8.1,Cu浓度进一步降低至10.0 mg/l，去除率达到78.8%。在加入Ca(OH)之前，pH进一步增加到8.72将溶液中的铜浓度进一步降至7.8 mg/l，达到81.7%的去除率。添加Ca（OH）2将pH值增加到9.5，从而从溶液中去除更多的铜。溶液中的铜浓度降至0.2 mg/l，达到99.6%的去除率。pH值增加至目标pH值12.5，导致铜去除率降低至0.1 mg/l，最终从工业酸性废水中去除99.8%的铜。pH值对铜浓度的影响如图1所示。

图1:pH对Cu浓度的影响。

锰

Mn暴露通常与人为活动，其地质丰度以及其广泛的工业实用性相关。Mn Ore被认为是至关重要的产业元件，并利用冶金和非冶金行业。Mn是第四主要全球商业金属，因为它具有钢铁行业的基本应用。全球每年利用Mn高于1.5兆吨，未来可能会升高。Mn化合物的制造，其巨大的工业应用和采矿活动使MN成为了重要的环境污染物。Mn化合物和废物释放到水中，并在水生环境中成为有毒金属污染物[42]。

锰以溶解态和固态的氧化态存在于水环境中+2，+3或+4由pH和氧化还原条件的主要是氧化物，碳酸盐和硅酸盐[43]。

人们正在进行不同的研究，以开发有效的方法从废水中去除锰。一些研究者研究了锰在水中的分布和价态转换。其他人研究了去除方法，如曝气和过滤，利用细菌的化学和/或生物氧化。采用化学氧化法、吸附法、膜过滤法和生物法对水中锰进行了处理。废水中的锰可被氯氧化，转化为MnO2．混凝法可以通过电荷中和去除锰。其他的方法，如吸附，沉淀和过滤也被使用[44]。

可以通过物理，化学品和生物过程或通过这些方法的组合从废水中除去Mn。通常，通过将它们氧化至mnO来从流出物中除去Mn（II）离子2或沉淀从水碳酸酯的Mn。的Mn可通过氧化被除去，由于Mn（IV）的化合物是不可溶的[43]。由于在碱性介质中的Mn（II）氧化成的Mn（IV）就必须找到能够提高工业酸流出物的pH至需要的pH的材料。

由于它含有的总碱的含量高，因此选择了EAFDS。原始流出物中Mn的浓度为120.8mg / L.在13小时后PH达到7.9直至pH达到7.9，Mn浓度的降低非常慢。Mn的浓度降低至55mg / L，去除54.5％。通过pH 8.0后，浓度在加入Ca（OH）之前在pH 8.7下达到12mg / L.2拆除90.1％。加入纯石灰后，从溶液中除去更多Mn。在pH9.5时，溶液中Mn的浓度为0.4mg / L，取出99.7％。然而，浓度没有显示在pH至12.5的进一步增加，剩余0.4mg / L [45,46]。pH对Mn浓度的影响在图2中给出。

图2:pH对Mn浓度的影响。

结论

本研究中研究的治疗方法是化学沉淀技术，是最常见的中和和从废水中加热危险金属的治疗方法之一。由于用于中和和金属去除的化学物质产生成本，目的是找到一种替代品，它对商业昂贵的化学品具有类似的性质。为该研究选择的材料是电弧炉灰尘渣（EAFDS）。该材料是由钢制造业产生的副产品，通常被认为是垃圾和处理到倾倒地点，导致对环境的污染，公司征收和嵌入其中的潜在有用的化学品损失。

对EAFDS的组成进行了研究，结果表明，EAFDS含有丰富的碱，可作为水处理的水源。由于渗滤液主要由金属氧化物组成，所以是碱性的。该特性用于处理含各种高浓度有害金属的钢铁工业酸性废水。

该研究表明，EAF粉尘渣，钢制造过程中产生的副产物可用于中和钢工业的酸流出物。单独的炉渣能够中和其pH为0.64的高度酸性流出物，在96小时后有效地将pH值升高到大于8.1％，8.7。因此，EAFDS可用于中和行业的酸性流出物。该过程很简单，没有成本促使该过程的碱性。

目标金属铜，锰的浓度仅使用炉渣，导致除去多于84％的Cu和90％的Mn减少相当。为了达到更好的去除水平的Ca（OH）2添加石灰以将pH值提高到12.5的目标值。由于溶液的pH值已通过EAFDS提高到碱性范围，因此所需的石灰量非常小，节省了与石灰相关的成本。添加石灰可进一步去除金属；显著地，可去除铜（99.7%）和锰（99.7%）。

考虑到EAFDS作为一种废弃物产生的材料，其应用范围有限，特别是在工程和建筑领域，将其作为碱的来源具有明显的优势。与大多数用于酸性水处理的化学药剂不同，它没有很大的成本。它也不需要一个复杂的过程或机械，只通过彻底的混合工作。因此，这一过程节省了成本，特别是钢铁工业，因为它很容易作为制造过程的副产品处置。

承认

作者要感谢Tshwane科技大学促进了这项研究

遵守道德标准

没有进行任何影响生物或环境健康的生物或过程。

的利益冲突

作者声明没有任何利益冲突。

资金状况

Tswane技术大学提供所有资金。


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文章信息

文章类型：研究文章

引文：陈志强，陈志强，陈志强(2010)EAFDS/石灰集成系统在工业废水处理中的应用。国际给水排水6(3):dx.doi.org/10.16966/2381-5299.164

版权：©2020 Forsido T，等。这是在创意公约归因许可的条款下分发的开放式文章，其允许在任何媒体中不受限制地使用，分发和再现，只要原始作者和来源被记入。

出版历史记录：

  • 收到日期:20月29日，2020年2月29日

  • 接受日期：2020年3月13日

  • 发布日期：20月20日，2020年